基于Si衬底的GaN异质外延结构及制备方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115763251A(43)申请公布日2023.03.07(21)申请号202211448706.5H01L21/205(2006.01)(22)申请日2022.11.18(71)申请人聚能晶源（青岛）半导体材料有限公司地址266000山东省青岛市即墨区服装工业园孔雀河三路56号(72)发明人李兵兵商延卫马旺张义王建立程静云(74)专利代理机构上海光华专利事务所(普通合伙)31219专利代理师余明伟(51)Int.Cl.H01L21/335(2006.01)H01L29/778(2006.01)H01L29/267(2006.01)权利要求书2页说明书8页附图3页(54)发明名称基于Si衬底的GaN异质外延结构及制备方法(57)摘要本发明提供一种基于Si衬底的GaN异质外延结构及制备方法，通过引入AlN/GaN超晶格缓冲层，以及对制备工艺的优化，可制备大尺寸、无裂纹、低位错密度、翘曲可控且高性能的GaN‑on‑Si外延结构。CN115763251ACN115763251A权利要求书1/2页1.一种基于Si衬底的GaN异质外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供Si衬底；提供Al源及NH3，于所述Si衬底上形成AlN成核层；提供Ga源，于所述AlN成核层上形成AlGaN第一缓冲层；关闭Al源，于所述AlGaN第一缓冲层上形成GaN层，关闭Ga源打开Al源，于所述GaN层上形成AlN层，重复交替制备所述GaN层及所述AlN层形成AlN/GaN超晶格第二缓冲层，且所述GaN层与所述AlGaN第一缓冲层相接触；打开Ga源，于所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层上形成GaN外延层，且所述GaN外延层与所述GaN层相接触。2.根据权利要求1所述的基于Si衬底的GaN异质外延结构的制备方法，其特征在于：形成所述GaN外延层的步骤包括：打开Ga源，以及提供C2H2，于所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层上形成cGaN层；关闭C2H2源，于所述cGaN层上形成uGaN层；打开Ga源，于所述uGaN层上形成GaN沟道层，且所述cGaN层的生长温度低于所述uGaN层，生长所述cGaN层的NH3流量小于所述uGaN层的NH3流量，且所述cGaN层的厚度大于所述uGaN层的厚度。3.根据权利要求1所述的基于Si衬底的GaN异质外延结构的制备方法，其特征在于：所述AlN成核层包括低温AlN成核层和高温AlN成核层，其中，所述低温AlN成核层的生长温度为600～1020℃，所述高温AlN成核层的生长温度为900～1300℃；所述AlN成核层的厚度为100～250nm。4.根据权利要求1所述的基于Si衬底的GaN异质外延结构的制备方法，其特征在于：形成所述AlGaN第一缓冲层的生长温度为900～1120℃，NH3流量为1000～2000sccm；形成的所述AlGaN第一缓冲层中Al组分为40～80％；形成的所述AlGaN第一缓冲层的厚度为100～500nm。5.根据权利要求1所述的基于Si衬底的GaN异质外延结构的制备方法，其特征在于：制备所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层时，所述AlN层的生长压力为40～150mbar，生长温度为900～1300℃，NH3流量为1000～30000sccm，所述GaN层的生长压力为50～200mbar，生长温度为900～1150℃，NH3的流量为1000～25000sccm。6.根据权利要求1所述的基于Si衬底的GaN异质外延结构的制备方法，其特征在于：所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层中，单层的所述AlN层的厚度为1～5nm，单层的所述GaN层的厚度为25～40nm。7.根据权利要求1所述的基于Si衬底的GaN异质外延结构的制备方法，其特征在于：制备所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层时，在生长完单层的所述AlN层后，反应腔中只开NH3，稳定后，再开始所述GaN层的生长，单层的所述GaN层生长完成后，亦只开通NH3，稳定后，再生长所述AlN层；所述AlN层及所述GaN层的生长条件相同，所述生长条件包括温度、压力及NH3的量。8.根据权利要求1所述的基于Si衬底的GaN异质外延结构的制备方法，其特征在于：还包括在所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层上形成AlN/GaN超晶格第三缓冲层的步骤；所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层及所述AlN/GaN超晶格第三缓冲层的厚度为150～400nm；所述AlN/2CN115763251A权利要求书2/2页GaN超晶格第二缓冲层中单层所述GaN层的厚度为t1，单层所述AlN层的厚度为t2，以及在所述AlN/GaN超晶格第三缓冲层中单层所述GaN层的厚度为t3，单层所述AlN层的厚度为t4，且t1与t3相同，t2为t4的1.