AlN模板及其生长方法、基于AlN模板的Si基GaN外延结构及其生长方法

技术领域

本发明属于半导体外延工艺领域，涉及一种在Si衬底上生长AlN模板、GaN外延结构的方法，具体涉及一种AlN模板及其生长方法、基于AlN模板的Si基GaN外延结构及其生长方法。

背景技术

以GaN为代表的Ⅲ族氮化物半导体材料因其大禁带宽度、高的击穿场强、高电子饱和速度和较高的热导率等特性，在光电转换器件、微波/毫米波大功率器件、电子电力器件和高温电子电路等领域具备非常优越的应用潜力。由于体单晶的制备极其困难，GaN材料的生长一般通过异质外延实现，较为适用的衬底有蓝宝石、SiC和Si衬底三种。目前商用化的GaN基材料和器件大多采用蓝宝石衬底；SiC衬底虽然与GaN失配很小，但由于成本昂贵，一般只用于军用大功率器件领域，且大尺寸衬底难以实现。随着产业的发展和竞争加剧，大尺寸和低成本的GaN外延技术开发成为一个重要的趋势，而Si衬底更容易实现大面积和高质量的制备，且成本明显低廉，同时还具备较好的导电性以实现异侧电极器件、优越的散热性能有利于大面积集成、相对简单的减薄、切割等加工工艺以及可以与传统Si基器件工艺兼容和集成等优势，因此，近年来Si基GaN材料获得了强烈的关注，其外延工艺技术成为氮化物半导体领域的研究热点之一。

由于GaN与Si之间较大的晶格常数差异（17%）和热膨胀系数差异（56%），容易导致GaN层的位错密度很大，晶体质量不高，且GaN层受到Si衬底的很大张应力，生长厚度超过一定值后便会产生表面裂纹，达到器件制备所需质量和厚度的Si基GaN外延材料的生长具有较大的难度。一般地，首先生长一层AlN缓冲层，作为压应力的来源，以平衡GaN所受的张应力，是Si基GaN工艺的基本方案。同时，由于张应力的影响，在Si上生长AlN缓冲层厚度受到很大限制，其与其他缓冲层结构进行搭配才能达到比较理想的应力调控效果，如梯度Al组分的AlGaN多层结构、渐变Al组分的AlGaN、AlN/GaN超晶格结构、SiNx/GaN超晶格结构等。近年来研究者对于上述结构及其组合进行了较为广泛的研究，取得了一定的效果。目前Si基GaN在小尺寸衬底上取得了较好的工艺突破，但现有工艺技术对于大尺寸衬底Si基GaN制备存在裂纹控制不佳，工艺稳定性不强等问题，其原因在于：在Si衬底可以承受的生长温度范围内，Al原子的表面迁移率并不强，因此在一般的工艺条件下，初始层AlN为三维生长状态，表面粗糙度较大，晶体质量不高，一方面对于后续生长引入过多的缺陷，在其基础上也难以实现更厚、更充分的多重结构来进一步增强应力调控和缺陷控制；另一方面，为了改善整体生长质量，后续的应力缓冲层难以采用高Al组分的AlGaN以免表面进一步恶化，因此AlN/AlGaN缓冲层的应力调控效果打了一定折扣，难以满足对应力调控要求更高的大尺寸Si基GaN的生长要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有较低的表面粗糙度和缺陷密度的AlN模板及其生长方法，还提供一种可强化应力调控和位错控制效果、对晶格失配和热失配进行有效抑制、稳定地在MOCVD设备上实现大尺寸Si基GaN的无裂纹、低缺陷密度外延生长的基于AlN模板的Si基GaN外延结构及其生长方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种AlN模板，生长于Si衬底上，所述AlN模板无微裂纹，厚度为100nm～400nm，表面粗糙度在2nm以下，无柱状晶或孔洞型缺陷；所述AlN模板的生长过程中包括先后生长成核控制层和稳定生长层。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种AlN模板的生长方法，包括以下步骤：

