本發(fā)明屬于半導體技術領域，具體地講，涉及一種基于Si襯底的GaN外延結構及其制備方法。

背景技術：

藍寶石、Si和SiC是當下用于氮化鎵基器件外延的主流襯底；其中，Si襯底的制備技術最為成熟，其可以制備成大尺寸、高質量的晶圓，且價格低廉。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和重點。

在Si襯底上外延高質量的GaN的關鍵在于解決張應力問題。張應力的來源是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會承受張應力，導致GaN表面出現(xiàn)裂紋，并且晶體質量差，不能用于器件制備。因此，如何降低GaN的張應力是抑制GaN表面裂紋產生和提高晶體質量的重點。目前，主要有如下幾種技術：(1)Al_xGa_1-xN緩沖層技術；(2)插入層應力剪裁法；以及(3)選區(qū)外延方法。針對Al_xGa_1-xN緩沖層技術，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材料會影響托盤的溫度均勻性，導致工藝條件漂移；而為了徹底清除Al_xGa_1-xN材料，需要把托盤放入爐中進行清潔，增加了托盤的維護費用和時間。針對插入層應力剪裁法，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超晶格插入層對設備的要求較高，外延工藝復雜，外延過程中需要閥門頻繁地開關，對設備有損傷；而SiN插入層以及低溫AlN插入層對外延工藝要求很高，插入層過厚會降低上層GaN的晶體質量，過薄又不能阻擋張應力的傳播。針對選區(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，在光刻等工藝過程中，無法避免對表面的沾污，導致二次外延后材料內部存在漏電通道，這會降低HEMT器件的性能。

技術實現(xiàn)要素：

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

為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下的技術方案：

一種基于Si襯底的GaN外延結構，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。

進一步地，所述GaN外延結構還包括設置于所述Si襯底與所述第一AlN緩沖層之間的鋁阻隔層。

進一步地，所述層狀滑移層的材料為六方氮化硼。

進一步地，所述層狀滑移層的厚度為40nm～50nm。

進一步地，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外延結構的制備方法，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。

進一步地，所述層狀滑移層的材料為六方氮化硼。

進一步地，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緩沖層上外延生長六方氮化硼。

進一步地，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的間隔時間，以使所述硼源中的硼原子進行遷移。

進一步地，所述硼源、氮源分別為B(C₂H₅)₃、NH₃。

進一步地，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部層狀結構，在受到張應力時，其內部的層狀結構之間發(fā)生滑移，從而使后續(xù)外延的GaN外延層所承受的張應力大幅減小，抑制了GaN外延層表面產生裂紋。

附圖說明

通過結合附圖進行的以下描述，本發(fā)明的實施例的上述和其它方面、特點和優(yōu)點將變得更加清楚，附圖中：

圖1是根據本發(fā)明的基于Si襯底的GaN外延結構的結構示意圖；

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

具體實施方式

以下，將參照附圖來詳細描述本發(fā)明的實施例。然而，可以以許多不同的形式來實施本發(fā)明，并且本發(fā)明不應該被解釋為限制于這里闡述的具體實施例。相反，提供這些實施例是為了解釋本發(fā)明的原理及其實際應用，從而使本領域的其他技術人員能夠理解本發(fā)明的各種實施例和適合于特定預期應用的各種修改。在附圖中，為了清楚起見，可以夸大元件的形狀和尺寸，并且相同的標號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語“第一”、“第二”等來描述各種元件，但是這些元件不應受這些術語的限制。這些術語僅用于將一個元件與另一個元件區(qū)分開來。

圖1是根據本發(fā)明的實施例的基于Si襯底的GaN外延結構的結構示意圖。

參照圖1所示，根據本發(fā)明的實施例的基于Si襯底的GaN外延結構包括：Si襯底1，以及在其上依次疊層設置的鋁阻隔層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，設置在Si襯底1上的鋁阻隔層2可進一步對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由一層鋁原子構成，其厚度為0.5nm～1nm，在本實施例中，鋁阻隔層2的厚度為1nm。

具體地，在本實施例中，層狀滑移層4的材料為六方氮化硼(h-BN)；h-BN具有層狀結構，其內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的晶格結構因承受張應力而產生層與層之間的滑移，后續(xù)生長的第二AlN緩沖層32、Al_xGa_1-xN緩沖層33以及GaN外延層5所承受的張應力會大幅降低，從而抑制了GaN外延層5上裂紋的產生；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)生長的結構所承受的張應力。但本發(fā)明的層狀滑移層4的材料并不限于本實施例中的h-BN，其他如石墨烯等其他具有層狀結構的材料均可。

