一种基于硅衬底的氮化镓材料外延结构

本技术涉及第三代半导体，特别是涉及一种基于硅衬底的氮化镓材料外延结构。

背景技术：

1、氮化镓材料禁带宽度大，临界击穿场强高，电子迁移率高，已经被广泛应用于航空航天，通信等领域。氮化镓材料的异质外延生长技术是降低氮化镓基半导体器件商业化应用成本的关键所在。目前，由于硅衬底的大尺寸制备技术成熟，成本低，且可以实现半导体光电器件的集成，可以满足大规模生长氮化物半导体材料和器件的需求，因此具有很大的市场竞争力。

2、然而，硅(111)和氮化镓的晶格失配可以达到17％，两者的热失配也可以达到116％。两种失配会导致在硅衬底上外延生长的氮化镓薄膜有严重的裂纹和较高的位错密度。解决上述问题的常用方法是基于提供预压应力而引入的缓冲层，缓冲层的晶格常数介于硅和氮化镓之间。首先在硅衬底上生长的aln成核层可以防止回熔刻蚀的产生，然后，通过algan缓冲层给氮化镓提供预压应力，与外延薄膜降温过程中的由于热失配引起的张应力抵消，抑制裂纹的产生，同时充当位错湮灭层。但是，对于较低al组分的algan缓冲层而言，其与aln成核层之间还是存在一定程度的晶格失配。所以，algan缓冲层的生长对在其上生长的氮化镓外延薄膜质量至关重要。

3、对于algan缓冲层的生长工艺而言，预铺镓工艺也进入了研究人员的视野。由于势能的存在，在aln层台阶流(保持2d模式)的生长过程中，处于上台阶面的al原子有向下层台阶面扩散的趋势，引入ga可以降低这种趋势的能量势垒，进而使继续生长的aln层的生长模式能够维持或者algan层的三维生长快速转变为二维生长，从而降低位错密度。而且由于三维岛间合不仅仅要产生位错，还要消耗压应力，而二维生长能够避免上述现象；当增加预铺镓的工艺时，增加了al原子的横向迁移速度，能够快速的使algan层转变为二维生长模式，减小由于岛间合并消耗的压应力，进而能够将维持压应力，使其与后续降温时在外延层中产生的张应力抵消，改善裂纹。

4、现有技术中，一种硅基gan薄膜及其外延生长方法，外延生长方法包括步骤：s1、往反应室中通入三甲基铝和氨气，在目标温度和目标气体流量下对si衬底进行预处理；s2、在预处理后的所述si衬底上外延生长aln成核层；s3、在所述aln成核层上生长algan缓冲层；s4、在所述algan缓冲层上生长gan层。该外延生长方法先对si衬底进行预处理，然后外延生长外延层，预处理会对si衬底起到保护作用，使得si衬底的表面更加平整，有利于之后aln成核层淀积过程中al原子的迁移，使之更容易到达平衡位置，此时aln成核层更倾向于二维模式的生长，从而aln成核层上的外延层也更倾向于二维模式的生长，有利于阻挡位错的延伸，得到的外延层也会更加平整，有利于提高外延gan晶体的质量。

5、该现有技术对衬底进行预处理，目的在于调整aln生长，使得aln生长更好。

6、现有技术中，一种基于si衬底的gan基射频器件外延结构及其制造方法，所述的gan基射频器件外延结构从下至上由依次层叠的si衬底、aln成核层、algan缓冲层、gan：fe/gan高阻层、gan超晶格层、gan沟道层、algan势垒层和gan帽层组成；其中，gan：fe/gan高阻层由故意铁掺杂gan层和非故意掺杂gan层交替连接组成；所述的故意铁掺杂gan层和非故意掺杂gan层每层的厚度都为100nm～200nm；gan超晶格层由低压/低v/iii比gan层和高压/高v/iii比gan层周期性交替连接组成；所述的低压/低v/iii比gan层和高压/高v/iii比gan层每层的厚度都为20～50nm。

7、现有技术中，一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法。该外延结构包括衬底层，在该衬底层上从下至上依次生长有aln成核层、algan缓冲层、al掺杂gan模板层和algan势垒层。该现有技术通过在制造氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构时，利用al掺杂形成gan模板层的方法，能够降低材料的位错密度，改善界面的平整度，提高材料的电子迁移率，减少异质外延algan势垒层表面态密度，进而降低了器件的漏电流，提高了器件的击穿电压且工艺简单易行。

