【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体材料与器件，尤其涉及一种基于大尺寸硅基复合衬底的氮化镓异质结构及其制作方法。
技术介绍
1、作为第三代半导体材料的代表，氮化镓材料具有宽带隙、高击穿电场和高载流子速度等特点，几十年来得到广泛发展的algan/gan hemt器件在大功率微波应用中尤为优越，已被广泛应用于无线通讯、雷达探测、电子对抗等领域的许多电子系统中。业界普遍采用异质衬底外延的方式生长氮化镓材料，最常用的衬底有硅、蓝宝石、碳化硅以及最新发展的金刚石。硅尺寸最大、成本最低并利于硅基单片集成。
2、由于硅<100>晶向的衬底与氮化镓存在对称性匹配问题，因此传统硅基氮化镓器件只能采用硅<111>晶向作为衬底，但硅<111>晶向不利于其与硅<100>面cmos工艺兼容，同时硅基氮化镓功率器件受限于硅衬底的纵向击穿瓶颈，难以向更高压的器件上发展，而高阻硅基氮化镓射频器件在衬底隔离和射频损耗方面受限于高阻硅本征载流子浓度和漏电、mocvd生长外延时al、ga等元素向衬底硅高温扩散所致空穴导电层及合金缺陷等漏电问题，难以向更高效率和更高可靠性上突破。
技术实现思路
1、鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种基于大尺寸硅基复合衬底的氮化镓异质结构及其制作方法，至少能够解决以下技术问题之一：(1)硅<100>衬底上无法生长高质量的gan外延层；(2)现有的硅基氮化镓功率器件受限于硅衬底的纵向击穿瓶颈，难以向更高压的器件上发展；(3)高阻硅基
2、本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：
3、一方面，本专利技术提供了一种大尺寸硅基复合衬底的氮化镓异质结构，包括：复合衬底；以及生长于复合衬底上的gan外延层；所述复合衬底包括si衬底和设于si衬底上的sic薄膜层；所述sic薄膜层的材料为六方对称结构。
4、可选地，所述si衬底中si的晶向为<100>、<111>、<001>、<010>或其他任意晶向。
5、可选地，所述si衬底的厚度为500-1500μm，所述sic薄膜层的厚度为0.1-2μm。
6、可选地，所述gan外延层包括依次设置的成核层、高阻层、高迁移率层、插入层和势垒层。
7、第二方面，本专利技术还提供了一种大尺寸硅基复合衬底的氮化镓异质结构的制作方法，采用上述的制作方法制备得到，包括：
8、步骤1：从体sic的表面向内注入h离子至指定深度，形成距离体sic的表面具有一定深度的h离子预埋层；
9、步骤2：对体sic的离子注入面表面进行光滑化、原子原位沉积或注入，对体si的表面进行表面活化；
10、步骤3：将体sic的离子注入面与体si的活化面键合，形成体sic/si复合结构；
11、步骤4：对体sic/si复合结构进行高温退火，sic薄膜层在h离子预埋层处从体sic上剥离，与体si构成sic/si复合衬底；
12、步骤5：对sic薄膜层表面进行光滑化以及对sic/si复合衬底进行修复；
13、步骤6：在sic薄膜层表面依次生长成核层、高阻层、高迁移率层、插入层和势垒层，得到大尺寸硅基复合衬底的氮化镓异质结构。
14、可选地，所述步骤2中，采用离子束光滑化方式对体sic离子注入面表面进行光滑化，光滑化角度为0°-30°。
15、可选地，所述步骤2中，原位沉积或注入的原子或原子组合包括si、掺钒si、al-o和si-o中的至少一种。
16、可选地，所述步骤1中，h离子注入深度为0.2-2μm。
17、可选地，所述步骤4中，退火温度为800-1000℃。
18、可选地，所述步骤6中，修复包括对sic/si复合衬底进行高温加热。
19、可选地，所述步骤6中，修复温度为700-1000℃。
20、可选地，si衬底中的硅晶格与sic薄膜层中的碳化硅晶格在平面内或垂直于平面的夹角为1°-25°。
21、可选地，六方对称的sic和立方对称的si在接触界面形成不同晶向转角，该转角界面将阻碍电子通过界面，从而在客观上抑制了电流崩塌。
22、与现有技术相比，本专利技术至少可实现如下有益效果之一：
23、1、由于晶格对称性匹配问题，在硅<100>衬底上无法直接生长六方密堆结构的氮化镓外延材料，因此传统硅基氮化镓器件只能采用<111>晶向的硅作为衬底，不利于其与硅<100>面cmos工艺兼容。本专利技术创新性地提出在硅衬底和氮化镓外延层之间设置具有六方对称结构(h相)的碳化硅薄膜层，解决了传统硅基氮化镓器件只能采用<111>晶向的硅作为衬底的技术难题，实现了在硅<100>衬底以及其他任意晶向的硅衬底上均可以生长高质量gan外延层。
