本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體地講，涉及一種基于Si襯底的GaN外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

藍(lán)寶石、Si和SiC是當(dāng)下用于氮化鎵基器件外延的主流襯底；其中，Si襯底的制備技術(shù)最為成熟，其可以制備成大尺寸、高質(zhì)量的晶圓，且價(jià)格低廉。從器件的角度講，Si襯底有利于器件散熱，因此Si襯底上高電子遷移率晶體管(HEMT)器件是GaN功率器件研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

在Si襯底上外延高質(zhì)量的GaN的關(guān)鍵在于解決張應(yīng)力問題。張應(yīng)力的來源是Si和GaN在晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)上的差異。如果直接在Si襯底上外延，GaN會(huì)承受張應(yīng)力，導(dǎo)致GaN表面出現(xiàn)裂紋，并且晶體質(zhì)量差，不能用于器件制備。因此，如何降低GaN的張應(yīng)力是抑制GaN表面裂紋產(chǎn)生和提高晶體質(zhì)量的重點(diǎn)。目前，主要有如下幾種技術(shù)：(1)Al_xGa_1-xN緩沖層技術(shù)；(2)插入層應(yīng)力剪裁法；以及(3)選區(qū)外延方法。針對(duì)Al_xGa_1-xN緩沖層技術(shù)，其外延Al_xGa_1-xN緩沖層的工藝使得托盤上也覆蓋一厚層Al_xGa_1-xN材料，高Al組分的Al_xGa_1-xN材料不易清除，覆蓋的Al_xGa_1-xN材料會(huì)影響托盤的溫度均勻性，導(dǎo)致工藝條件漂移；而為了徹底清除Al_xGa_1-xN材料，需要把托盤放入爐中進(jìn)行清潔，增加了托盤的維護(hù)費(fèi)用和時(shí)間。針對(duì)插入層應(yīng)力剪裁法，常用的插入層有AlN/GaN超晶格、SiN插入層以及低溫AlN插入層，但AlN/GaN超晶格插入層對(duì)設(shè)備的要求較高，外延工藝復(fù)雜，外延過程中需要閥門頻繁地開關(guān)，對(duì)設(shè)備有損傷；而SiN插入層以及低溫AlN插入層對(duì)外延工藝要求很高，插入層過厚會(huì)降低上層GaN的晶體質(zhì)量，過薄又不能阻擋張應(yīng)力的傳播。針對(duì)選區(qū)外延方法，其需要增加一次外延工藝以及光刻、刻蝕等工藝；同時(shí)，在光刻等工藝過程中，無法避免對(duì)表面的沾污，導(dǎo)致二次外延后材料內(nèi)部存在漏電通道，這會(huì)降低HEMT器件的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于Si襯底的GaN外 延結(jié)構(gòu)及其制備方法，該外延結(jié)構(gòu)通過制備層狀滑移層，利用該層內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu)，在受到張應(yīng)力時(shí)可產(chǎn)生內(nèi)部層與層之間的滑移，從而大幅降低施加給GaN外延層的張應(yīng)力，可有效抑制GaN外延層表面裂紋的產(chǎn)生。

為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種基于Si襯底的GaN外延結(jié)構(gòu)，包括在Si襯底上依次疊層的第一AlN緩沖層、層狀滑移層、第二AlN緩沖層、Al_xGa_1-xN緩沖層以及GaN外延層；所述Al_xGa_1-xN緩沖層中Al的含量x的取值范圍為0＜x＜1。

進(jìn)一步地，所述GaN外延結(jié)構(gòu)還包括設(shè)置于所述Si襯底與所述第一AlN緩沖層之間的鋁阻隔層。

進(jìn)一步地，所述層狀滑移層的材料為六方氮化硼。

進(jìn)一步地，所述層狀滑移層的厚度為40nm～50nm。

進(jìn)一步地，所述Al_xGa_1-xN緩沖層中Al的含量x的取值范圍為0.2～0.4。

本發(fā)明的另一目的還在于公開了一種基于Si襯底的GaN外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括：在Si襯底上制備第一AlN緩沖層；在所述第一AlN緩沖層上制備層狀滑移層；在所述層狀滑移層上逐層制備第二AlN緩沖層、Al_xGa_1-xN緩沖層以及GaN外延層；其中，所述Al_xGa_1-xN緩沖層中Al的含量x的取值范圍為0＜x＜1。

進(jìn)一步地，所述制備方法還包括：在所述Si襯底與所述第一AlN緩沖層之間制備鋁阻隔層。

進(jìn)一步地，所述層狀滑移層的材料為六方氮化硼。

進(jìn)一步地，在所述第一AlN緩沖層上制備所述層狀滑移層的具體方法包括：在980℃～1100℃下通入硼源和氮源，采用脈沖原子層沉積法在所述第一AlN緩沖層上外延生長(zhǎng)六方氮化硼。

