用于生长GaN外延材料的衬底结构及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件制造领域，尤其涉及一种用于GaN外延材料生长的衬底结构及其制作方法。
【背景技术】
[0002]作为第三代半导体材料的典型代表，氮化镓(GaN)具有广泛的应用领域和发展前景，由于自然界中缺乏天然的氮化镓衬底(GaN外延的同质衬底)材料，各领域的科研工作者通常选择在异质衬底如蓝宝石衬底、碳化娃衬底或娃衬底上生长GaN外延薄膜从而形成半导体发光器件、开关器件和传感器件等。各种异质衬底材料的特性及其与GaN外延薄膜之间的晶格匹配和热应力匹配的研究成为实现GaN半导体光电器件商业化及发展和可持续发展的关键。
[0003]蓝宝石衬底生产技术相对成熟、化学稳定性好、机械强度高，成为初期半导体光电器件的首选衬底材料，后续发展的蓝宝石衬底的图形化技术和外延工艺的缓冲层技术也部分解决了蓝宝石衬底与GaN外延材料之间晶格匹配和热应力匹配的问题。然而，蓝宝石衬底导热性差，影响器件的性能和使用寿命，且不易于向大尺寸、自动化方向发展;碳化硅衬底是电和热的良导体，且具有化学稳定性好的优势，在半导体光电技术制造领域具有重要地位，但其价格高昂，性价比较差。
[0004]与蓝宝石衬底和碳化硅衬底相比，硅衬底是电和热的良导体，且成本低，可向大尺寸、自动化方向发展，被认为是未来最有发展潜能的衬底。但是，硅衬底和GaN外延层之间也存在着较大的晶格失配和热应力失配;且，硅衬底表面还容易发生氧化形成多晶或非晶的氧化层，不易于形成高晶体质量的GaN外延层；不仅如此，硅衬底在生长过GaN外延层的MOCVD (Meta 1-organic Chemical Vapor Deposit1n，金属有机化合物化学气相沉淀)腔体中再次形成外延层时，会受MOCVD腔体中残留的Ga或Ga的化合物回熔的影响，严重降低GaN器件的性能和良率。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一在于提供一种用于GaN外延材料生长的衬底结构，以解决娃衬底与GaN外延材料之间的晶格匹配和热应力匹配的问题、硅衬底表面易于被氧化的问题以及硅衬底易受MOCVD腔体中Ga或GaN的化合物回熔影响的问题。
[0006]本发明的目的之二在于提供一种能够实现上述用于GaN外延材料生长的衬底结构的制作方法，以推动各领域GaN基半导体器件的产业化进程。
[0007]为了解决上述问题，本发明提出了一种用于GaN外延材料生长的衬底结构，包括:
[0008]支撑衬底；
[0009]成核层，形成于所述支撑衬底表面；
[0010]缓冲层，形成于所述成核层表面；
[0011 ]晶格匹配层，形成于所述缓冲层表面；
[0012]其中，所述缓冲层包含与所述成核层的晶格匹配的元素以及与所述晶格匹配层的晶格匹配的元素;越靠近所述成核层时，所述缓冲层中与所述成核层晶格匹配的元素所占比例越高，与所述晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越低;越靠近所述晶格匹配层时，所述缓冲层中与所述成核层的晶格匹配的元素所占比例越低，与所述晶格匹配层的晶格匹配的兀素所占比例越尚。
[0013]进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，所述成核层材质为Al、Al2O3或AlN中的至少一种。
[0014]进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，所述晶格匹配层材质为GaN0
[0015]进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，所述缓冲层材质为Al(i—x)GaxN、In(i—y)GayN 或 In(i—y)Al(i—x)Ga(x+y)N 中的至少一种，其中x，y为正数。
[0016]进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，x= t/T，y = t/T，其中T为所述缓冲层的总厚度，t为O?T之间的数值。
[0017]进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，所述缓冲层的厚度为0.1ym?1ymο
[0018]进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，所述支撑衬底为娃衬底。
[0019]进一步的，本发明还提出了一种用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法，制作用于生长GaN外延材料的衬底结构，包括步骤:
[0020]提供一支撑衬底；
[0021 ]在所述支撑衬底表面形成成核层；
[0022]在所述成核层表面形成缓冲层，在形成所述缓冲层过程中，通过控制反应气体的流量大小，使所述缓冲层在越靠近成核层时，与成核层晶格匹配的元素所占比例越高，与晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越低;并且，越靠近所述晶格匹配层时，与成核层晶格匹配的元素所占比例越低，与晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越高；以及
