一种硅基氮化镓外延结构制造技术

本实用新型专利技术公开了一种硅基氮化镓外延结构，包括硅衬底，依次设于硅衬底上的Al层、含氮缓冲层、剥离层、N‑GaN层、有源层和P‑GaN层；所述含氮缓冲层包括AlN层、AlGaN层和GaN层，所述AlN层设置在Al层和AlGaN层之间，所述GaN层设置在AlGaN层和剥离层之间；所述剥离层由SiO

A silicon-based Gan epitaxial structure

【技术实现步骤摘要】
一种硅基氮化镓外延结构
本技术涉及发光二极管
，尤其涉及一种硅基氮化镓外延结构。
技术介绍
第三代半导体材料主要包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等，与第二代半导体硅(Si)、砷化镓(GaAs)等材料相比，第三代半导体材料氮化镓(GaN)具有更大的禁带宽度(>3eV)，一般也被称为宽禁带半导体材料。得益于禁带宽度的优势，GaN材料在击穿电场、本征载流子浓度、抗辐照能力方面都明显优于Si、GaAs等传统半导体材料。此外，GaN材料在载流子迁移率、饱和载流子浓度等方面也较Si更为优异，因此特别适用于制作具有高功率密度、高速度、高效率的功率与微波电子器件，在5G通讯、云计算、快充电源、无线充电等领域具有广泛的应用前景。与此同时，将GaN外延生长在硅衬底之上，可以有效地结合GaN材料的高性能以及成熟Si晶圆的大尺寸、低成本优势。但是，镓与硅之间的晶格失配很大，由于很高的缺陷密度，54％的热膨胀系数，外延膜在降温过程中产生裂纹，金属架直接与硅衬底结束时会有化学回融反应。在硅衬底上形成高质量的氮化镓材料，同时便于将硅衬底去除，是现有的一个技术难题。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题在于，提供一种硅基氮化镓外延结构，在硅衬底上形成高质量的氮化镓材料，同时便于将硅衬底去除。为了解决上述技术问题，本技术提供了一种硅基氮化镓外延结构，包括硅衬底，依次设于硅衬底上的Al层、含氮缓冲层、剥离层、N-GaN层、有源层和P-GaN层；所述含氮缓冲层包括AlN层、AlGaN层和GaN层，所述AlN层设置在Al层和AlGaN层之间，所述GaN层设置在AlGaN层和剥离层之间；所述剥离层由SiO2、SiNx、Al2O3、AlN中的一种制成。作为上述方案的改进，所述剥离层设有若干个孔洞，所述孔洞贯穿所述剥离层，设置在剥离层上的N-GaN层填充在孔洞内。作为上述方案的改进，所述剥离层的厚度为10～300nm。作为上述方案的改进，所述孔洞的形状为漏斗形，所述孔洞的顶端开口的宽度为a，底端开口的宽度为b，其中，b＝(0.4～0.6)*a。作为上述方案的改进，a＝6～50μm。作为上述方案的改进，孔洞与孔洞之间的距离为c，c＝5～20μm。作为上述方案的改进，所述Al层的厚度为一层Al原子的厚度；所述AlN层的厚度为100～500nm，AlGaN层的厚度为200～300nm，GaN层的厚度为1～2μm。实施本技术，具有如下有益效果：本技术提供的一种硅基氮化镓外延结构，包括硅衬底，依次设于硅衬底上的Al层、含氮缓冲层、剥离层和氮化镓外延层，所述氮化镓外延层包括依次设置在剥离层上的N-GaN层、有源层和P-GaN层。本技术的Al层和含氮缓冲层用于减少硅衬底和氮化镓外延层之间的晶格失配，提高外延结构的晶体质量。本技术的剥离层不仅可以减少后续形成GaN的缺陷，也可以采用简单的湿法腐蚀工艺来腐蚀剥离层，从而去除硅衬底。本技术的剥离层由SiO2、SiNx、Al2O3、AlN中的一种或几种制成。上述材料为氧化物或是氮化物，不仅与氮化镓具有良好的黏附性，还容易被氢氟酸蚀刻。本技术在剥离层中形成漏斗形的孔洞，可以让腐蚀液轻易地进入到剥离层的内部将剥离层腐蚀掉，从而使硅衬底与氮化镓外延层分离。附图说明图1是本技术外延结构的结构示意图；图2是本技术孔洞的结构示意图；图3是本技术孔洞的排布示意图。具体实施方式为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术作进一步地详细描述。参见图1，本技术提供的一种硅基氮化镓外延结构，包括硅衬底10，依次设于硅衬底10上的Al层20、含氮缓冲层30、剥离层40和氮化镓外延层50，所述氮化镓外延层50包括依次设置在剥离层40上的N-GaN层51、有源层52和P-GaN层53。