用于生长GaN外延材料的衬底结构及其制作方法技术

本发明专利技术提出了一种用于GaN外延材料生长的衬底结构及其制作方法，在支撑衬底上依次形成了成核层、缓冲层和晶格匹配层，首先解决了现有技术中支撑衬底表面易于氧化和易于受Ga或Ga的化合物回熔影响的问题；其次缓冲层中与成核层晶格匹配的元素及与晶格匹配层晶格匹配的元素的含量随缓冲层厚度的增加而连续变化，缓冲层下面的材料结构与成核层的材料结构接近，上面的材料结构和晶格匹配层的材料结构接近，解决了现有技术中支撑衬底与GaN外延材料之间的晶格匹配和热应力匹配的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体器件制造领域，尤其涉及一种用于GaN外延材料生长的衬底结构及其制作方法。
技术介绍
作为第三代半导体材料的典型代表，氮化镓(GaN)具有广泛的应用领域和发展前景，由于自然界中缺乏天然的氮化镓衬底(GaN外延的同质衬底)材料，各领域的科研工作者通常选择在异质衬底如蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底上生长GaN外延薄膜从而形成半导体发光器件、开关器件和传感器件等。各种异质衬底材料的特性及其与GaN外延薄膜之间的晶格匹配和热应力匹配的研究成为实现GaN半导体光电器件商业化及发展和可持续发展的关键。蓝宝石衬底生产技术相对成熟、化学稳定性好、机械强度高，成为初期半导体光电器件的首选衬底材料，后续发展的蓝宝石衬底的图形化技术和外延工艺的缓冲层技术也部分解决了蓝宝石衬底与GaN外延材料之间晶格匹配和热应力匹配的问题。然而，蓝宝石衬底导热性差，影响器件的性能和使用寿命，且不易于向大尺寸、自动化方向发展；碳化硅衬底是电和热的良导体，且具有化学稳定性好的优势，在半导体光电技术制造领域具有重要地位，但其价格高昂，性价比较差。与蓝宝石衬底和碳化硅衬底相比，硅衬底是电和热的良导体，且成本低，可向大尺寸、自动化方向发展，被认为是未来最有发展潜能的衬底。但是，硅衬底和GaN外延层之间也存在着较大的晶格失配和热应力失配；且，硅衬底表面还容易发生氧化形成多晶或非晶的氧化层，不易于形成高晶体质量的GaN外r>延层；不仅如此，硅衬底在生长过GaN外延层的MOCVD(Metal-organicChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)腔体中再次形成外延层时，会受MOCVD腔体中残留的Ga或Ga的化合物回熔的影响，严重降低GaN器件的性能和良率。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种用于GaN外延材料生长的衬底结构，以解决硅衬底与GaN外延材料之间的晶格匹配和热应力匹配的问题、硅衬底表面易于被氧化的问题以及硅衬底易受MOCVD腔体中Ga或GaN的化合物回熔影响的问题。本专利技术的目的之二在于提供一种能够实现上述用于GaN外延材料生长的衬底结构的制作方法，以推动各领域GaN基半导体器件的产业化进程。为了解决上述问题，本专利技术提出了一种用于GaN外延材料生长的衬底结构，包括：支撑衬底；成核层，形成于所述支撑衬底表面；缓冲层，形成于所述成核层表面；晶格匹配层，形成于所述缓冲层表面；其中，所述缓冲层包含与所述成核层的晶格匹配的元素以及与所述晶格匹配层的晶格匹配的元素；越靠近所述成核层时，所述缓冲层中与所述成核层晶格匹配的元素所占比例越高，与所述晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越低；越靠近所述晶格匹配层时，所述缓冲层中与所述成核层的晶格匹配的元素所占比例越低，与所述晶格匹配层的晶格匹配的元素所占比例越高。进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，所述成核层材质为Al、Al2O3或AlN中的至少一种。进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，所述晶格匹配层材质为GaN。进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，所述缓冲层材质为Al(1-x)GaxN、In(1-y)GayN或In(1-y)Al(1-x)Ga(x+y)N中的至少一种，其中x，y为正数。进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，x＝t/T，y＝t/T，其中T为所述缓冲层的总厚度，t为0～T之间的数值。进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，所述缓冲层的厚度为0.1μm～10μm。进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，所述支撑衬底为硅衬底。进一步的，本专利技术还提出了一种用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法，制作用于生长GaN外延材料的衬底结构，包括步骤：提供一支撑衬底；在所述支撑衬底表面形成成核层；在所述成核层表面形成缓冲层，在形成所述缓冲层过程中，通过控制反应气体的流量大小，使所述缓冲层在越靠近成核层时，与成核层晶格匹配的元素所占比例越高，与晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越低；并且，越靠近所述晶格匹配层时，与成核层晶格匹配的元素所占比例越低，与晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越高；以及在所述缓冲层表面形成晶格匹配层。进一步的，在所述用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法中，通过溅射、MOCVD、HVPE或MBE工艺在所述支撑衬底上形成所述成核层。进一步的，在所述用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法中，通过所述MOVCD工艺在所述成核层上形成所述缓冲层。进一步的，在所述用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法中，所述缓冲层为Al(1-x)GaxN，使用NH3、TMGa和TMAl形成，其中，x为正数。进一步的，在所述用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法中，通过控制TMGa和TMAl的流量，使所述缓冲层在生长过程中与成核层晶格匹配的元素及与晶格匹配层晶格匹配的元素含量发生连续变化。与现有技术相比，本专利技术的有益效果主要体现在：在支撑衬底上依次形成了成核层、缓冲层和晶格匹配层，首先解决了现有技术中支撑衬底表面易于氧化和易于受Ga或Ga的化合物回熔影响的问题；其次缓冲层中与成核层晶格匹配的元素及与晶格匹配层晶格匹配的元素的含量随缓冲层厚度的增加而连续变化，缓冲层下面的材料结构与成核层的材料结构接近，上面的材料结构和晶格匹配层的材料结构接近，很好地解决了现有技术中支撑衬底与GaN外延材料之间的晶格匹配和热应力匹配的问题。附图说明图1为本专利技术中用于生长GaN外延材料的衬底结构制作方法的流程图；图2为本专利技术一实施例中支撑衬底剖面结构图；图3为本专利技术一实施例中形成成核层后的剖面结构图；图4为本专利技术一实施例中形成缓冲层初始位置的剖面结构图；图5为本专利技术一实施例中形成0.25μm缓冲层后的位置剖面结构图；图6为本专利技术一实施例中形成0.5μm缓冲层后的位置剖面结构图；图7为本专利技术一实施例中形成0.75μm缓冲层后的位置剖面结构图；图8为本专利技术一实施例中形成1μm缓冲层后的位置剖面结构图；图9为本专利技术一实施例中形成晶格匹配层后剖面结构图。具体实施方式下面将结合示意图对本专利技术的用于生长GaN外延材料的衬底结构及其制作方法进行更详细的描述，其中表示了本专利技术的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生长GaN外延材料的衬底结构，其特征在于，包括：支撑衬底；成核层，形成于所述支撑衬底表面；缓冲层，形成于所述成核层表面；晶格匹配层，形成于所述缓冲层表面；其中，所述缓冲层包含与所述成核层的晶格匹配的元素以及与所述晶格匹配层的晶格匹配的元素；越靠近所述成核层时，所述缓冲层中与所述成核层晶格匹配的元素所占比例越高，与所述晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越低；越靠近所述晶格匹配层时，所述缓冲层中与所述成核层的晶格匹配的元素所占比例越低，与所述晶格匹配层的晶格匹配的元素所占比例越高。

