一种在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件及其制备方法。本发明专利技术垂直结构电力电子器件自下至上依次包括n型SiC衬底、Ga点层、N型AlGaN盖层、N型AlGaN过渡层、GaN厚膜层、P型GaN薄层。本发明专利技术采用Ga点层/N型AlGaN盖层结构对n型SiC衬底进行外延生长，采用Ga点层/N型AlGaN盖层，处理好衬底与生长层的界面问题，然后再通过AlGaN过渡层，在n型SiC衬底上制备GaN厚膜。本发明专利技术Ga点层/N型AlGaN盖层可以有效的降低位错密度和弛豫应力，最终取得较大厚度的高质量无裂纹的GaN外延膜；在此基础上制备了垂直结构的器件，具有非常好的界面陡峭性。面陡峭性。

【技术实现步骤摘要】
一种在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件及其制备方法，属于半导体垂直器件领域。

技术介绍

[0002]GaN及其化合物(Al，Ga，In)N材料为直接带隙半导体，带隙从0.64eV(InN)到6.2eV(A1N)很宽的范围内连续可调，波长可以涵盖从红外到紫外一个很宽的范围，在全色显示器、高密度光学存贮相干源、照明器件、紫外探测器等方面有着广泛的应用。
[0003]由于GaN极高的熔点和饱和蒸气压，单晶GaN衬底的制备非常困难，通常的GaN外延都在异质衬底上进行。SiC衬底与GaN的晶格失配相对较小，具有优良的导电性能和导热性，并且与GaN有着相同的解理面，是一个理想的异质外延衬底。但SiC衬底表面会覆盖一层氧化膜，且GaN与SiC衬底间3.4％的晶格失配和巨大的热失配会在GaN外延膜中引入大量的位错缺陷和裂纹，影响GaN薄膜的质量。
[0004]在SiC上外延GaN存在着以下几个难点：首先，由于SiC衬底上附着一层氧化物，氧化物与GaN的粘附系数较小，不利于后续GaN的生长，在外延前，需要对衬底进行氧化层的去除；在MOCVD的外延中，几乎都采用非原位的化学处理方法，原位的衬底预处理方式鲜有报道。其次，3.4％的晶格失配和较大的热失配会在薄膜中产生大量的缺陷和裂纹，迄今为止，已有报道的GaN的位错密度多在5
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‑2量级。
[0005]采用MOCVD技术在SIC衬底材料上外延生长GaN材料时，主要存在以下几个技术难点：(1)浸润性问题。GaN材料在SiC衬底表面生长时成核困难。因为Ga原子与SiC衬底表面的浸润性很差，所在衬底上直接生长GaN材料时速度很慢，质量很差，很难生长高质量的GaN外延层。(2)热失配问题。在SiC衬底上外延生长GaN材料过程中，SiC材料比GaN材料的热膨胀系数小，所以在SiC衬底外延生长GaN薄膜过程中，当降温到室温过程时，GaN外延层的收缩程度要大于SiC衬底，这会使得GaN外延层受到张应力而开裂。(3)晶格失配问题。SiC衬底与GaN材料之间存在一定的晶格失配，对GaN外延层的晶体质量也会有影响。
[0006]AlN缓冲层被认为是一个很好的解决方案，A1N与SiC具有很好的浸润性，避免了Ga与SiC衬底的直接接触，回熔效应得到了有效的抑制，而且A1N与GaN之间的晶格失配率仅有1％；目前比较成熟的技术是采用A1N缓冲层在SiC衬底上外延生长GaN外延膜，外延膜表面呈镜面无裂纹，且位错密度降至3
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‑2量级。但A1N难以掺杂，不利于垂直结构的制备，难以发挥SiC衬底导电性良好的优点。
[0007]水平结构器件存在电流拥堵效应，长时间工作会导致其性能的下降，而SiC衬底拥有良好的导电和导热特性，非常适合制备垂直结构器件。相比于水平结构，垂直结构器件具有电流分布均匀、发热量少、工艺简单以及有源区面积大等优点。