進(jìn)一步地，所述硼源和氮源采用交替通入方式，所述硼源的通入流量為15sccm～20sccm，所述氮源的通入流量為1900sccm～2200sccm，所述硼源和氮源的通入時(shí)間之比為12s～18s:10s～15s；其中，所述硼源與所述氮源的通入之間具有10s～25s的間隔時(shí)間，以使所述硼源中的硼原子進(jìn)行遷移。

進(jìn)一步地，所述硼源、氮源分別為B(C₂H₅)₃、NH₃。

進(jìn)一步地，所述層狀滑移層的厚度為40nm～50nm；所述第一AlN緩沖層的厚度為20nm～60nm；所述第二AlN緩沖層的厚度為200nm～400nm；所述Al_xGa_1-xN緩沖層的厚度為500nm～1μm；所述GaN外延層的厚度不超過1.5μm。

本發(fā)明通過在Si襯底和GaN外延層之間制備層狀滑移層，利用層狀滑移層的內(nèi)部層狀結(jié)構(gòu)，在受到張應(yīng)力時(shí)，其內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu)之間發(fā)生滑移，從而使后續(xù)外延的GaN外延層所承受的張應(yīng)力大幅減小，抑制了GaN外延層表面產(chǎn)生裂紋。

附圖說明

通過結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述，本發(fā)明的實(shí)施例的上述和其它方面、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的基于Si襯底的GaN外延結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的基于Si襯底的GaN外延結(jié)構(gòu)的制備方法的步驟流程圖。

具體實(shí)施方式

以下，將參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。然而，可以以許多不同的形式來實(shí)施本發(fā)明，并且本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為限制于這里闡述的具體實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例是為了解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的各種實(shí)施例和適合于特定預(yù)期應(yīng)用的各種修改。在附圖中，為了清楚起見，可以夸大元件的形狀和尺寸，并且相同的標(biāo)號(hào)將始終被用于表示相同或相似的元件。

將理解的是，盡管在這里可使用術(shù)語“第一”、“第二”等來描述各種元件，但是這些元件不應(yīng)受這些術(shù)語的限制。這些術(shù)語僅用于將一個(gè)元件與另一個(gè)元件區(qū)分開來。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于Si襯底的GaN外延結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

參照?qǐng)D1所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于Si襯底的GaN外延結(jié)構(gòu)包括：Si襯底1，以及在其上依次疊層設(shè)置的鋁阻隔層2、第一AlN緩沖層31、層狀滑移層4、第二AlN緩沖層32、Al_xGa_1-xN緩沖層33以及GaN外延層5；所述Al_xGa_1-xN緩沖層中Al的含量x的取值范圍為0＜x＜1，優(yōu)選為0.2～0.4。

一般地，用作GaN外延技術(shù)的硅襯底均指表面為(111)晶面的硅片；也就 是說，所述Si襯底1為Si(111)。

優(yōu)選地，設(shè)置在Si襯底1上的鋁阻隔層2可進(jìn)一步對(duì)NH₃與Si(111)起到良好的阻隔作用，以防止SiN的生成。鋁阻隔層2由一層鋁原子構(gòu)成，其厚度為0.5nm～1nm，在本實(shí)施例中，鋁阻隔層2的厚度為1nm。

具體地，在本實(shí)施例中，層狀滑移層4的材料為六方氮化硼(h-BN)；h-BN具有層狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部層與層之間依靠范德瓦爾斯力維持，且其晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)均小于Si襯底1。因此在制備的過程中，在高溫下，h-BN的晶格結(jié)構(gòu)因承受張應(yīng)力而產(chǎn)生層與層之間的滑移，后續(xù)生長(zhǎng)的第二AlN緩沖層32、Al_xGa_1-xN緩沖層33以及GaN外延層5所承受的張應(yīng)力會(huì)大幅降低，從而抑制了GaN外延層5上裂紋的產(chǎn)生；也就是說，上述層與層之間的滑移減弱了第二AlN緩沖層32、Al_xGa_1-xN緩沖層33以及GaN外延層5等后續(xù)生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)所承受的張應(yīng)力。但本發(fā)明的層狀滑移層4的材料并不限于本實(shí)施例中的h-BN，其他如石墨烯等其他具有層狀結(jié)構(gòu)的材料均可。

設(shè)置在鋁阻隔層2上的第一AlN緩沖層31、以及設(shè)置在層狀滑移層4上的第二AlN緩沖層32、Al_xGa_1-xN緩沖層33均可為GaN外延層5提供壓應(yīng)力，抑制張應(yīng)力，從而防止GaN外延層5出現(xiàn)裂紋。所述第一AlN緩沖層31的厚度為20nm～60nm，第二AlN緩沖層32的厚度為200nm～400nm，Al_xGa_1-xN緩沖層33的厚度為500nm～1μm，GaN外延層5的厚度不超過1.5μm；在本實(shí)施例中，AlN緩沖層31、第二AlN緩沖層32、Al_xGa_1-xN緩沖層33、GaN外延層5的厚度分別為20nm、200nm、700nm、1.5μm。