本技术的Al层20和含氮缓冲层30用于减少硅衬底10和氮化镓外延层50之间的晶格失配，提高外延结构的晶体质量。具体的，本技术的含氮缓冲层30包括AlN层31、AlGaN层32和GaN层33，所述AlN层31设置在Al层20和AlGaN层32之间，所述GaN层33设置在AlGaN层32和剥离层40之间。本技术含氮缓冲层30中的AlN层31、AlGaN层32和GaN层33都是三五族元素，晶格都很接近，且与N元素结合，能有效降低硅衬底10和氮化镓之间的晶格失配，提高外延结构的晶体质量。具体的，AlN层31的厚度为100～500nm，AlGaN层32的厚度为200～300nm，GaN层33的厚度为1～2μm。由于AlN的晶格常数为0.3112nm小于Si(111)衬底10的有效晶格常数0.3840nm，因此AlN层中会积累张应力，使得位错得以弯曲、湮灭。若AlN层的厚度小于100nm，则厚度太薄，无法遮挡；若AlN层的厚度大于500nm，则厚度太大，AlN层容易裂开。由于Si与Ga反应会形成回融刻蚀坑，造成LED芯片漏电、抗静电能力差，故在生长GaN之前，先生长一定厚度的AlN作为屏障，可以阻止Si与Ga发生化学反应。本技术的AlGaN层32作为中间层，起到缓冲AlN与GaN的晶格作用。当GaN层33的厚度达到1μm时，GaN层33才整个长平；若GaN层33的厚度大于2μm时，则厚度太厚，后面形成的氮化镓外延层50会应力失配，裂开。本技术的剥离层40用于分离硅衬底10和氮化镓外延层50。需要说明的是，本技术的外延结构在制作成芯片的过程中，需要去除硅衬底10来提高芯片的发光效率。剥离出来的硅衬底10可以重复使用，以降低生产成本。本技术的剥离层40不仅可以减少后续形成GaN的缺陷，也可以采用简单的湿法腐蚀工艺来腐蚀剥离层40，从而去除硅衬底10。本技术的剥离层40由SiO2、SiNx、Al2O3、AlN中的一种或几种制成。上述材料为氧化物或是氮化物，不仅与氮化镓具有良好的黏附性，还容易被氢氟酸蚀刻。本技术的剥离层40可以为单层结构，也可以为双层结构。剥离层40的厚度不仅影响硅衬底10的分离，也影响氮化镓外延层50的晶体质量。优选的，所述剥离层40的厚度为10～300nm。若剥离层40的厚度小于10nm，则厚度太薄，无法成膜；若剥离层40的厚度大于300nm，则厚度太厚，剥离层40会形成块状，块状与氮化镓之间的内应力大太，会造成SiO2断裂崩离。为了便于腐蚀液蚀刻剥离层40，所述剥离层40设有若干个孔洞41，所述孔洞41贯穿所述剥离层40，其中，设置在剥离层40上的N-GaN层填充在孔洞41内。优选的，所述孔洞41的形状为漏斗形。本技术在剥离层40中形成漏斗形的孔洞，可以让腐蚀液轻易地进入到剥离层40的内部将剥离层4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅基氮化镓外延结构，其特征在于，包括硅衬底，依次设于硅衬底上的Al层、含氮缓冲层、剥离层、N-GaN层、有源层和P-GaN层；/n所述含氮缓冲层包括AlN层、AlGaN层和GaN层，所述AlN层设置在Al层和AlGaN层之间，所述GaN层设置在AlGaN层和剥离层之间；/n所述剥离层由SiO

【技术特征摘要】
1.一种硅基氮化镓外延结构，其特征在于，包括硅衬底，依次设于硅衬底上的Al层、含氮缓冲层、剥离层、N-GaN层、有源层和P-GaN层；
所述含氮缓冲层包括AlN层、AlGaN层和GaN层，所述AlN层设置在Al层和AlGaN层之间，所述GaN层设置在AlGaN层和剥离层之间；
所述剥离层由SiO2、SiNx、Al2O3、AlN中的一种制成。


2.如权利要求1所述的硅基氮化镓外延结构，其特征在于，所述剥离层设有若干个孔洞，所述孔洞贯穿所述剥离层，设置在剥离层上的N-GaN层填充在孔洞内。


3.如权利要求2所述的硅基氮化镓外延结构，其特征在于，所述剥离层的厚度为10～300nm。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：仇美懿，庄家铭，
申请(专利权)人：佛山市国星半导体技术有限公司，
类型：新型
国别省市：广东;44