【技术特征摘要】
1.一种用于生长GaN外延材料的衬底结构，其特征在于，包括：
支撑衬底；
成核层，形成于所述支撑衬底表面；
缓冲层，形成于所述成核层表面；
晶格匹配层，形成于所述缓冲层表面；
其中，所述缓冲层包含与所述成核层的晶格匹配的元素以及与所述晶格匹
配层的晶格匹配的元素；越靠近所述成核层时，所述缓冲层中与所述成核层晶
格匹配的元素所占比例越高，与所述晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越低；
越靠近所述晶格匹配层时，所述缓冲层中与所述成核层的晶格匹配的元素所占
比例越低，与所述晶格匹配层的晶格匹配的元素所占比例越高。
2.如权利要求1所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构，其特征在于，
所述成核层材质为Al、Al2O3或AlN中的至少一种。
3.如权利要求1所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构，其特征在于，
所述晶格匹配层材质为GaN。
4.如权利要求1所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构，其特征在于，
所述缓冲层材质为Al(1-x)GaxN、In(1-y)GayN或In(1-y)Al(1-x)Ga(x+y)N中的至
少一种，其中x，y为正数。
5.如权利要求4所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构，其特征在于，

\tx＝t/T，y＝t/T，其中T为所述缓冲层的总厚度，t为0～T之间的数值。
6.如权利要求1所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构，其特征在于，
所述缓冲层的厚度为0.1μm～10μm。
7.如权利要求1所述的用于生长GaN外延...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东昇，丁海生，陈善麟，
申请(专利权)人：杭州士兰微电子股份有限公司，杭州士兰明芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33