在本實(shí)施例中，第一AlN緩沖層31的設(shè)置同時(shí)起到了改善Si襯底1的浸潤(rùn)性的作用，以保證后續(xù)其他結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。另外，在所述第一AlN緩沖層31以及后續(xù)其他含氮層的制備過程中，均需通入NH₃作為氮源，而Al較Si(111)優(yōu)先與NH₃反應(yīng)生成第一AlN緩沖層31，在一定程度上抑制了NH₃與Si(111)的接觸，從而防止SiN的生成。

值得說明的是，所述Al_xGa_1-xN緩沖層33中Al的含量x的取值范圍為0＜x＜1，優(yōu)選為0.2～0.4，在本實(shí)施例中，x的取值為0.3；根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，Al_xGa_1-xN僅需一層即可，無需若干x取值的漸變層的疊層。本實(shí)施例中x的取值較小，因此，在制備Al_xGa_1-xN緩沖層33的過程中，可避免在托盤上覆蓋高Al組分(一般為x取值大于0.5)的Al_xGa_1-xN材料，不會(huì)增加額外的托盤清潔維護(hù)工作，從而降低了制備成本、縮短了制備時(shí)間。

以下將結(jié)合圖2對(duì)本實(shí)施例的基于Si襯底的GaN外延結(jié)構(gòu)的制備方法進(jìn)行詳細(xì)的描述。

在步驟110中，在Si襯底1上逐層制備鋁阻隔層2、第一AlN緩沖層31。

具體地，采用金屬有機(jī)化合物氣相外延技術(shù)(MOCVD)，于950℃～980℃下，在Si(111)上沉積1nm厚的金屬鋁，然后再向MOCVD生長(zhǎng)反應(yīng)室中同時(shí)通入Al(CH₃)₃和NH₃作為鋁源和氮源，沉積20nm厚的AlN；也就是說，Si襯底1為晶面取向?yàn)?111)的硅片，鋁阻隔層2的材料為金屬鋁，第一AlN緩沖層31的材料為AlN。在第一AlN緩沖層31的制備過程中，所通入的NH₃優(yōu)先與鋁源Al(CH₃)₃反應(yīng)形成第一AlN緩沖層31，可防止NH₃與Si(111)接觸生成SiN；而鋁阻隔層2的設(shè)置可更好地防止通入的NH₃與Si(111)相接觸生成SiN。與此同時(shí)，第一AlN緩沖層31可提供壓應(yīng)力，抑制張應(yīng)力，防止GaN外延層5出現(xiàn)裂紋；還可改善Si襯底1的浸潤(rùn)性，以保證GaN外延層5良好的晶體質(zhì)量以及表面形貌。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的鋁阻隔層2以及第一AlN緩沖層31的生長(zhǎng)厚度一般分別控制在0.5nm～1nm和20nm～60nm即可。

在步驟120中，在第一AlN緩沖層31上制備層狀滑移層4。

具體地，將MOCVD生長(zhǎng)反應(yīng)室升溫至1020℃，采用脈沖原子層沉積法，按照硼源20sccm的通入流量、15s的通入時(shí)間，停歇18s的間隔時(shí)間，以及氮源2000sccm的通入流量、10s的通入時(shí)間的規(guī)律向MOCVD生長(zhǎng)反應(yīng)室中反復(fù)交替通入B(C₂H₅)₃和NH₃分別作為硼源和氮源，直至在第一AlN緩沖層31上外延生長(zhǎng)40nm～50nm厚的層狀滑移層4。當(dāng)然，本發(fā)明的制備方法并不限于本實(shí)施例中的溫度，一般地，此溫度控制在980℃～1100℃的范圍內(nèi)即可；硼源和氮源采用交替通入方式，硼源和氮源的通入流量比例為15sccm～20sccm:1900sccm～2200sccm、時(shí)間比例為12s～18s:10s～15s、間隔時(shí)間為10s～25s也是可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的；而外延生長(zhǎng)層狀滑移層4的方法還可以是其他傳統(tǒng)外延方法，僅需同時(shí)通入硼源B(C₂H₅)₃和氮源NH₃，使其反應(yīng)生成層狀滑移層4即可。也就是說，在本實(shí)施例中，層狀滑移層4的材料為六方氮化硼(h-BN)。值得說明的是，在停止通入硼源與開始通入氮源之間，設(shè)置10s～25s的間隔時(shí)間是為了使硼源中的硼原子進(jìn)行遷移。以上sccm均表示標(biāo)況下毫升每分鐘。

