[發明專利]用于生長GaN外延材料的襯底結構及其制作方法

有效

• 申請號: 201610224869.3
• 申請日: 2016-04-11
• 公開（公告）號: CN105702565B
• 公開（公告）日: 2019-08-23
• 發明（設計）人: 李東昇;丁海生;陳善麟
• 申請（專利權）人: 杭州士蘭微電子股份有限公司;杭州士蘭明芯科技有限公司
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;C30B25/18
• 代理公司: 上海思微知識產權代理事務所(普通合伙) 31237
• 代理人: 智云

本發明提出了一種用于GaN外延材料生長的襯底結構及其制作方法，在支撐襯底上依次形成了成核層、緩沖層和晶格匹配層，首先解決了現有技術中支撐襯底表面易于氧化和易于受Ga或Ga的化合物回熔影響的問題；其次緩沖層中與成核層晶格匹配的元素及與晶格匹配層晶格匹配的元素的含量隨緩沖層厚度的增加而連續變化，緩沖層下面的材料結構與成核層的材料結構接近，上面的材料結構和晶格匹配層的材料結構接近，解決了現有技術中支撐襯底與GaN外延材料之間的晶格匹配和熱應力匹配的問題。

技術領域

本發明涉及半導體器件制造領域，尤其涉及一種用于GaN外延材料生長的襯底結構及其制作方法。

背景技術

作為第三代半導體材料的典型代表，氮化鎵(GaN)具有廣泛的應用領域和發展前景，由于自然界中缺乏天然的氮化鎵襯底(GaN外延的同質襯底)材料，各領域的科研工作者通常選擇在異質襯底如藍寶石襯底、碳化硅襯底或硅襯底上生長GaN外延薄膜從而形成半導體發光器件、開關器件和傳感器件等。各種異質襯底材料的特性及其與GaN外延薄膜之間的晶格匹配和熱應力匹配的研究成為實現GaN半導體光電器件商業化及發展和可持續發展的關鍵。

藍寶石襯底生產技術相對成熟、化學穩定性好、機械強度高，成為初期半導體光電器件的首選襯底材料，后續發展的藍寶石襯底的圖形化技術和外延工藝的緩沖層技術也部分解決了藍寶石襯底與GaN外延材料之間晶格匹配和熱應力匹配的問題。然而，藍寶石襯底導熱性差，影響器件的性能和使用壽命，且不易于向大尺寸、自動化方向發展；碳化硅襯底是電和熱的良導體，且具有化學穩定性好的優勢，在半導體光電技術制造領域具有重要地位，但其價格高昂，性價比較差。

與藍寶石襯底和碳化硅襯底相比，硅襯底是電和熱的良導體，且成本低，可向大尺寸、自動化方向發展，被認為是未來最有發展潛能的襯底。但是，硅襯底和GaN外延層之間也存在著較大的晶格失配和熱應力失配；且，硅襯底表面還容易發生氧化形成多晶或非晶的氧化層，不易于形成高晶體質量的GaN外延層；不僅如此，硅襯底在生長過GaN外延層的MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金屬有機化合物化學氣相沉淀)腔體中再次形成外延層時，會受MOCVD腔體中殘留的Ga或Ga的化合物回熔的影響，嚴重降低GaN器件的性能和良率。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種用于GaN外延材料生長的襯底結構，以解決硅襯底與GaN外延材料之間的晶格匹配和熱應力匹配的問題、硅襯底表面易于被氧化的問題以及硅襯底易受MOCVD腔體中Ga或GaN的化合物回熔影響的問題。

本發明的目的之二在于提供一種能夠實現上述用于GaN外延材料生長的襯底結構的制作方法，以推動各領域GaN基半導體器件的產業化進程。

為了解決上述問題，本發明提出了一種用于GaN外延材料生長的襯底結構，包括：

支撐襯底；

成核層，形成于所述支撐襯底表面；

緩沖層，形成于所述成核層表面；

晶格匹配層，形成于所述緩沖層表面；

其中，所述緩沖層包含與所述成核層的晶格匹配的元素以及與所述晶格匹配層的晶格匹配的元素；越靠近所述成核層時，所述緩沖層中與所述成核層晶格匹配的元素所占比例越高，與所述晶格匹配層晶格匹配的元素所占比例越低；越靠近所述晶格匹配層時，所述緩沖層中與所述成核層的晶格匹配的元素所占比例越低，與所述晶格匹配層的晶格匹配的元素所占比例越高。

進一步的，在所述的用于生長GaN外延材料的襯底結構中，所述成核層材質為Al、Al₂O₃或AlN中的至少一種。

進一步的，在所述的用于生長GaN外延材料的襯底結構中，所述晶格匹配層材質為GaN。