[0023]在所述缓冲层表面形成晶格匹配层。
[0024]进一步的，在所述用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法中，通过派射、M0CVD、HVPE或MBE工艺在所述支撑衬底上形成所述成核层。
[0025]进一步的，在所述用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法中，通过所述MOV⑶工艺在所述成核层上形成所述缓冲层。
[0026]进一步的，在所述用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法中，所述缓冲层为Al (1—x)GaxN，使用NH3、TMGa和TMAl形成，其中，X为正数。
[0027]进一步的，在所述用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法中，通过控制TMGa和TMAl的流量，使所述缓冲层在生长过程中与成核层晶格匹配的元素及与晶格匹配层晶格匹配的元素含量发生连续变化。
[0028]与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在:在支撑衬底上依次形成了成核层、缓冲层和晶格匹配层，首先解决了现有技术中支撑衬底表面易于氧化和易于受Ga或Ga的化合物回熔影响的问题;其次缓冲层中与成核层晶格匹配的元素及与晶格匹配层晶格匹配的元素的含量随缓冲层厚度的增加而连续变化，缓冲层下面的材料结构与成核层的材料结构接近，上面的材料结构和晶格匹配层的材料结构接近，很好地解决了现有技术中支撑衬底与GaN外延材料之间的晶格匹配和热应力匹配的问题。
【附图说明】
[0029]图1为本发明中用于生长GaN外延材料的衬底结构制作方法的流程图；
[0030]图2为本发明一实施例中支撑衬底剖面结构图；
[0031 ]图3为本发明一实施例中形成成核层后的剖面结构图；
[0032]图4为本发明一实施例中形成缓冲层初始位置的剖面结构图；
[0033]图5为本发明一实施例中形成0.25μπι缓冲层后的位置剖面结构图；
[0034]图6为本发明一实施例中形成0.5μπι缓冲层后的位置剖面结构图；
[0035]图7为本发明一实施例中形成0.75μπι缓冲层后的位置剖面结构图；
[0036]图8为本发明一实施例中形成Ιμπι缓冲层后的位置剖面结构图；
[0037]图9为本发明一实施例中形成晶格匹配层后剖面结构图。
【具体实施方式】
[0038]下面将结合示意图对本发明的用于生长GaN外延材料的衬底结构及其制作方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
[0039]在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0040]在本实施例中，提出了一种用于生长GaN外延材料的衬底结构，包括:
[0041]支撑衬底；
[0042]成核层，形成于所述支撑衬底表面；
[0043]缓冲层，形成于所述成核层表面；
[0044]晶格匹配层，形成于所述缓冲层表面；
[0045]其中，所述缓冲层包含与所述成核层的晶格匹配的元素以及与所述晶格匹配层的晶格匹配的元素;越靠近所述成核层时，所述缓冲层中与所述成核层晶格匹配的元素所占比例越高，与所述晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越低;越靠近所述晶格匹配层时，所述缓冲层中与所述成核层的晶格匹配的元素所占比例越低，与所述晶格匹配层的晶格匹配的兀素所占比例越尚。
[0046]此外，如图1所示，还提出了一种用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法，用于制作如上文所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构，包括步骤:
[0047]SlOO:提供一支撑衬底；
[0048]S200:在所述支撑衬底表面形成成核层；
[0049]S300:在所述成核层表面形成缓冲层，在形成所述缓冲层过程中，通过控制反应气体的流量大小，使所述缓冲层在越靠近成核层时，与成核层晶格匹配的元素所占比例越高，与晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越低;越靠近所述晶格匹配层时，与成核层晶格匹配的元素所占比例越低，与晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越高；
[0050]S400:在所述缓冲层表面形成晶格匹配层。
[0051]本发明提出的用于生长GaN外延材料的衬底结构在支撑衬底上依次形成了成核层、缓冲层和晶格匹配层，首先解决了支撑衬底表面易于氧化和易于受Ga或Ga的化合物回熔影响的问题;其次缓冲层中成