[发明专利]表面无微裂纹的Si基III族氮化物外延片有效

专利信息
申请号: 201410394782.1 申请日: 2014-08-13
公开(公告)号: CN104201196B 公开(公告)日: 2017-07-28
发明(设计)人: 倪金玉;潘磊 申请(专利权)人: 中国电子科技集团公司第五十五研究所
主分类号: H01L29/15 分类号: H01L29/15;H01L21/205;C30B25/22
代理公司: 南京君陶专利商标代理有限公司32215 代理人: 沈根水
地址: 210016 *** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 表面 裂纹 si iii 氮化物 外延
【说明书】:

技术领域

发明涉及的是一种表面无微裂纹的Si基III族氮化物外延片,特别涉及包含能够产生二维电子气性能的III族氮化物异质结的外延片。属于半导体技术领域。

背景技术

III族氮化物半导体材料构成的异质结,如GaN与Al(In)GaN,可以形成高浓度高电子迁移率的二维电子气,适合于研制微波功率场效应晶体管器件。由于缺乏大尺寸的同质衬底,目前氮化物半导体材料主要生长在碳化硅、蓝宝石或Si等衬底上。

Si与III族氮化物外延材料存在着非常严重的晶格失配和热失配,如(0001)面GaN与(111)面Si之间的热失配为54%,晶格失配为17%,在Si衬底上生长的III族氮化物外延薄膜因为应力大,很容易产生裂纹,这种裂纹可用肉眼或光学显微镜观察,在本发明中称为宏观裂纹。

Si基GaN外延生长一般采用AlN作为成核层,首先生长在Si衬底表面,之后在AlN层上生长应变缓解中间层(以下称为中间层),最后生长GaN层。中间层用于缓解AlN层和GaN层之间的晶格失配,防止GaN层过早发生张应变弛豫而出现宏观裂纹,并改善GaN层的晶体质量。中间层主要有Al组分递减的AlGaN中间层结构和AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格中间层结构等。

组分递减的AlGaN中间层其晶格常数和热膨胀系数由AlN递减过渡到GaN,有利于缓解大失配引起的应力,防止GaN层发生张应变弛豫而产生宏观裂纹。

在一些处于较大应变状态的GaN层上生长AlGaN势垒层,即使不会产生宏观裂纹,AlGaN势垒层也会由于受到过大的张应力而在表面出现微裂纹。

需要说明的是,这种出现在Si基AlGaN/GaN异质结材料表面的微裂纹和那些肉眼或光学显微镜可观测的宏观裂纹不同。首先微裂纹很短小,只能在放大倍数数万倍以上的电子显微镜图像或原子力显微镜下才能被观测到。微裂纹只出现在AlGaN势垒层的表面,并不是源自于GaN层,不会隔断AlGaN/GaN界面处二维电子气的电学连接,而宏观裂纹往往是GaN层的断裂,宏观裂纹处完全不会产生二维电子气。

微裂纹的存在不仅会降低AlGaN/GaN异质结材料的二维电子气性能,还可能增加AlGaN/GaN场效应晶体管的栅漏电,威胁晶体管的可靠性。

当组分递减AlGaN中间层厚度较小时,GaN层往往处于一定的张应变状态,这种情况下生长的AlGaN/GaN异质结材料表面存在严重的微裂纹。

单纯增加组分递减AlGaN中间层的平均Al组分,虽然能增加引入GaN层的压应力,但是仍不足以完全消除势垒层表面的微裂纹。

只有既增加组分递减AlGaN中间层的平均Al组分,又增加其厚度时,才可能完全消除势垒层表面的微裂纹,但是存在金属有机物源和氨气之间的预反应的影响加剧的问题,这会导致材料生长质量降低,反而不利于获得表面平整光滑的Si基GaN材料。

AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格中间层也有缓解晶格失配应力,抑制裂纹的作用,并且能够过滤位错,改善其上生长的GaN层的质量。单纯采用厚的AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格作为中间层,生长GaN材料,由于很难缓解晶格常数和热膨胀系数失配,无法抑制宏观裂纹的出现。

当超晶格中间层结构中两层材料的Al组分差a-b超过一定值,可能在超晶格界面和内部产生失配位错,导致应变弛豫,无法抑制宏观裂纹的出现。

另一方面,当超晶格中间层结构中采用高的Al组分时,也存在金属有机物源和氨气之间的预反应加剧,材料生长质量降低的问题。

此外,即使在将组分递减AlGaN中间层与Al(Ga)N/GaN超晶格中间层结合使用的情况下,也存在如何组合搭配和采用何种生长条件而获得性能改善的问题。

发明内容

本发明提出的是一种表面无微裂纹的Si基III族氮化物外延片,其目的是改善GaN基异质结材料表面形貌和晶体质量。

本发明的技术解决方案:表面无微裂纹的Si基III族氮化物外延片,其包括Si衬底、二层AlN成核层、三层Al组分递减的AlxGa1−xN中间层、一层AlaGa1-aN/AlbGa1-bN超晶格中间层、二层GaN沟道层、和三层势垒层自下而上依次构成。

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