設置在鋁阻隔層2上的第一AlN緩沖層31、以及設置在層狀滑移層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提供壓應力，抑制張應力，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。

在本實施例中，第一AlN緩沖層31的設置同時起到了改善Si襯底1的浸潤性的作用，以保證后續(xù)其他結構的生長。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，在本實施例中，x的取值為0.3；根據本發(fā)明的實施例，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，不會增加額外的托盤清潔維護工作，從而降低了制備成本、縮短了制備時間。

以下將結合圖2對本實施例的基于Si襯底的GaN外延結構的制備方法進行詳細的描述。

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，采用金屬有機化合物氣相外延技術(MOCVD)，于950℃～980℃下，在Si(111)上沉積1nm厚的金屬鋁，然后再向MOCVD生長反應室中同時通入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為晶面取向為(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的設置可更好地防止通入的NH₃與Si(111)相接觸生成SiN。與此同時，第一AlN緩沖層31可提供壓應力，抑制張應力，防止GaN外延層5出現(xiàn)裂紋；還可改善Si襯底1的浸潤性，以保證GaN外延層5良好的晶體質量以及表面形貌。

根據本發(fā)明的實施例的鋁阻隔層2以及第一AlN緩沖層31的生長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生長反應室升溫至1020℃，采用脈沖原子層沉積法，按照硼源20sccm的通入流量、15s的通入時間，停歇18s的間隔時間，以及氮源2000sccm的通入流量、10s的通入時間的規(guī)律向MOCVD生長反應室中反復交替通入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40nm～50nm厚的層狀滑移層4。當然，本發(fā)明的制備方法并不限于本實施例中的溫度，一般地，此溫度控制在980℃～1100℃的范圍內即可；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、時間比例為12s～18s:10s～15s、間隔時間為10s～25s也是可以實現(xiàn)本發(fā)明目的的；而外延生長層狀滑移層4的方法還可以是其他傳統(tǒng)外延方法，僅需同時通入硼源B(C₂H₅)₃和氮源NH₃，使其反應生成層狀滑移層4即可。也就是說，在本實施例中，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，設置10s～25s的間隔時間是為了使硼源中的硼原子進行遷移。以上sccm均表示標況下毫升每分鐘。

h-BN具有層狀結構，其內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 晶格結構因承受張應力而內部的多層之間產生滑移，可使后續(xù)生長的其他結構所承受的張應力大幅降低，從而抑制了GaN外延層5上裂紋的產生。但本發(fā)明的層狀滑移層4的材料并不限于本實施例中的h-BN，其他如石墨烯等其他具有層狀結構的材料均可。

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，先同時向MOCVD生長反應室中通入Al(CH₃)₃和NH₃分別作為鋁源和氮源，在層狀滑移層4上生長200nm厚的第二AlN緩沖層32；再同時通入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，可對傳遞至GaN外延層5的張應力起到進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的晶體質量；同時，第二AlN緩沖層32以及Al_xGa_1-xN緩沖層33的設置還可保證GaN外延層5具有良好的表面形貌，以使其可應用于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施例中的0.3，其優(yōu)選在0.2～0.4的范圍內均可達到要求。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構，與現(xiàn)有技術中的漸變Al_xGa_1-xN緩沖層相比，在制備過程中，其不會因高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工作，可降低制備成本、縮短制備時間。

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

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，同時向MOCVD生長反應室中通入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。

根據本實施例的制備方法，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構的屬性，使得其內部份多層之間在受到張應力時產生滑移，從而減小了傳遞至GaN外延層5的張應力，避免了GaN外延層5出現(xiàn)裂紋，有效提高了晶體質量；同時，該層狀滑移層4的制備過程簡單，僅需生長具有層狀結構的材料即可；該層狀滑移層4的設置避免了若干漸變Al_xGa_1-xN緩沖層的疊層設置，僅需設置一層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，而對托盤的溫度均勻性造成不良影響，因此無需對托盤進行清潔維護，從而減少了制備成本、縮短了制備時間。

雖然已經參照特定實施例示出并描述了本發(fā)明，但是本領域的技術人員將理解：在不脫離由權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，可在此進行形式和細節(jié)上的各種變化。