（1）将硅衬底置于MOCVD反应装置中，在H₂气氛下高温烘烤，进行表面除杂；

（2）向反应装置中通入TMAl（即三甲基铝），在所述硅衬底表面沉积岛状结构的金属Al层，得到带Al岛的硅衬底；

（3）将带Al岛的硅衬底进行原位退火（即保温下维持一定时间）；

（4）向反应装置中通入NH₃，使原位退火后的Al岛表面生成AlN，得到成核控制层，作为后续生长的成核中心；

（5）向反应装置中同时通入TMAl和NH₃，进行AlN稳定生长层的生长，得到AlN模板。

上述的AlN模板的生长方法中，优选的，所述步骤（2）中TMAl的流量小于步骤（5）中TMAl的流量；所述步骤（4）中NH₃的流量小于或等于步骤（5）中NH₃的流量；所述步骤（5）中，所述NH₃与TMAl的摩尔流量比为100～500。步骤（2）和步骤（5）中，TMAl的流量均采用体积流量或者均采用质量流量都可以，步骤（4）和步骤（5）中，NH₃的流量均采用体积流量或者均采用质量流量都可以。

上述的AlN模板的生长方法中，优选的，所述步骤（2）中TMAl的流量为步骤（5）中TMAl的流量的1/5～1/2；所述步骤（4）中NH₃的流量为步骤（5）中NH₃的流量的1/2～1。

上述的AlN模板的生长方法中，优选的，所述步骤（5）还包括向反应装置中通入Ga源，所述Ga源与步骤（5）中TMAl的摩尔流量比小于5%。

上述的AlN模板的生长方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述高温烘烤的温度为1050℃～1200℃；所述步骤（2）～步骤（5）中，硅衬底温度均控制在1100℃～1250℃，反应装置中反应室的压力均控制在20Torr～100Torr。

上述的AlN模板的生长方法中，优选的，所述步骤（2）中，所述TMAl的通入时间为5s～20s；所述步骤（3）中，所述原位退火的时间为5s～60s；所述步骤（4）中，所述NH₃的通入时间为5s～20s。

上述的AlN模板的生长方法中，优选的，所述Si衬底为Si晶圆衬底，所述Si晶圆衬底具有<111>晶向或<100>晶向，直径为2英寸～12英寸；所述AlN模板的厚度为100nm～400nm。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种基于AlN模板的Si基GaN外延结构，所述基于AlN模板的Si基GaN外延结构包括由下至上依次层叠的Si基体、AlN模板层、Al_xGa_1-xN应力缓冲层、超晶格过渡层和周期性交替排列的GaN生长层与插入层；所述AlN模板层是由上述的AlN模板或者上述的AlN模板的生长方法制得的AlN模板构成。

上述的基于AlN模板的Si基GaN外延结构中，优选的，所述AlN模板层的厚度为100nm～250nm。

上述的基于AlN模板的Si基GaN外延结构中，优选的，所述Al_xGa_1-xN应力缓冲层中，x值为0.1～0.9（总范围）；所述Al_xGa_1-xN应力缓冲层包含3层以上（包括3层）具有不同Al原子百分数（即x值）的Al_xGa_1-xN子层，且自下而上每层Al_xGa_1-xN子层的Al原子百分数呈递减状态，每层Al_xGa_1-xN子层的生长厚度呈递增状态；所述Al_xGa_1-xN应力缓冲层中，Al_xGa_1-xN子层的叠加总厚度为500nm～1500nm。

上述的基于AlN模板的Si基GaN外延结构中，优选的，所述Al_xGa_1-xN应力缓冲层中Al_xGa_1-xN子层的层数为3～6层；所述Al_xGa_1-xN应力缓冲层中，自下而上首层Al_xGa_1-xN子层的Al原子百分数为60%～80%，末层Al_xGa_1-xN子层的Al原子百分数为20%～40%。

上述的基于AlN模板的Si基GaN外延结构中，优选的，所述超晶格过渡层为Al_yGa_1-yN层与GaN层交替排列的周期性结构，其中，y值为20%～80%；Al_yGa_1-yN层的单层厚度为1nm～10nm，GaN层的单层厚度为1nm～10nm，所述超晶格过渡层的周期数为20pairs～50pairs。