h-BN具有層狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部層與層之間依靠范德瓦爾斯力維持，且其晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)均小于Si襯底1。因此在制備的過程中，在高溫下，h-BN的 晶格結(jié)構(gòu)因承受張應(yīng)力而內(nèi)部的多層之間產(chǎn)生滑移，可使后續(xù)生長(zhǎng)的其他結(jié)構(gòu)所承受的張應(yīng)力大幅降低，從而抑制了GaN外延層5上裂紋的產(chǎn)生。但本發(fā)明的層狀滑移層4的材料并不限于本實(shí)施例中的h-BN，其他如石墨烯等其他具有層狀結(jié)構(gòu)的材料均可。

在步驟130中，在層狀滑移層4上逐層制備第二AlN緩沖層32以及Al_xGa_1-xN緩沖層33。

具體地，降溫至950℃～980℃，采用MOCVD法，先同時(shí)向MOCVD生長(zhǎng)反應(yīng)室中通入Al(CH₃)₃和NH₃分別作為鋁源和氮源，在層狀滑移層4上生長(zhǎng)200nm厚的第二AlN緩沖層32；再同時(shí)通入Al(CH₃)₃、Ga(CH₃)₃和NH₃分別作為鋁源、稼源和氮源，在第二AlN緩沖層32上生長(zhǎng)700nm厚的Al_xGa_1-xN緩沖層33(x為0.3)。

在層狀滑移層4和后續(xù)待制備的GaN外延層5之間生長(zhǎng)第二AlN緩沖層32以及Al_xGa_1-xN緩沖層33，使得第二AlN緩沖層32、Al_xGa_1-xN緩沖層33及GaN外延層5的晶格常數(shù)呈遞減變化，可對(duì)傳遞至GaN外延層5的張應(yīng)力起到進(jìn)一步緩沖降低的作用，從而防止GaN外延層5出現(xiàn)裂紋，保證GaN外延層5的晶體質(zhì)量；同時(shí)，第二AlN緩沖層32以及Al_xGa_1-xN緩沖層33的設(shè)置還可保證GaN外延層5具有良好的表面形貌，以使其可應(yīng)用于HEMT器件中。

本發(fā)明所采用的Al_xGa_1-xN緩沖層33，其中表示Al含量的x的取值并不限于本實(shí)施例中的0.3，其優(yōu)選在0.2～0.4的范圍內(nèi)均可達(dá)到要求。值得說明的是，所述Al_xGa_1-xN緩沖層33是x為某一固定值的單層結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)中的漸變Al_xGa_1-xN緩沖層相比，在制備過程中，其不會(huì)因高Al組分(x一般大于0.5)而在托盤上覆蓋一厚層Al_xGa_1-xN材料，從而避免了托盤的清潔維護(hù)工作，可降低制備成本、縮短制備時(shí)間。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的第二AlN緩沖層32以及Al_xGa_1-xN緩沖層33的生長(zhǎng)厚度一般分別控制在200nm～400nm和500nm～1μm的范圍內(nèi)即可。

在步驟140中，在Al_xGa_1-xN緩沖層33上制備GaN外延層5。

具體地，保持溫度不變，繼續(xù)采用MOCVD法，同時(shí)向MOCVD生長(zhǎng)反應(yīng)室中通入Ga(CH₃)₃和NH₃分別作為鎵源和氮源，在Al_xGa_1-xN緩沖層33上制備1.5μm厚的GaN外延層5。

根據(jù)本實(shí)施例的制備方法，通過在Si襯底1和GaN外延層5之間制備層狀 滑移層4，利用該層材料特有的層狀結(jié)構(gòu)的屬性，使得其內(nèi)部份多層之間在受到張應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生滑移，從而減小了傳遞至GaN外延層5的張應(yīng)力，避免了GaN外延層5出現(xiàn)裂紋，有效提高了晶體質(zhì)量；同時(shí)，該層狀滑移層4的制備過程簡(jiǎn)單，僅需生長(zhǎng)具有層狀結(jié)構(gòu)的材料即可；該層狀滑移層4的設(shè)置避免了若干漸變Al_xGa_1-xN緩沖層的疊層設(shè)置，僅需設(shè)置一層Al_xGa_1-xN緩沖層33即可，也可防止在制備過程中，高Al組分(x一般大于0.5)的Al_xGa_1-xN材料覆蓋在托盤上，而對(duì)托盤的溫度均勻性造成不良影響，因此無需對(duì)托盤進(jìn)行清潔維護(hù)，從而減少了制備成本、縮短了制備時(shí)間。

雖然已經(jīng)參照特定實(shí)施例示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解：在不脫離由權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可在此進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化。