一种基于原位刻蚀的Si基GaN外延生长方法技术

本发明专利技术公开了一种基于原位刻蚀的Si基GaN外延生长方法，包括如下步骤：在Si衬底表面生长AlN缓冲层；原位刻蚀部分AlN缓冲层；退火重结晶，形成纳米3D岛状AlN模板；在3D岛状AlN模板上外延生长AlGaN缓冲层；在AlGaN缓冲层上外延生长AlGaN/GaN超晶格缓冲层；在AlGaN/GaN超晶格缓冲层上外延生长GaN层。本发明专利技术通过原位刻蚀技术，利用位错或原子台阶处AlN键能低的特点，在刻蚀气体作用下产生刻蚀坑，进而在退火重结晶后形成纳米3D岛状图形，后续外延生长过程中，3D岛镜像力促使位错弯曲湮灭，可以缓解晶格失配和热失配引起的缺陷和应力问题，获得高质量低位错密度GaN薄膜。得高质量低位错密度GaN薄膜。得高质量低位错密度GaN薄膜。

【技术实现步骤摘要】
一种基于原位刻蚀的Si基GaN外延生长方法


[0001]本专利技术属于半导体
，具体涉及一种基于原位刻蚀的Si基GaN外延生长方法。

技术介绍

[0002]作为第三代半导体材料典型代表的GaN材料具有禁带宽度大、击穿场强高、饱和电子漂移速率高、抗辐射和良好的化学稳定性等优点，成为目前全球半导体研究的前沿和热点领域。由于GaN单晶生长难度较高，目前主要采用异质外延的方法制备GaN器件材料，常用的衬底为Si、SiC和蓝宝石。异质外延生长中，受晶格失配、热失配及界面不匹配等因素的影响，外延薄膜中会产生高密度的位错缺陷，这些缺陷成为散射中心、漏电通道和非辐射复合中心，造成器件性能退化和可靠性降低。
[0003]近年来，GaN异质外延技术快速发展，已开发出AlGaN缓冲层、超晶格缓冲层、图形化衬底等方法和工艺以提高外延材料晶体质量。然而，对于Si基GaN等大失配外延体系，现有外延技术的材料位错密度仍然高达108cm
‑2。因此，为提高异质外延材料质量，降低工艺难度和成本，有必要持续开发更具实用价值的外延生长技术。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于原位刻蚀的Si基GaN外延生长方法，通过晶面调控获得高质量、低位错密度的GaN外延薄膜。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]本专利技术提供一种基于原位刻蚀的Si基GaN外延生长方法，包括如下步骤：
[0007]S1.在Si(111)衬底表面生长AlN缓冲层；
[0008]S2.原位刻蚀部分AlN缓冲层；
[0009]S3.退火重结晶，形成纳米3D岛状AlN模板；
[0010]S4.在3D岛状AlN模板上外延生长AlGaN缓冲层；
[0011]S5.在AlGaN缓冲层上外延生长AlGaN/GaN超晶格缓冲层；
[0012]S6.在AlGaN/GaN超晶格缓冲层上外延生长GaN层。
[0013]进一步的，步骤S1中，所述AlN缓冲层的厚度为100～400nm。
[0014]进一步的，步骤S2中，所述原位刻蚀所采用的刻蚀气体为Cl2、H2、H2/NH3混合气、Cl2/N2混合气中的一种。
[0015]进一步的，步骤S2中，所述原位刻蚀形成的刻蚀坑为倒锥形，开口形状六边形，刻蚀深度小于所述AlN缓冲层的厚度。
[0016]进一步的，步骤S2中，所述原位刻蚀形成的刻蚀坑的开口面积为1
×
102～1
×
108nm2，开口总面积占所述AlN缓冲层面积的25～75％。
[0017]进一步的，步骤S3中，所述退火的温度为1000～1400℃。
[0018]进一步的，步骤S4中，所述AlGaN缓冲层的厚度为100～1000nm，Al原子的摩尔组分
为20～70％。
[0019]进一步的，步骤S4中，所述AlGaN缓冲层为多层结构，由下而上，各层厚度逐层增加，各层Al原子的摩尔组分逐层降低。
[0020]进一步的，步骤S5中，所述AlGaN/GaN超晶格缓冲层的厚度为200～5000nm，等效Al原子摩尔组分为15～35％，且低于所述AlGaN缓冲层的Al原子摩尔组分。
[0021]进一步的，步骤S6中，所述GaN层的厚度为200～2000nm。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0023](1)本专利技术通过原位刻蚀技术，利用位错或原子台阶处AlN键能低的特点，在刻蚀气体作用下产生刻蚀坑，进而在退火重结晶后形成纳米3D岛状图形，后续外延生长过程中，3D岛镜像力促使位错弯曲湮灭，可以缓解晶格失配和热失配引起的缺陷和应力问题，获得高质量低位错密度GaN薄膜。
[0024](2)本专利技术在位错密度最高的AlN缓冲层进行原位刻蚀和3D图形化工艺，有利于最大程度过滤位错，获得低位错密度GaN层。在此基础上制备的GaN器件，具有击穿电压高、电流密度大和开关比高的优点。
