[发明专利]低弯曲度硅基III族氮化物外延片及生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低弯曲度硅基III族氮化物外延片及生长方法。属于半导体技术领域，

背景技术

III族氮化物半导体材料包括氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）、氮化铟（InN）及它们之间形成的三、四元合金（也就是AlGaN、InAlN、InGaN和AlInGaN）。以氮化镓材料为主的III族氮化物半导体材料具有相对宽的直接带隙、高的击穿电场强度、高的饱和电子漂移速度，以及可以形成高浓度高电子迁移率的二维电子气结构等优势，已经广泛地用于制备紫外、蓝、绿光发光二极管（LED）、激光器和微波功率晶体管。目前，氮化镓LED被视为新一代的高效高亮节能固态发光光源，其市场份额不断扩大，逐步替代传统照明和显示灯。基于氮化镓的大功率微波放大器和微波单片集成电路产品已经投入市场，与砷化镓和硅微波功率器件相比，氮化镓基器件具有更高输出功率密度和效率，能够大幅降低系统的尺寸、重量和散热要求，为移动通信基站和雷达系统的设计和使用提供了更多选择。

目前，氮化镓薄膜主要是通过异质外延的方法在蓝宝石和碳化硅衬底上生长的，其中基于氮化镓的大功率微波器件基本都是在碳化硅衬底上外延生长的。然而，碳化硅衬底价格高昂，尽管基于碳化硅衬底的氮化镓晶体管性能优良，但是其应用范围还是严重地受到成本的制约。蓝宝石衬底具有较大成本优势，其价格仅有不到碳化硅衬底的十分之一，但它也有一些性能缺陷，如导电性和导热性差，尺寸不大等。硅作为衬底材料，不仅具有质量高、导热性能好、切割容易等优点，而且其成本优势比蓝宝石衬底还要大。

近年来，越来越多的人投入到硅基氮化镓材料的研究当中，硅基氮化镓技术不断地取得突破，直径150mm（6英寸）甚至更大尺寸的硅衬底上生长出高质量氮化镓薄膜，基于硅基氮化镓材料的LED和功率电子器件进入了样品试制阶段。众所周知，硅与III族氮化物外延材料存在着非常严重的晶格失配和热失配，如（0001）面氮化镓与（111）面硅之间的热失配为54%，晶格失配为17%，在硅衬底上生长的III族氮化物外延薄膜因为应力大，很容易产生裂纹。因此，硅基III族氮化物外延材料的生长不仅包含氮化铝成核层，而且还要包含能够分担外延生长应力的中间层。像其他衬底上III族氮化物外延生长的情况一样，采用氮化铝作为成核层，首先生长在衬底表面，是为了促进III族氮化物源材料在衬底上凝结生长，给后续异质外延层的生长提供成核中心，并改善其质量。

人们发现在硅衬底上生长氮化镓时，如果只采用氮化铝成核层，很难生长出1μm厚的无裂纹氮化镓层，为此人们开发了诸多中间层生长技术，有效地解决了这一问题。这些中间层主要有氮化硅插入层、氮化铝插入层、氮化铝/氮化镓超晶格插入层和铝镓氮过渡层。一般来说，过渡层材料选择铝镓氮，是因为其晶格常数和热膨胀系数介于氮化镓和氮化铝之间，可以起到过渡的作用。铝镓氮过渡层可以是一层铝镓氮材料，也可以由多层铝镓氮材料构成。在多层材料结构中，靠进硅衬底的铝镓氮层的铝组分要高于远离硅衬底的铝镓氮层。铝镓氮过渡层可以有效缓解氮化铝缓冲层和氮化镓层之间的晶格失配和热失配，并且给铝镓氮层上生长的氮化镓层引入一个压应力，防止氮化镓层发生张应变弛豫，产生裂纹。有关铝镓氮过渡层抑制薄膜产生裂纹，改善薄膜质量的研究报道较多，但是目前还没有开发出有效降低硅基III族氮化物外延片形变量的铝镓氮过渡层结构。在硅衬底上生长的III族氮化物薄膜通常处于强烈的应变状态，导致整个外延片发生严重形变，影响器件的制作。因此，降低外延片的形变量（如弯曲度和翘曲度），制造器件级III族氮化物外延片具有重要现实意义。

发明内容

本发明提出的是一种低弯曲度硅基III族氮化物外延片及生长方法，其目的是针对硅基III族氮化物外延片严重形变的问题，通过在氮化铝成核层和III族氮化物外延层之间采用两个厚度和组分合理配比的铝镓氮作为过渡层，使它们能均匀地承受氮化铝层和III族氮化物外延层之间因晶格失配和热失配而形成的外延生长应力，从而减小III族氮化物外延层中的生长张应力，降低硅基III族氮化物外延片的弯曲度。