技术实现思路

[0008]针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一种在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件及其制备方法。本专利技术创造性的采用Ga点层/N型AlGaN盖层结构对n型SiC衬底进行外延生长，采用Ga点层/N型AlGaN盖层，处理好衬底与生长层的界面问题，然后再通过AlGaN过渡层，在n型SiC衬底上制备GaN厚膜。本专利技术Ga点层/N型AlGaN盖层可以有效的降低位错密度和弛豫应力，最终取得较大厚度的高质量无裂纹的GaN外延膜；在此基础上制备了垂直结构的器件，具有非常好的界面陡峭性。
[0009]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0010]一种在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件，自下至上依次包括n型SiC衬底、Ga点层、N型AlGaN盖层、N型AlGaN过渡层、GaN厚膜层、P型GaN薄层。
[0011]根据本专利技术优选的，n型SiC衬底的厚度为300
‑
500um。n型SiC衬底可直接市购获得，或者按现有方法制备得到。
[0012]根据本专利技术优选的，Ga点层由粒径为20
‑
50nm的Ga纳米颗粒组成；Ga纳米颗粒均匀分散在n型SiC衬底的上表面。优选的，Ga纳米颗粒的粒径为30nm。
[0013]根据本专利技术优选的，N型AlGaN盖层包括上盖层和下盖层；下盖层设置于Ga点层中Ga纳米颗粒之间；上盖层设置于下盖层和Ga点层上方；上盖层的厚度为10
‑
30nm。
[0014]根据本专利技术优选的，N型AlGaN过渡层的厚度为50
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100nm，优选为80nm。
[0015]根据本专利技术优选的，GaN厚膜层的厚度为500
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2000nm，优选为1000nm。
[0016]根据本专利技术优选的，P型GaN薄层的厚度为50
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100nm，优选为80nm。
[0017]根据本专利技术，在本专利技术垂直结构电力电子器件基础上，可进一步制备其它垂直结构的器件。
[0018]上述在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件的制备方法，包括步骤：
[0019](1)于MOCVD设备中，在氢气环境下，n型SiC衬底进行表面处理；
[0020](2)采用MOCVD方法，在步骤(1)得到的n型SiC衬底上依次生长Ga点层、N型AlGaN盖层、N型AlGaN过渡层、GaN厚膜层、P型GaN薄层，即得到垂直结构电力电子器件。
[0021]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，表面处理温度为1100
‑
1300℃，优选为1200℃；表面处理压力为100
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200Torr；托盘转速为800
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1000转；表面处理时间为10
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20min。所述衬底的表面处理即在上述条件下进行烘烤。
[0022]根据本专利技术优选的，步骤(2)中，Ga点层的生长包括步骤：向MOCVD反应室内通入100
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200sccm的Ga源，10
‑
20sccm的SiH4，于氮气、氢气和氨气的混合气氛下生长得到Ga点层；反应室压力100
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200Torr，托盘转速800
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1000转，氮气、氢气和氨气的体积比为3
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5：8
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12：3
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5，生长时间为10
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60秒，生长温度为800
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1000℃；优选的，生长时间为30秒，生长温度为900℃。
[0023]根据本专利技术优选的，步骤(2)中，N型AlGaN盖层的生长包括步骤：向MOCVD的反应室内通入80
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160sccm的Al源、100
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200sccm的Ga源、10
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20sccm的SiH4，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件，其特征在于，自下至上依次包括n型SiC衬底、Ga点层、N型AlGaN盖层、N型AlGaN过渡层、GaN厚膜层、P型GaN薄层。2.根据权利要求1所述在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件，其特征在于，n型SiC衬底的厚度为300
‑
500um。3.根据权利要求1所述在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件，其特征在于，Ga点层由粒径为20
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50nm的Ga纳米颗粒组成；Ga纳米颗粒均匀分散在n型SiC衬底的上表面；优选的，Ga纳米颗粒的粒径为30nm。4.根据权利要求1所述在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件，其特征在于，N型AlGaN盖层包括上盖层和下盖层；下盖层设置于Ga点层中Ga纳米颗粒之间；上盖层设置于下盖层和Ga点层上方；上盖层的厚度为10
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30nm。5.根据权利要求1所述在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件，其特征在于，N型AlGaN过渡层的厚度为50
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100nm，优选为80nm。6.根据权利要求1所述在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件，其特征在于，GaN厚膜层的厚度为500
‑
2000nm，优选为1000nm。7.根据权利要求1所述在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件，其特征在于，P型GaN薄层的厚度为50
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100nm，优选为80nm。8.如权利要求1
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7任意一项所述在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件的制备方法，包括步骤：(1)于MOCVD设备中，在氢气环境下，n型SiC衬底进行表面处理；(2)采用MOCVD方法，在步骤(1)得到的n型SiC衬底上依次生长Ga点层、N型AlGaN盖层、N型AlGaN过渡层、GaN厚膜层、P型GaN薄层，即得到垂直结构电力电子器件。9.根据权利要求8所述在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，表面处理温度为1100
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1300℃，优选为1200℃；表面处理压力为100
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200Torr；托盘转速为800
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1000转；表面处理时间为10
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20min。10.根据权利要求8所述在n型SiC衬底上生长GaN的垂直结构电力电子器件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，包括以下条件中的一项或多项：i、Ga点层的生长包括步骤：向MOCVD反应室内通入100
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200sccm的Ga源，10
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20sccm的SiH4，于氮气、氢气和氨气的混合气氛下生长得到Ga点层；反应室压力100
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200Torr，托盘转速800
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1000转，氮气、氢气和氨气的体积比为3
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5：8
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12：3
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5，生长时间为10
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60秒，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小敏，肖成峰，吕敏，
申请(专利权)人：山东华光光电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：