表面无微裂纹的Si基III族氮化物外延片制造技术

本发明专利技术是表面无微裂纹的Si基III族氮化物外延片，其特征是包括Si衬底、二层AlN成核层、三层Al组分递减的AlxGa1−xN中间层、一层AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格中间层、二层GaN沟道层、和三层势垒层自下而上依次构成。优点：本发明专利技术生长的Si基III族氮化物异质结，与现有技术相比，表面质量高，无微裂纹。并且可以通过在本发明专利技术的外延层结构中采用平均Al组分较低的组分递减AlGaN中间层来达到表面形貌改善的目的，因此有助于降低金属有机物源和氨气之间预反应的影响，改善外延层的晶体质量，并提高外延层的生长速率。

【技术实现步骤摘要】
表面无微裂纹的Si基III族氮化物外延片
本专利技术涉及的是一种表面无微裂纹的Si基III族氮化物外延片，特别涉及包含能够产生二维电子气性能的III族氮化物异质结的外延片。属于半导体

技术介绍
III族氮化物半导体材料构成的异质结，如GaN与Al(In)GaN，可以形成高浓度高电子迁移率的二维电子气，适合于研制微波功率场效应晶体管器件。由于缺乏大尺寸的同质衬底，目前氮化物半导体材料主要生长在碳化硅、蓝宝石或Si等衬底上。Si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GaN与（111）面Si之间的热失配为54%，晶格失配为17%，在Si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，这种裂纹可用肉眼或光学显微镜观察，在本专利技术中称为宏观裂纹。Si基GaN外延生长一般采用AlN作为成核层，首先生长在Si衬底表面，之后在AlN层上生长应变缓解中间层（以下称为中间层），最后生长GaN层。中间层用于缓解AlN层和GaN层之间的晶格失配，防止GaN层过早发生张应变弛豫而出现宏观裂纹，并改善GaN层的晶体质量。中间层主要有Al组分递减的AlGaN中间层结构和AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格中间层结构等。组分递减的AlGaN中间层其晶格常数和热膨胀系数由AlN递减过渡到GaN，有利于缓解大失配引起的应力，防止GaN层发生张应变弛豫而产生宏观裂纹。在一些处于较大应变状态的GaN层上生长AlGaN势垒层，即使不会产生宏观裂纹，AlGaN势垒层也会由于受到过大的张应力而在表面出现微裂纹。需要说明的是，这种出现在Si基AlGaN/GaN异质结材料表面的微裂纹和那些肉眼或光学显微镜可观测的宏观裂纹不同。首先微裂纹很短小，只能在放大倍数数万倍以上的电子显微镜图像或原子力显微镜下才能被观测到。微裂纹只出现在AlGaN势垒层的表面，并不是源自于GaN层，不会隔断AlGaN/GaN界面处二维电子气的电学连接，而宏观裂纹往往是GaN层的断裂，宏观裂纹处完全不会产生二维电子气。微裂纹的存在不仅会降低AlGaN/GaN异质结材料的二维电子气性能，还可能增加AlGaN/GaN场效应晶体管的栅漏电，威胁晶体管的可靠性。当组分递减AlGaN中间层厚度较小时，GaN层往往处于一定的张应变状态，这种情况下生长的AlGaN/GaN异质结材料表面存在严重的微裂纹。单纯增加组分递减AlGaN中间层的平均Al组分，虽然能增加引入GaN层的压应力，但是仍不足以完全消除势垒层表面的微裂纹。只有既增加组分递减AlGaN中间层的平均Al组分，又增加其厚度时，才可能完全消除势垒层表面的微裂纹，但是存在金属有机物源和氨气之间的预反应的影响加剧的问题，这会导致材料生长质量降低，反而不利于获得表面平整光滑的Si基GaN材料。AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格中间层也有缓解晶格失配应力，抑制裂纹的作用，并且能够过滤位错，改善其上生长的GaN层的质量。单纯采用厚的AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格作为中间层，生长GaN材料，由于很难缓解晶格常数和热膨胀系数失配，无法抑制宏观裂纹的出现。当超晶格中间层结构中两层材料的Al组分差a-b超过一定值，可能在超晶格界面和内部产生失配位错，导致应变弛豫，无法抑制宏观裂纹的出现。另一方面，当超晶格中间层结构中采用高的Al组分时，也存在金属有机物源和氨气之间的预反应加剧，材料生长质量降低的问题。此外，即使在将组分递减AlGaN中间层与Al(Ga)N/GaN超晶格中间层结合使用的情况下，也存在如何组合搭配和采用何种生长条件而获得性能改善的问题。
技术实现思路
本专利技术提出的是一种表面无微裂纹的Si基III族氮化物外延片，其目的是改善GaN基异质结材料表面形貌和晶体质量。本专利技术的技术解决方案：表面无微裂纹的Si基III族氮化物外延片，其包括Si衬底、二层AlN成核层、三层Al组分递减的AlxGa1−xN中间层、一层AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格中间层、二层GaN沟道层、和三层势垒层自下而上依次构成。本专利技术的优点：由本专利技术生长的Si基III族氮化物异质结，与目前的使用Al组分递减的AlGaN中间层结构或AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格中间层结构生长的Si基III族氮化物异质结相比，表面质量高，无微裂纹。并且可以通过在本专利技术的外延层结构中采用平均Al组分较低的组分递减AlGaN中间层来达到表面形貌改善的目的，因此有助于降低金属有机物源和氨气之间预反应的影响，改善外延层的晶体质量，并提高外延层的生长速率。附图说明图1是表面无微裂纹的Si基III族氮化物外延片结构示意图。图2是采用Al组分递减的AlGaN中间层结构生长的Si基AlGaN/GaN异质结表面出现微裂纹的原子力显微镜（AFM）图像。图3是单纯采用厚的AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格中间层结构生长的Si基GaN材料表面出现宏观裂纹的光学显微镜照片示意图。图4是采用本专利技术的表面无微裂纹的Si基III族氮化物外延片结构生长的Si基AlGaN/GaN异质结表面AFM图像示意图。图5是单纯采用厚的Al组分递减AlGaN中间层生长的Si基GaN材料出现岛状表面形貌的光学显微镜照片示意图。图中的1是Si衬底、2是第一AlN成核层、3是第二AlN成核层、4是第一AlxGa1−xN中间层、5是第二AlxGa1−xN中间层、6是第三AlxGa1−xN中间层、7是AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格中间层、8是第一GaN沟道层、9是第二GaN沟道层、10是第一势垒层、11是第二势垒层、12是第三势垒层。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术的技术解决方案：如图1所示，表面无微裂纹的Si基III族氮化物外延片，其结构包含Si衬底1、二层AlN成核层（2、3）、三层Al组分递减的AlxGa1−xN中间层（4、5、6）、一层AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格中间层7、二层GaN沟道层（8、9）、和三层势垒层（10、11、12）自下而上依次构成。所述的第三AlxGa1−xN中间层6的Al组分在0.1≤x≤0.5的范围内，构成超晶格中间层的两种AlGaN材料的单层厚度Ta和Tb在1nm≤Ta,Tb≤100nm的范围内，两种材料Al组分在0≤a，b≤0.5的范围内，且两种材料Al组分之差的绝对值在0.05≤∣a−b∣≤0.2的范围内。所述的二层AlN成核层中，为降低Si衬底表面寄生导电层的导电性，第一AlN成核层2采用650−950oC的生长温度条件进行生长，在该工艺条件下，减小了扩散进入硅衬底的III族金属原子的剂量，有助于提高寄生导电层的电阻；另一方面，为提高材料晶体质量，第二AlN成核层3采用高于950oC的生长温度进行生长，在该工艺条件下，Al原子的表面迁徙能力增强，有助于生长出高质量的AlN材料，二层AlN成核层由两种生长方法形成。如图2所示，原子力显微镜（AFM）图像展示了采用Al组分递减的AlGaN中间层结构生长的总厚度为3.1μm的Si基GaN异质结表面形貌，由该图可以看到，表面存在一定数量的微裂纹。如图3所示，光学显微镜照片展示了单纯采用厚的AlaGa1-aN/Al本文档来自技高网...

