[發(fā)明專利]一種大尺寸SiC襯底低應力GaN薄膜及其外延生長方法

在審

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• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112687527A
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發(fā)明（設計）人: 李國強;邢志恒;吳能滔;李善杰;孫佩椰;姚書南;王文樑
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L29/20
• 代理公司: 廣州市華學知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 陳智英

本發(fā)明屬于半導體的技術領域，公開了一種大尺寸SiC襯底低應力GaN薄膜及其外延生長方法。所述大尺寸SiC襯底低應力GaN薄膜，自下而上依次包括襯底、AlN成核層、緩沖層、未摻雜GaN薄膜；所述緩沖層為In_xAl_1?xN緩沖層或In_xAl_1?xN/In_0.18Al_0.82N緩沖層。本發(fā)明還公開了大尺寸SiC襯底低應力GaN薄膜的外延生長方法。本發(fā)明不僅改善了大尺寸SiC襯底與GaN材料晶格失配問題，有效控制外延片應力，對器件整體性能和良品率提升作用明顯；利于制備大尺寸碳化硅基氮化鎵器件。

技術領域

本發(fā)明屬于半導體材料的技術領域，具體涉及一種以大尺寸SiC襯底低應力GaN薄膜及其外延生長方法。

背景技術

氮化鎵材料作為第三代半導體的典型代表，由于其具有禁帶寬度大，電子遷移率高等特點，已經(jīng)成為未來半導體領域最有可能取代Si的材料。尤其是氮化鎵基器件在微波、毫米波頻段廣泛應用于無線通信、雷達等電子系統(tǒng)，在光電子和微電子領域具有十分廣闊的發(fā)展前景。

高性能器件的實現(xiàn)在于高質(zhì)量的材料制備以及優(yōu)良的器件加工工藝的結(jié)合。由于目前常用的襯底制備技術很難應用于GaN襯底的生產(chǎn)，所生產(chǎn)的GaN襯底尺寸有限且價格昂貴。而現(xiàn)今的半導體發(fā)展潮流是在大尺寸襯底上進行材料生長與器件加工，因此，以GaN作為襯底進行同質(zhì)外延極難實現(xiàn)?，F(xiàn)在業(yè)界普遍使用的襯底是碳化硅，藍寶石以及單晶硅。相較于硅和藍寶石，碳化硅襯底熱導率高，散熱性好，是制備GaN射頻、功率器件的首選。但是與其他襯底一樣，使用SiC襯底進行異質(zhì)外延仍不可避免兩個問題：晶格失配和熱失配。材料與襯底的晶格失配導致在GaN外延層在生長初期會產(chǎn)生非常大的晶格失配應力，當生長的GaN外延層的厚度超過某一臨界厚度后，積聚在GaN外延層中的這種晶格失配應力就會在界面處以位錯和缺陷的形式釋放，這將惡化GaN材料的晶體質(zhì)量從而降低后續(xù)器件的性能。而這晶格失配問題在大尺寸襯底上生長時的影響尤為明顯。目前生產(chǎn)中轉(zhuǎn)移和釋放襯底與GaN失配應力的常用方法有：圖形化襯底和應力緩沖層。目前常用的應力緩沖層有厚GaN緩沖層、高低溫AlN緩沖層、AlGaN組分漸變緩沖層等，盡管在轉(zhuǎn)移和釋放失配應力方面作用有限，所制備的外延片應力較難控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種大尺寸SiC襯底低應力GaN薄膜及其外延生長方法，解決了現(xiàn)有技術由于SiC襯底與GaN晶格失配導致外延片應力控制效果不佳的問題。

本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn)：

一種大尺寸SiC襯底低應力GaN薄膜，自下而上依次包括襯底、AlN成核層、緩沖層、未摻雜GaN薄膜；所述緩沖層為In_xAl_1-xN緩沖層或In_xAl_1-xN/In_0.18Al_0.82N緩沖層。

所述AlN成核層為低溫AlN成核層和高溫AlN成核層，厚度為20～220nm。

所述緩沖層為In_xAl_1-xN緩沖層，厚度為0.1-1μm。其中，In_xAl_1-xN中X為0.5～0.1。

所述大尺寸SiC襯底低應力GaN薄膜還包括In_0.18Al_0.82N緩沖層；In_0.18Al_0.82N緩沖層設置在In_xAl_1-xN緩沖層上。此時，In_0.18Al_0.82N緩沖層與In_xAl_1-xN緩沖層的厚度為0.1-1μm。In_xAl_1-xN中X為0.5-0.1。