[发明专利]一种在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法、结构及功率器件

说明书

本发明公开了一种在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法、结构及功率器件，通过在氮化镓薄膜和硅衬底之间生长第一、第二氮化铝层和缓冲层作为中间层，以抑制镓与硅之间产生反应；并且，通过在第二氮化铝层与氮化镓薄膜之间生长缓冲层，使得第二氮化铝层和氮化镓薄膜的晶格常数、热膨胀系数等物理特性能够协调连接；以及，通过制作第一纳米结构绒面和第二纳米结构绒面而保证生长的第一、第二氮化铝层的品质高；综合上述因素，以最终保证氮化镓薄膜品质高。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，更为具体的说，涉及一种在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法、结构及功率器件。

背景技术

氮化镓(GaN)具有较大的直接禁带宽度、高热导率、高电子饱和漂移速度等特点，因此已经成为半导体技术领域的研究热点，尤其的在器件材料结构中外延生长氮化镓薄膜是当前研究热点之一。目前主要采用异质外延生长办法在蓝宝石、SiC等衬底材料上生长氮化镓薄膜。但是这两种衬底价格昂贵，而且这两种衬底的尺寸较小，增加了器件的制作成本。此外，蓝宝石衬底还有硬度高、导电差、导热差等缺点，对器件的制作和性能不利。硅作为目前最成熟的半导体材料，具有价格便宜、尺寸大、晶体质量高、导热能力高等优点，用硅做衬底可大大降低器件的制作成本，提高经济效果。

但是，在硅衬底上难以沉积氮化镓薄膜，是因为两种材料之间具有晶格常数、热膨胀系数等差异。再者，若直接在硅衬底上生长氮化镓，由于镓与硅之间产生反应，生长的氮化镓薄膜中会出现缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法、结构及功率器件，通过在氮化镓薄膜和硅衬底之间生长第一、第二氮化铝层和缓冲层作为中间层，以抑制镓与硅之间产生反应；并且，通过在第二氮化铝层与氮化镓薄膜之间生长缓冲层，使得第二氮化铝层和氮化镓薄膜的晶格常数、热膨胀系数等物理特性能够协调连接；以及，通过制作第一纳米结构绒面和第二纳米结构绒面而保证生长的第一、第二氮化铝层的品质高；综合上述因素，以最终保证氮化镓薄膜品质高。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法，包括：

提供一硅衬底；

采用鼓吹工艺对所述硅衬底的生长面进行刻蚀为第一纳米结构绒面；

在所述硅衬底的生长面一侧制备第一氮化铝层；

采用湿法刻蚀工艺对所述第一氮化铝层背离所述硅衬底一侧表面进行刻蚀为第二纳米结构绒面；

在所述第一氮化铝层背离所述硅衬底一侧制备第二氮化铝层，所述第二氮化铝层背离所述硅衬底一侧表面为光滑表面；

在所述第二氮化铝层背离所述硅衬底一侧制备缓冲层；

在所述缓冲层背离所述硅衬底一侧制备氮化镓薄膜。

可选的，所述缓冲层包括多层Al_xGa_1-xN层，其中，沿生长方向，x逐渐减小。

可选的，所述缓冲层为氮化硅子层和氮化镓子层交替生长的超晶格层。

可选的，所述第一纳米结构绒面由多个金字塔结构组成；

其中，所述金字塔底部边长不大于1微米。

可选的，制备所述第一氮化铝层时的工艺温度为550摄氏度-1150摄氏度，包括端点值；

以及，制备所述第二氮化铝层时的工艺温度为600摄氏度-800摄氏度，包括端点值，或为1000摄氏度-1250摄氏度，包括端点值。

可选的，所述第二氮化铝层的厚度不大于5nm。

相应的，本发明还提供了一种在硅衬底上生长氮化镓薄膜的结构，包括：