[发明专利]一种异质衬底上GaN连续厚膜的外延生长方法

说明书

本发明公布了一种异质衬底上GaN连续厚膜的外延生长方法，在异质衬底上依次生长氮化铝成核层、铝镓氮层、氮化镓位错过滤层和氮化镓外延层，通过采用独特的氮化镓位错过滤层，有效克服了现有异质衬底上GaN厚膜材料外延技术上的复杂性，使外延工艺简单且快捷有效，稳定性高，同时能大幅降低缺陷密度，获得GaN连续厚膜，提高异质结构晶体质量，十分适合于低成本的垂直GaN电子器件的研制。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种硅(Si)或碳化硅(SiC)衬底上GaN连续厚膜的外延生长方法。

背景技术

以III族氮化物为代表的第三代半导体具有高禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度以及强极化等优异的性质，特别是GaN垂直功率电子器件，和GaN横向电子器件相比，GaN垂直功率电子器件具有更大的击穿电压。和SiC垂直电子器件比，GaN垂直器件具有更高的临界击穿电场(GaN 3.3MV/cm&SiC3.0MV/cm)，而理论上具有比SiC更高的击穿电压，同功率下所需要的器件尺寸较小，同时GaN材料因电子漂移速率高(GaN3×10⁷cm/s&SiC2×10⁷cm/s)，在相同耐压条件下，决定器件自身能耗的导通电阻可降低1个数量级。另外，Si衬底上GaN垂直电子器件因其在大尺寸、低成本以及与现有Si工艺兼容等方面具有明显的优势，因此在混合动力汽车的功率控制电路、太阳能逆变器、混合动力汽车逆变器、功率电源、家用电器及工业设备的功率转换器等领域有广泛的应用前景，也因此使其成为国际上氮化物领域研究的热点之一。另外一方面，近年来随着SiC衬底尺寸的增大和成本的不断降低，基于SiC衬底上的GaN垂直结构器件也引起了人们的广泛关注。

GaN连续膜的厚度是衡量GaN垂直电子器件性能的重要指标之一，对于提高器件的击穿电压具有重要作用。但是由于异质衬底(Si衬底或者SiC衬底)和GaN存在巨大的热失配，高温生长GaN材料后，在降温的过程中GaN基外延材料会受到衬底施加的巨大的张应力，导致外延材料强烈翘曲甚至龟裂，难以满足器件制备的要求。因此，如何通过应力和缺陷工程，避免外延材料的龟裂，并获得低缺陷密度的GaN连续厚膜材料，是研制异质衬底上GaN垂直功率电子器件需要解决的首要问题。在本发明以前，为了实现异质衬底上GaN厚膜材料，国际上主要采用多层AlN或AlGaN插入层技术。然而，这种技术制备的GaN薄膜并非连续，同时该技术需要不断的升温/降温，外延步骤较多，周期长，成本大，在晶体质量的提高等方面也受到一定挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服现有异质衬底上GaN厚膜外延技术上的不足以及工艺的复杂性，提供了一种新型的异质衬底上GaN连续厚膜外延技术，通过采用独特的氮化镓位错过滤层，有效克服现有异质衬底上GaN厚膜材料外延技术上的复杂性，使外延工艺简单且快捷有效，稳定性高，同时能大幅度提高异质结构晶体质量。

本发明提供的异质衬底上GaN连续厚膜的外延生长方法包括如下步骤：

(1)在异质衬底上生长一层氮化铝成核层；

(2)在成核层上生长铝镓氮层，其中Al的摩尔组分为15-30％；

(3)在铝镓氮层上生长氮化镓位错过滤层；

(4)在氮化镓位错过滤层上生长氮化镓外延层。

优选的，所述成核层、铝镓氮层、氮化镓位错过滤层、氮化镓外延层的生长方法可以是金属有机化合物气相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)和气相外延(CVD)中的一种。

其中，步骤(1)中所述异质衬底可以是晶向为硅(111)、硅(100)、硅(110)等的硅衬底或者碳化硅衬底。生长氮化铝成核层的温度为600-1200℃，压力为10-200mbar；成核层厚度优选为50nm-2μm，更优选为100-400nm。