[發明專利]一種硅基GaN薄膜及其外延生長方法

在審

• 申請號: 202111004389.3
• 申請日: 2021-08-30
• 公開（公告）號: CN113921376A
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 馬金榜;張雅超;李一帆;姚一昕;張進成;馬佩軍;馬曉華;郝躍
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 西安嘉思特知識產權代理事務所(普通合伙) 61230
• 代理人: 劉長春

本發明涉及一種硅基GaN薄膜及其外延生長方法，外延生長方法包括步驟：S1、往反應室中通入三甲基鋁和氨氣，在目標溫度和目標氣體流量下對Si襯底進行預處理；S2、在預處理后的所述Si襯底上外延生長AlN成核層；S3、在所述AlN成核層上生長AlGaN緩沖層；S4、在所述AlGaN緩沖層上生長GaN層。該外延生長方法先對Si襯底進行預處理，然后外延生長外延層，預處理會對Si襯底起到保護作用，使得Si襯底的表面更加平整，有利于之后AlN成核層淀積過程中Al原子的遷移，使之更容易到達平衡位置，此時AlN成核層更傾向于二維模式的生長，從而AlN成核層上的外延層也更傾向于二維模式的生長，有利于阻擋位錯的延伸，得到的外延層也會更加平整，有利于提高外延GaN晶體的質量。

技術領域

本發明屬于半導體材料技術領域，具體涉及一種硅基GaN薄膜及其外延生長方法。

背景技術

GaN作為寬禁帶半導體的典型代表，由于具有的寬禁帶、大擊穿電場強度以及好的抗輻射能力等獨特優勢，在近幾十年來得到了廣泛的研究。但是一直以來GaN的同質外延由于昂貴的同質襯底的原因，很難得到大規模的商業的應用，而GaN在Si上的異質外延雖然具有成本低、可以與傳統Si工藝相兼容等優點，但由于Si襯底與GaN之間較大的晶格失配以及熱失配的存在，Si基GaN上也存在很多的挑戰，如很高的位錯密度、大的晶圓的翹曲以及晶圓上的熱梯度的存在等等。

為了解決上面的這些挑戰，研究人員提出了很多的緩沖層的結構，比如低溫AlN、高溫AlN、階變的AlGaN層、階變的AlGaN層等等，這些緩沖層結構通過在GaN中引入壓縮應力使得GaN的質量得到了很大的提高。

但是相比于GaN常用的藍寶石以及SiC襯底來說，Si基GaN的位錯密度以及晶圓的翹曲仍要大得多，這就限制了GaN基器件的更進一步的應用。

發明內容

為了解決現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種硅基GaN薄膜及其外延生長方法。本發明要解決的技術問題通過以下技術方案實現：

本發明實施例提供了一種硅基GaN薄膜的外延生長方法，包括步驟：

S1、往反應室中通入三甲基鋁和氨氣，在目標溫度和目標氣體流量下對Si襯底進行預處理；

S2、在預處理后的所述Si襯底上外延生長AlN成核層；

S3、在所述AlN成核層上生長AlGaN緩沖層；

S4、在所述AlGaN緩沖層上生長GaN層。

在本發明的一個實施例中，所述目標溫度為1190-1210℃。

在本發明的一個實施例中，所述目標溫度為1200℃。

在本發明的一個實施例中，所述三甲基鋁的目標氣體流量為180-190sccm。

在本發明的一個實施例中，所述氨氣的目標氣體流量為1300-1400sccm。

在本發明的一個實施例中，步驟S2包括：

S21、利用金屬有機化合物化學氣相沉淀法，往反應室通入三甲基鋁和氨氣，在三甲基鋁流量為240-260sccm、氨氣流量為3800-4200sccm、生長溫度為855-905℃的條件下在預處理后的所述Si襯底上生長AlN，生長時間為60min，形成厚度為20-40nm的第一AlN成核層；

S22、利用金屬有機化合物化學氣相沉淀法，往反應室通入三甲基鋁和氨氣，在三甲基鋁流量為190-200sccm、氨氣流量為1350-1650sccm、生長溫度為1200-1220℃的條件下在預處理后的所述第一AlN成核層上生長AlN，生長時間為60min，形成厚度為160-180nm的第二AlN成核層。

在本發明的一個實施例中，步驟S3包括：