【技术保护点】
表面无微裂纹的Si基III族氮化物外延片，其特征是包括Si衬底、二层AlN成核层、三层Al组分递减的AlxGa1−xN中间层、一层AlaGa1‑aN/AlbGa1‑bN超晶格中间层、二层GaN沟道层、和三层势垒层自下而上依次构成。

【技术特征摘要】
1.表面无微裂纹的Si基III族氮化物外延片，其特征是包括Si衬底、二层AlN成核层、三层Al组分递减的AlxGa1−xN中间层、一层AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格中间层、二层GaN沟道层、和三层势垒层自下而上依次构成，表面无微裂纹的Si基III族氮化物外延片的生长方法，包括如下步骤：采用金属有机物化学气相淀积MOCVD工艺，1）采用直径101.6mm的111面单晶Si为衬底，在进行氮化物外延层的生长之前，通过氢氟酸基的腐蚀液去除Si衬底表面的氧化膜，然后，将它置于MOCVD设备的反应室中；2）在反应室压力为6.65kPa的氢气气氛下加热Si衬底到1000oC，进行10min的热退火；3）维持反应室压力不变，将衬底温度降低到900oC，通入流速为10L/min的氨气和流速为86μmol/min的三甲基铝TMA，生长厚度为100nm的第一AlN成核层，生长时间为1800s，接着将衬底温度提高到1030oC，在源流速不变的条件下，生长厚度为100nm的第二AlN成核层，生长时间为1800s；4）向反应室中通入流速为86μmol/min的TMA，23μmol/min的三甲基镓TMG和6L/min的氨气，生长Al组分为0.75的第一AlxGa1−xN中间层，生长厚度为350nm，生长时间为3000s，接着，通入流速为86μmol/min的TMA，61μmol/min的TMG和6L/min的氨气，生长Al组分为0.55的第二AlxGa1−xN中间层，生长厚度为500nm，生长时间为4000s，再接着，通入流速为65μmol/min的TMA，124μmol/min的TMG和6L/min的氨气，生长Al组分为0.35的第三AlxGa1−xN中间层，生长厚度为300nm，生长时间为1000s，至此，形...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪金玉，潘磊，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32