一种氮化镓的外延生长方法及氮化镓层的制备方法

本发明涉及半导体，尤其涉及到一种氮化镓的外延生长方法及氮化镓层的制备方法。

背景技术：

1、随着硅、锗和砷化镓、磷化铟半导体材料的发展和应用，高效、可靠的应用场景依赖于半导体材料更为优良的性能，为实现在高温、高频、大功率、强辐射、全波长等极端条件下的应用，第三代半导体材料即宽禁带(wide band gap semiconductor，简称wbgs)的研究与应用是半导体行业的热门话题。

2、氮化镓(gan)作为宽禁带半导体材料，具有可调节禁带宽度大、击穿场强高、较低介电常数、高电子饱和、高漂移速度、抗辐射能力强和化学稳定性优良等特点，以gan为核心制备的高电子迁移率场效应晶体管、光电探测器等在微电子、电力电子、光电子等高新技术以及国防工业、信息产业、机电产业和能源产业等领域应用广泛，亦是这些支柱产业进入21世纪后赖以继续发展的关键基础材料。

3、碳化硅和氮化镓衬底，因与氮化镓的晶格失配率和热失配率小，可生长高品质的外延层，但商用碳化硅、氮化镓衬底的价格昂贵。目前，商用一般使用蓝宝石或者硅衬底外延生长氮化镓，特别是硅衬底，因其可量产、大尺寸，因而在硅衬底上外延氮化镓器件可大幅增加器件数量，有效降低gan基器件的外延成本。但硅衬底与外延层之间存在较大的晶格常数的差异和热失配，导致氮化镓外延材料的位错密度高、应力大，难以生长高结晶质量、高厚度的无裂纹硅基氮化镓外延层，基于此，目前最为主流的方法是采用algan缓冲层引入压应力，避免硅基氮化镓材料在降温过程受热应力裂片。然而，硅基氮化镓材料体系中的穿透位错，在压应力驱使下会发生攀移倾斜进而形成垂直生长的失配位错，减弱了algan缓冲层引入的压应力，进而导致在降温过程压应力补偿不足，氮化镓外延层仍易开裂。

技术实现思路

1、为此，本发明提供了一种能够有效过滤从衬底传导的穿透位错，减小外延生长的氮化镓层的开裂可能性，提高其质量的氮化镓的外延生长方法，进而提供了一种能够实现高质量氮化镓层制备的氮化镓层的制备方法。

2、根据第一方面，本发明提供了一种氮化镓的外延生长方法，包括如下步骤：

3、在衬底上生长牺牲层；牺牲层内具有形成蜂窝状结构的多个外延孔，外延孔贯穿牺牲层，且外延孔远离衬底的一端的直径小于靠近衬底的一端的直径；

4、在外延孔内以及牺牲层上外延生长氮化镓层。

5、在一种可能的实现方式中，外延孔包括第一孔段和第二孔段，第一孔段位于牺牲层靠近衬底的一端，且第二孔段的直径小于第一孔段的直径。

6、在一种可能的实现方式中，在衬底上生长牺牲层的步骤，具体包括：

7、在衬底上生长第一掩膜层；

8、刻蚀第一掩膜层以形成多个贯穿第一掩膜层的第一掩膜孔；多个第一掩膜孔形成蜂窝状结构；

9、使用介质材料填充第一掩膜孔；

10、在第一掩膜层上生长第二掩膜层；

11、刻蚀第二掩膜层以形成多个贯穿第二掩膜层的第二掩膜孔；多个第二掩膜孔形成蜂窝状结构，且多个第二掩膜孔与多个第一掩膜孔位置一一对应，第二掩膜孔的直径小于第一掩膜孔的直径；

12、去除第一掩膜孔内的介质材料，完成牺牲层的生长；第一掩膜孔即为第一孔段，第二掩膜孔即为第二孔段。

13、在一种可能的实现方式中，第二掩膜层的厚度小于第一掩膜层的厚度。

14、在一种可能的实现方式中，在外延孔内以及牺牲层上外延生长氮化镓层的步骤，具体包括：

15、依次在第一预设生长条件和第二预设生长条件下，在化学气相沉积设备内生长外延孔内的氮化镓填充层；

16、在第二预设生长条件下，在化学气相沉积设备内生长牺牲层上的氮化镓外延层；第一预设生长条件中的第一生长温度低于第二预设生长条件中的第二生长温度，第一预设生长条件中的第一生长压强大于第二预设生长条件中的第二生长压强。