上述的基于AlN模板的Si基GaN外延结构中，优选的，所述周期性交替排列的GaN生长层与插入层中，最上层为GaN生长层（即周期性交替排列的结束层为GaN生长层），所述插入层为低温AlN层或低温SiN_z层，所述插入层的单层厚度为10nm～20nm，所述插入层的层数≥1层，且每个插入层下方的GaN生长层的厚度为500nm～1000nm。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的基于AlN模板的Si基GaN外延结构的生长方法，包括以下步骤：将Si衬底置于MOCVD反应装置中，先制备上述的AlN模板或者上述的AlN模板的生长方法制得的AlN模板，然后制备Al_xGa_1-xN应力缓冲层、超晶格过渡层和周期性交替排列的GaN生长层与插入层，得到基于AlN模板的Si基GaN外延结构。

上述的基于AlN模板的Si基GaN外延结构的生长方法中，优选的，所述Al_xGa_1-xN应力缓冲层和超晶格过渡层的生长温度均控制在1050℃～1200℃范围内，压力均控制在30Torr～150Torr范围内；所述GaN生长层的生长温度控制在1000℃～1100℃范围内，压力控制在150Torr～300Torr范围内；所述插入层的生长温度控制在600℃～1000℃范围内，压力控制在30Torr～200Torr范围内。

本发明的AlN模板中，成核控制层和稳定生长层具有前后生长的延续性。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的AlN模板及其生长方法通过AlN成核和生长的精密控制，可在Si基GaN的适宜工艺温度范围内，实现AlN的二维生长，具有较低的表面粗糙度和缺陷密度。高质量的AlN模板层为较高铝组分、较厚厚度以及多个不同作用的应力调控结构的生长提供了良好的基础。

2、本发明的基于AlN模板的Si基GaN外延结构以及生长方法充分考虑了AlN、AlGaN、GaN在不同生长底部条件和特定生长条件下的生长模式和质量，以及在此基础上形成的各功能层对于Si基GaN外延的应力调控和位错控制作用及其适宜的生长顺序，强化了应力调控和位错控制的效果，通过对晶格失配和热失配的有效抑制，本发明可以稳定地在MOCVD设备上实现大尺寸Si基GaN的无裂纹、低缺陷密度外延生长，GaN的生长厚度和晶体质量满足HEMT、LED等器件的制备要求。

附图说明

图1为本发明的基于AlN模板的Si基GaN外延结构的结构示意图。

图2为本发明实施例1的AlN模板的扫描探针显微图片（二维图）。

图3为本发明实施例1的AlN模板的扫描探针显微图片（三维图）。

图4为本发明实施例2的基于AlN模板的Si基GaN外延结构的扫描探针显微图片（二维图）。

图5为本发明实施例2的基于AlN模板的Si基GaN外延结构的扫描探针显微图片（三维图）。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

实施例1：

一种本发明的AlN模板，生长于Si衬底上，包括成核控制层和稳定生长层，该AlN模板无微裂纹，厚度为200nm，表面粗糙度为1.4nm，无柱状晶或孔洞型缺陷。

一种上述本实施例的AlN模板的生长方法，采用4英寸Si（111）晶圆衬底，外延生长AlN模板层，包括以下步骤：

（1）将Si衬底置于MOCVD反应器中，在1060℃下、H₂环境中进行高温烘烤，去除表面杂质。

（2）反应室气氛变换为H₂/N₂混合气氛，其中H₂/N₂的流量比例为7∶3（该步骤为常规操作，反应室气氛也可采用纯H₂或纯N₂，根据所选具体MOCVD反应器的要求不同而不同）。将反应室的压力控制在50Torr，将晶片温度升至1150℃，单独通入TMAl源，持续12s，TMAl流量为120sccm，在硅衬底表面沉积岛状结构的金属Al层，得到带Al岛的硅衬底。

（3）停止TMAl源通入，保持步骤（2）的温度、压力和H₂/N₂气氛，持续15s，对带Al岛的硅衬底进行原位退火。

（4）在同样的温度、压力和H₂/N₂气氛下单独通入NH₃，持续10s，NH₃流量为1.85slm，使Al岛表面生成AlN，得到成核控制层，作为后续生长的成核中心。

（5）在同样的温度、压力和H₂/N₂气氛下同时通入TMAl和NH₃，TMAl流量为400sccm，NH₃流量为1.85slm，保持0.5h，进行AlN稳定生长层的生长，得到Si衬底上的AlN模板。