8、上述现有技术中，并没有针对aln成核层进行了处理，没有有效调整algan层生长初始阶段的三维岛状密度和尺寸，没有提高algan薄膜的生长质量，不能够增加algan薄膜对氮化镓薄膜提供的预压应力，其外延生长的氮化镓薄膜表面会出现裂纹。

9、现有技术中，一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法，所述制备方法包括：提供一衬底；在所述衬底上依次沉积aln成核层；在所述aln成核层上生长algan缓冲层，所述algan缓冲层采用间断生长方式依次通入nh3和al源，nh3和al源不是同时向反应腔通入，生长所述algan缓冲层包括：向反应腔内通入nh3和ga源，通入时间为t1；持续通入ga源，间隔时间δt后，向反应腔内通入al源，通入时间为t2，所述nh3的通入时间t1与所述al源的通入时间t2的比值为1:1～10:1；在所述algan缓冲层上依次生长高阻缓冲层、沟道层、algan势垒层和p型gan帽层。

10、该现有技术针对aln成核层进行了处理的方法为algan缓冲层采用间断生长方式依次通入nh3和al源，工艺复杂。

技术实现思路

1、本实用新型的主要目的在于提供一种基于硅衬底的氮化镓材料外延结构，使得其工艺简单，且适用于大规模生产。

2、本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种基于硅衬底的氮化镓材料外延结构，包括从下至上依次层叠的硅衬底、aln成核层、镓涂层、algan缓冲层和氮化镓外延薄膜。

4、所述aln成核层上生长有所述镓涂层。

5、进一步地，所述硅衬底上外延生长有所述aln成核层。在生长有镓涂层的aln成核层上外延生长algan缓冲层；在所述algan缓冲层上外延生长氮化镓薄膜。

6、进一步地，所述硅衬底厚度为0.5-1.5mm。

7、进一步地，aln成核层厚度为80-200nm。

8、进一步地，镓涂层的厚度为0.5-2.5nm。

9、进一步地，algan缓冲层的厚度为200-400nm。

10、进一步地，氮化镓外延薄膜的厚度为1000-1500nm。

11、进一步地，所述硅衬底、aln成核层、镓涂层、algan缓冲层、氮化镓外延薄膜的厚度分别在0.5-1.5mm、80-200nm；0.5-2.5nm；200-400nm；1000-1500nm。

12、进一步地，algan缓冲层中al的摩尔含量百分比为20％-30％。

13、本实用新型的基于硅衬底的氮化镓材料外延结构可以通过如下步骤制得：

14、s1、提供一硅衬底，将硅衬底放入反应腔内，对硅衬底进行表面处理，采用金属有机化合物化学气相沉积法(mocvd)在所述硅衬底上外延生长aln成核层；

15、s2、在所述aln成核层上生长镓涂层；

16、s3、在生长有镓涂层的aln成核层上外延生长algan缓冲层；

17、s4、在所述algan缓冲层上外延生长氮化镓薄膜。

18、步骤s1中，所述硅衬底为圆形，大小为4inch-8inch。步骤s2中，在所述aln成核层上，单独通入镓源，形成镓涂层。步骤s2中，aln成核层中单独通入的镓源包括三甲基镓或三乙基镓。步骤s1中，控制反应腔的温度为900℃-1200℃；反应腔的压力为60torr-90 torr，单独通入三甲基镓的时间为5-30s。单独通入镓源的流量为100—300sccm。步骤s2中生长镓涂层时反应腔中的温度等于或低于步骤s1中生长aln成核层时反应腔中的温度；

19、步骤s2中生长镓涂层时反应腔中的压力等于或大于步骤s1中生长aln成核层时反应腔中的压力。步骤s4中生长氮化镓薄膜时反应腔中的温度低于步骤s2中生长镓涂层时反应腔中的温度；步骤s4中生长氮化镓薄膜时反应腔中的压力高于步骤s2中生长镓涂层时反应腔中的压力。

20、与现有技术相比，本实用新型的结构通过在aln成核层上预先单独通入镓源，预先通入的镓源会改善aln成核层表面的结合能，使得algan在生长过程中更好的从三维生长模式转为二维生长模式，从而给在其上外延生长的氮化镓薄膜提供更好的预压应力，来抵消降温过程中由于氮化镓和硅衬底之间热失配而产生的张应力。本实用新型采用的技术对硅衬底上氮化镓外延薄膜的裂纹有较大的改善，而且无需引入除了镓和铝之外的反应源，工艺简单，且在生产过程中不会引入污染，适用于大规模生产。