[發明專利]一種3C-SiC外延結構

在審

• 申請號: 202010499567.3
• 申請日: 2020-06-04
• 公開（公告）號: CN111599854A
• 公開（公告）日: 2020-08-28
• 發明（設計）人: 左萬勝;鈕應喜;劉洋;張曉洪;劉錦錦;袁松;史田超;史文華;鐘敏
• 申請（專利權）人: 蕪湖啟迪半導體有限公司
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06
• 代理公司: 蕪湖安匯知識產權代理有限公司 34107
• 代理人: 尹婷婷

本發明公開了一種3C?SiC外延結構，所述3C?SiC外延結構由下至上依次包括襯底、GaN緩沖層、3C?SiC外延層；通過在襯底和3C?SiC外延層之間插入了禁帶寬度和臨界擊穿場強更高的GaN緩沖層，提升了3C?SiC器件的耐壓性能；且在Si襯底上生長3C?SiC時，在升溫過程中Si原子的擴散會形成界面空洞，通過在Si襯底上先生長一層AlN緩沖層，其一旦覆蓋襯底高溫下幾乎不會發生原子遷移重結晶，從而有效抑制Si的揮發形成的界面空洞缺陷，進而得到高質量的3C?SiC外延結構。

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，具體涉及一種3C-SiC外延結構。

背景技術

以SiC材料為代表的第三代寬帶隙半導體材料具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導率、高載流子飽和漂移等特點，特別適合制作高溫、高壓、高頻、大功率、抗輻照等半導體器件。

在SiC多型體中，3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC等晶型應用最廣泛，與其他晶型相比，3C-SiC的飽和電子漂移速率、電子遷移率和空穴遷移率更高，使得3C-SiC在高頻器件應用方面更有潛力。然而，3C-SiC的禁帶寬度和臨界擊穿場強較低，制約著3C-SiC在高壓器件方面的應用。

另一方面，3C-SiC是唯一能在Si襯底上外延生長的晶型，使3C-SiC器件的商業應用具有很大的潛力。然而，在Si襯底上外延生長3C-SiC，高溫條件下襯底表面的Si原子向外擴散形成空位，這些空位發生聯并形成較大的空洞，當通入碳源和硅源時，直接在空洞的襯底表面生長薄膜，這些界面空洞使薄膜與襯底的結合力變差并影響3C-SiC薄膜的外延生長。同時，在Si襯底生長3C-SiC界面態密度較高，Si襯底和3C-SiC薄膜之間，存在著20％的晶格失配和8％的熱膨脹失配，阻礙了3C-SiC器件的發展。

而在藍寶石襯底上外延生長3C-SiC，由于其與碳化硅的粘附性較差，不利于3C-SiC初期成核生長。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供了一種3C-SiC外延結構，在襯底和3C-SiC外延層之間插入了禁帶寬度和臨界擊穿場強更高的GaN緩沖層，進而得到高質量的3C-SiC外延結構，并提升了3C-SiC器件的耐壓性能。

本發明采取的技術方案為：

一種3C-SiC外延結構，所述3C-SiC外延結構由下至上依次包括襯底、GaN緩沖層、3C-SiC外延層；直接在襯底上生長3C-SiC外延層所得到的3C-SiC外延結構的禁帶寬度和臨界擊穿場強較低，制約了3C-SiC在高壓器件方面的應用，通過在襯底和3C-SiC外延層之間插入禁帶寬度和臨界擊穿場強更高的GaN緩沖層，可提升3C-SiC器件的耐壓性能。

所述襯底為Si襯底或藍寶石襯底，優選為Si襯底。

所述GaN緩沖層的厚度為10～500nm；GaN緩沖層在襯底上生長時，先3D島狀生長然后合并，GaN小島合并時會產生張應力，因此其厚度應控制在10～500nm的厚度，否則厚度太薄生長的GaN緩沖層的表面粗糙，厚度太厚張應力太大，容易導致裂片。

所述3C-SiC外延層的厚度為10～100μm。

進一步地，所述襯底和GaN緩沖層之間還包括AlN緩沖層或AlGaN緩沖層；AlN或AlGaN的禁帶寬度和臨界擊穿場強比GaN更強，在襯底和GaN緩沖層之間插入AlN緩沖層或AlGaN緩沖層可進一步提升3C-SiC外延結構的耐壓能力，且AlGaN緩沖層可緩解晶格失配，對后生長的GaN緩沖層提供預壓應力。

所述AlN緩沖層的厚度為80～300nm；AlN緩沖層的厚度小于80nm時，其表面粗糙；而厚度超過300nm時，AlN受到的張應力越大，翹曲越大，越容易裂片；在80～300nm范圍內，厚度越厚，器件的耐壓能力越強。