本实施例中，还可以优选在进行步骤（5）时向反应装置中通入Ga源，Ga源与步骤（5）中TMAl的摩尔流量比小于5%。

经检测，本实施例制备所得的AlN模板厚度为200nm，X射线衍射测试（002）面摇摆曲线的半高宽为130arcsec，表明AlN的晶体质量良好，AFM微观形貌测试如图2和图3所示，结果表示样品表面平整，无柱状或孔洞缺陷，呈现良好的二维生长状态，表面粗糙度仅为1.4nm。

实施例2：

一种本发明的基于AlN模板的Si基GaN外延结构（如图1示意所示，图1为本发明的Si基GaN外延结构的示意图之一，本实施例是其中的一种情况）该基于AlN模板的Si基GaN外延结构包括由下至上依次层叠的Si基体、AlN模板层、Al_xGa_1-xN应力缓冲层、超晶格过渡层和周期性交替排列的GaN生长层与插入层，AlN模板层是由实施例1的生长方法制得的AlN模板构成，AlN模板层的厚度为160nm。

本实施例中，Al_xGa_1-xN应力缓冲层包含3层具有不同Al原子百分数的Al_xGa_1-xN子层，自下而上首层Al_x1Ga_1-x1N子层的Al原子百分数x₁为75%，厚度为200nm，第二层Al_x2Ga_1-x2N子层的Al原子百分数x₂值为50%，厚度为240nm，末层Al_x3Ga_1-x3N子层的Al原子百分数x₃为25%，厚度为280nm，各子层的叠加总厚度为720nm。

本实施例中，超晶格过渡层为Al_yGa_1-yN层与GaN层交替排列的周期性结构，其中，y值为50%。第一层GaN生长于Al_xGa_1-xN应力缓冲层上（但本发明并不局限于此，Al_yGa_1-yN层也可以先生长于Al_xGa_1-xN应力缓冲层上）。在单个周期内，Al_yGa_1-yN层和GaN层的单层厚度分别为2nm和4nm，超晶格过渡层的周期数为30pairs。

本实施例中，周期性交替排列的GaN生长层与插入层中，GaN生长层共3层，插入层共2层，其中第一层GaN生长层生长于超晶格过渡层上，第三层GaN生长层位于最上层。插入层为低温AlN层，插入层的单层厚度均为10nm，第一、二、三层GaN生长层的厚度分别为600nm、700nm和800nm。

一种上述本实施例的基于AlN模板的Si基GaN外延结构的生长方法，采用4英寸Si（111）衬底，外延生长GaN材料，包括以下步骤：

（1）将Si衬底置于MOCVD反应器中，按照实施例1的方法在Si衬底上生长底部AlN模板层，将AlN模板层的生长厚度控制在160nm。

（2）将温度降至1100℃，压力为50Torr，生长第一层Al_x1Ga_1-x1N子层，其中x₁值为75%，厚度为200nm。

（3）在同样的温度（1100℃）和75Torr压力下，生长第二层Al_x2Ga_1-x2N子层，其中x₂值为50%，厚度为240nm。

（4）在同样的温度和100Torr压力下，生长第三层Al_x3Ga_1-x3N子层，其中x₃值为25%，厚度为280nm。

（5）在同样的温度和100Torr压力下，生长Al_yGa_1-yN/GaN超晶格过渡层，其中y值为50%，在单个周期内，Al_yGa_1-yN层和GaN层的单层厚度分别为2nm和4nm，生长周期数为30pairs。

（6）温度降为1050℃、压力200Torr条件下，生长第一层GaN生长层，厚度为600nm。

（7）温度降为850℃、压力100Torr条件下，生长第一层低温AlN插入层，厚度为10nm。

（8）温度升为1050℃、压力200Torr条件下，生长第二层GaN生长层，厚度为700nm。

（9）温度降为850℃、压力100Torr条件下，生长第二层低温AlN插入层，厚度为10nm。

（10）温度升为1050℃，压力200Torr条件下，生长第三层GaN生长层，厚度为800nm，得到基于AlN模板的Si基GaN外延结构。

经测试，本实施例制备所得的样品中GaN的厚度达到2.1μm，X射线衍射测试GaN（002）面摇摆曲线的半高宽为360arcsec，（102）面摇摆曲线的半高宽为710arcsec，表明GaN的晶体质量良好；AFM微观形貌测试如图4和图5所示，结果表示样品表面平整，缺陷密度较低，表面粗糙度仅为0.7nm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。