24、2、传统的硅基氮化镓功率器件一般在电压超过1000v时面临纵向承压问题，一般通过增加gan或algan缓冲层外延厚度(从1微米增加到5微米)来提高承压能力，但由于缓冲层热阻较高且厚膜应力较大，容易引入更多热阻和碎片风险，不利于器件可靠性。本专利技术通过在硅衬底和氮化镓外延层之间引入具有六方对称结构(h相)的sic薄膜层，可以将器件的抗击穿能力提升至少20％，且导热性能较传统结构好(因为硅热导率为149w/m·k，碳化硅的热导率为350w/m·k)。
25、3、传统的硅基氮化镓射频器件的效率受限于硅衬底的导电特性，即便采用高阻区熔单晶硅材料，硅在不同温度下本征载流子的导电变化影响也难以消除。本专利技术通过在硅衬底和氮化镓外延层之间引入具有六方对称结构(h相)的sic薄膜层，可以在氮化镓外延层与硅衬底间形成半绝缘隔离层，有效抑制和阻断衬底漏电渠道，从而降低硅基氮化镓射频损耗的影响。
26、4、传统硅衬底在外延生长氮化镓时会面临腔体中al、ga等元素的反应，产物包括al-si合金相、ga-si掺杂相等物质以及不同程度的反应缺陷，从而导致硅与氮化物界面存在合金缺陷或者p型空穴导电层等问题，使得衬底射频损耗问题突显。本专利技术通过在硅衬底和氮化镓外延层之间引入具有六方对称结构(h相)的sic薄膜层，可以有效抑制al、ga等元素与si元素的直接反应，从而消除了形核界面层出现的射频损耗问题。
27、5、传统的硅基氮化镓外延器件在高压脉冲下会出现硅衬底中电子被迅速注入到缓冲层、外延层等位置，导致衬底空穴难以被迅速中和，进而使得器件表层导电通道内出现载流子难以恢复的问题，从而造成电流崩塌。本专利技术通过在窄禁带硅衬底和宽禁带氮化镓外延层之间引入具有宽禁带半导体结构的sic本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于大尺寸硅基复合衬底的氮化镓异质结构，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的异质结构，其特征在于，所述Si衬底的厚度为500-1500μm。
3.根据权利要求1所述的异质结构，其特征在于，所述SiC薄膜层的厚度为0.1-2μm。
4.根据权利要求1所述的异质结构，其特征在于，所述GaN外延层包括依次设置的成核层、高阻层、高迁移率层、插入层和势垒层。
5.一种基于大尺寸硅基复合衬底的氮化镓异质结构的制作方法，其特征在于，包括：
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述步骤2中，采用离子束光滑化方式对体SiC离子注入面表面进行光滑化，光滑化角度为0°-30°。
7.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述步骤1中，H离子注入深度为0.2-2μm。
8.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述步骤4中，退火温度为800-1000℃。
9.根据权利要求5-8任一项所述的制作方法，其特征在于，所述步骤5中，修复包括对SiC/Si复合衬底进行高温加热。
...【技术特征摘要】
1.一种基于大尺寸硅基复合衬底的氮化镓异质结构，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的异质结构，其特征在于，所述si衬底的厚度为500-1500μm。
3.根据权利要求1所述的异质结构，其特征在于，所述sic薄膜层的厚度为0.1-2μm。
4.根据权利要求1所述的异质结构，其特征在于，所述gan外延层包括依次设置的成核层、高阻层、高迁移率层、插入层和势垒层。
5.一种基于大尺寸硅基复合衬底的氮化镓异质结构的制作方法，其特征在于，包括：
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：王鑫华，刘新宇，殷海波，黄森，魏珂，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：
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