[0025](3)本专利技术的工艺过程全部采用MOCVD技术，无需使用其他设备和工艺，具有经济性和便捷性。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例的工艺流程示意图；
[0027]图2为本专利技术实施例的AlN缓冲层刻蚀坑分布示意图；
[0028]图3为实施例1的GaN外延结构的截面示意图；
[0029]图4为实施例2的GaN外延结构的截面示意图；
[0030]图5为实施例3的GaN外延结构的截面示意图；
[0031]图6为实施例3的GaN外延结构的X射线双晶衍射曲线。
具体实施方式
[0032]以下结合具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明，以使本领域的技术人员更加清楚地理解本专利技术。所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。在本专利技术实施例中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品；若未具体指明，所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
[0033]本专利技术实施例提供一种基于原位刻蚀的Si基GaN外延生长方法，包括如下步骤：
[0034]S1.在Si(111)衬底表面生长AlN缓冲层；
[0035]S2.原位刻蚀部分AlN缓冲层；
[0036]S3.退火重结晶，形成纳米3D岛状AlN模板；
[0037]S4.在3D岛状AlN模板上外延生长AlGaN缓冲层；
[0038]S5.在AlGaN缓冲层上外延生长AlGaN/GaN超晶格缓冲层；
[0039]S6.在AlGaN/GaN超晶格缓冲层上外延生长GaN层。
[0040]本专利技术通过原位刻蚀技术，利用位错或原子台阶处AlN键能低的特点，在刻蚀气体作用下在AlN缓冲层产生刻蚀坑，进而在退火重结晶后形成纳米3D岛状图形，后续外延生长
AlGaN缓冲层过程中，3D岛镜像力促使位错向刻蚀坑上方的3D岛镜像力界面弯曲湮灭，降低位错密度，从而缓解晶格失配和热失配引起的缺陷和应力问题，获得高质量低位错密度GaN薄膜。
[0041]在一些实施方式中，步骤S1中，所述AlN缓冲层的厚度为100～400nm。
[0042]在一些实施方式中，步骤S2中，所述原位刻蚀所采用的刻蚀气体为Cl2、H2、H2/NH3混合气、Cl2/N2混合气中的一种。
[0043]在一些实施方式中，步骤S2中，所述原位刻蚀形成的刻蚀坑为倒锥形，开口形状为六边形，刻蚀深度小于所述AlN缓冲层的厚度。
[0044]在一些实施方式中，步骤S2中，所述原位刻蚀形成的刻蚀坑的开口面积为1
×
102～1
×
108nm2，开口总面积占所述AlN缓冲层面积的25～75％。
[0045]在一些实施方式中，步骤S3中，所述退火的温度为1000～1400℃。
[0046]在一些实施方式中，步骤S4中，所述AlGaN缓冲层的厚度为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于原位刻蚀的Si基GaN外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.在Si(111)衬底表面生长AlN缓冲层；S2.原位刻蚀部分AlN缓冲层；S3.退火重结晶，形成纳米3D岛状AlN模板；S4.在3D岛状AlN模板上外延生长AlGaN缓冲层；S5.在AlGaN缓冲层上外延生长AlGaN/GaN超晶格缓冲层；S6.在AlGaN/GaN超晶格缓冲层上外延生长GaN层。2.根据权利要求1所述的基于原位刻蚀的Si基GaN外延生长方法，其特征在于，步骤S1中，所述AlN缓冲层的厚度为100～400nm。3.根据权利要求1所述的基于原位刻蚀的Si基GaN外延生长方法，其特征在于，步骤S2中，所述原位刻蚀所采用的刻蚀气体为Cl2、H2、H2/NH3混合气、Cl2/N2混合气中的一种。4.根据权利要求1所述的基于原位刻蚀的Si基GaN外延生长方法，其特征在于，步骤S2中，所述原位刻蚀形成的刻蚀坑为倒锥形，开口形状为六边形，刻蚀深度小于所述AlN缓冲层的厚度。5.根据权利要求1所述的基于原位刻蚀的Si基GaN外延生长方法，其特征在于，步骤S2中，所述原位刻蚀形成的刻蚀坑的开口面积为...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘磊，柳俊，
申请(专利权)人：湖北九峰山实验室，
类型：发明
国别省市：