17、在一种可能的实现方式中，第一生长温度在500℃～800℃之间，第二生长温度在900℃～1200℃之间，第一生长压强200torr～600torr之间，第二生长压强在40torr～150torr之间。

18、根据第二方面，本发明还提供了一种氮化镓层的制备方法，包括如下步骤：

19、采用上述第一方面任意一种实施方式中的氮化镓的外延生长方法完成氮化镓层的生长；

20、去除牺牲层后，将氮化镓层自衬底上剥离。

21、本发明提供的技术方案，具有如下优点：

22、1、本发明提供的氮化镓的外延生长方法，通过设置衬底上的牺牲层内具有形成蜂窝状结构的贯穿牺牲层的外延孔，并设置外延孔远离衬底的一端的直径小于靠近衬底的一端的直径，从而使得氮化镓层生长于外延孔中的部分形成上小下大的结构，进而使自衬底延伸出去的穿透位错能够随着氮化镓结构直径的减小而被上端(远离衬底的一端)牺牲层所阻挡，达到过滤穿透位错的效果，减小了氮化镓层生长于牺牲层上方的部分开裂的可能性，实现高质量氮化镓层的外延生长。

23、2、本发明提供的氮化镓的外延生长方法，通过先在温度相对较低而压力相对较高的第一预设生长条件下在外延孔内生长氮化镓填充层，再转换成温度相对较高而压力相对较低的第二预设生长条件继续在外延孔内生长氮化镓填充层，实现了三维氮化镓生长快速转二维的生长方式，从而在氮化镓填充层中引入了纳米孔洞，使得牺牲层内形成多孔结构，有助于后续剥离工艺的开展，能够减少后续剥离工艺对氮化镓层的损伤，实现高质量氮化镓层的外延生长。

技术特征：

1.一种氮化镓的外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的氮化镓的外延生长方法，其特征在于，所述外延孔包括第一孔段和第二孔段，所述第一孔段位于所述牺牲层靠近所述衬底的一端，且所述第二孔段的直径小于所述第一孔段的直径。

3.根据权利要求2所述的氮化镓的外延生长方法，其特征在于，所述在衬底上生长牺牲层的步骤，具体包括：

4.根据权利要求3所述的氮化镓的外延生长方法，其特征在于，所述第二掩膜层的厚度小于所述第一掩膜层的厚度。

5.根据权利要求1-4任一项所述的氮化镓的外延生长方法，其特征在于，在所述外延孔内以及所述牺牲层上外延生长氮化镓层的步骤，具体包括：

6.根据权利要求5所述的氮化镓的外延生长方法，其特征在于，所述第一生长温度在500℃～800℃之间，所述第二生长温度在900℃～1200℃之间，所述第一生长压强200torr～600torr之间，所述第二生长压强在40torr～150torr之间。

7.一种氮化镓层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种氮化镓的外延生长方法及氮化镓层的制备方法，其中氮化镓的外延生长方法包括如下步骤：在衬底上生长牺牲层；牺牲层内具有形成蜂窝状结构的多个外延孔，外延孔贯穿牺牲层，且外延孔远离衬底的一端的直径小于靠近衬底的一端的直径；在外延孔内以及牺牲层上外延生长氮化镓层。本发明中的方法，能够过滤来自衬底的穿透位错，减小了生长于牺牲层上方的氮化镓层的开裂的可能性，实现高质量氮化镓层的外延生长。

技术研发人员：常娟雄,王一,黄永,卢灏,邱慧嫣,程晨言,陈兴,陈财,龚子刚,万坤,董栩婷,邵语嫣,薛荣宇,王东,吴勇,韩超
受保护的技术使用者：西安电子科技大学芜湖研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12