大尺寸低应力的氮化物外延材料和制备方法

本发明涉及氮化镓材料制备，尤其涉及大尺寸低应力的氮化物外延材料和制备方法。

背景技术：

1、随着工业技术的发展，大功率、高电流密度、高转换效率的器件越来越符合未来绿色发展的社会要求。而第三代半导体氮化镓材料与器件具备高功率密度和强场等优势，越来越受到市场的青睐。

2、目前，氮化镓材料与器件主要集用在异质衬底上进行外延与制备。而异质外延主要面临的问题是带来极大的外延内应力和与衬底热失配带来的曲率，容易引起氮化镓材料与器件的弯曲及裂片，对于6至8英寸的大尺寸的氮化镓材料与器件，其曲率显得更加重要。

3、现有大尺寸衬底上制备氮化镓材料与器件的主要采用以下三种衬底材料：硅衬底、蓝宝石衬底和碳化硅衬底。

4、现有技术的外延材料技术路线，主要过程如下：

5、先是采用mocvd技术生长氮化铝缓冲层以做为成核，再生长比较厚的应力调控层(如渐变铝镓氮、氮化镓/氮化铝超晶格等)。为了提高材料耐压性，还会进行碳元素、掺铁元素生长以形成掺杂耐压层，接着进行氮化镓沟道层、铝镓氮势垒层、氮化镓帽层的结构生长，以得到外延材料结构。

6、上述外延结构共同的特点是外延内应力比较大，需要平衡衬底带来的热失配等问题，才不容易导致氮化镓材料与器件出现龟裂，所以需要生长3微米以上的外延材料，才能降低出现龟裂的问题。

7、现有技术的外延材料技术路线在6至8英寸的衬底的应力调控问题显得更加突出，大尺寸的外延材料内应力在后端的芯片制备中容易引起裂片的现象，为产品良率带来了不少的挑战，严重制约了氮化镓材料与器件的发展。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供大尺寸低应力的氮化物外延材料和制备方法，其外延结构的厚度远小于传统外延材料的厚度，极大地节约了外延结构的制备时间和制备成本，且由于外延结构厚度小，无需设计应力释放层和高耐压调控层，进一步减少制备工序和制备成本。

2、为了实现上述目的，本发明公开了一种大尺寸低应力的氮化物外延材料制备方法，其包括如下步骤：

3、s1、采用物理气相沉积法在c面蓝宝石衬底上沉积生成第一三维柱状结构；

4、s2、将c面蓝宝石衬底置于mocvd反应腔内，利用mocvd工艺在第一三维柱状结构上生成氮化铝外延结构；

5、s3、采用物理气相沉积法在氮化铝外延结构上沉积生成第二三维柱状结构；

6、s4、将c面蓝宝石衬底置于mocvd反应腔内，利用mocvd工艺在第二三维柱状结构上生成外延功能层。

7、与现有技术相比，本发明在c面蓝宝石衬底上依次生成第一三维柱状结构、氮化铝外延结构、第二三维柱状结构和外延功能层，其通过增设第一三维柱状结构和第二三维柱状结构，适于有效降低氮化铝外延结构和外延功能层的厚度，以降低成品材料厚度，且由于外延结构的厚度远小于传统外延材料的厚度，极大地节约了外延结构的制备时间和制备成本，且由于外延结构厚度小，无需设计应力释放层和高耐压调控层，进一步减少制备工序和制备成本。

8、较佳地，所述步骤s1具体包括：

9、s11、将c面蓝宝石衬底置于物理气相沉积反应腔内；

10、s12、将物理气相沉积反应腔的真空度抽至5*10-5pa；

11、s13、对物理气相沉积反应腔通入氩气和氮气，其中，氩气和氮气的流量比为8:1，且将物理气相沉积反应腔的真空度控制在1pa；

12、s13、将c面蓝宝石衬底及铝靶材预热至200℃；

13、s14、对c面蓝宝石衬底进行直流溅射，其中，溅射功率为300w，溅射速率为0.1nm/s,溅射时间为100.00s，以在c面蓝宝石衬底上沉积生成第一三维柱状结构。

14、较佳地，所述步骤s2具体包括：

15、s21、将c面蓝宝石衬底置于mocvd反应腔内；

16、s22、将mocvd反应腔的温度设为1100℃，气压设为50mbar；

17、s23、以氢气为载气，对mocvd反应腔通入的三甲基铝和氨气，其中，三甲基铝和氨气的五三比为500，以在第一三维柱状结构上生成氮化铝外延结构；

18、s24、控制氢气的载气速率和载气时间，以将氮化铝外延结构的生长速率控制为0.2nm/s，生长时间控制为50.00s。

19、较佳地，所述步骤s3具体包括：

20、s31、将c面蓝宝石衬底置于物理气相沉积反应腔内；

21、s32、将物理气相沉积反应腔的真空度抽至5*10-5pa；

22、s33、对物理气相沉积反应腔通入氩气和氮气，其中，氩气和氮气的流量比为8:1，且将物理气相沉积反应腔的真空度控制在1pa；

23、s34、将c面蓝宝石衬底及铝靶材预热至200℃；

24、s35、对c面蓝宝石衬底进行直流溅射，其中，溅射功率为300w，溅射速率为0.1nm/s,溅射时间为100.00s，以在氮化铝外延结构上沉积生成第二三维柱状结构。

25、较佳地，所述步骤s4具体包括：

26、s411、将c面蓝宝石衬底置于mocvd反应腔内；

27、s412、将mocvd反应腔的温度设为1080℃，气压设为100mbar；

28、s413、以氢气为载气，对mocvd反应腔通入的三甲基镓和氨气，其中，三甲基镓和氨气的五三比为1500，以在第二三维柱状结构上生成氮化镓沟道层；

29、s414、控制氢气的载气速率和载气时间，以将氮化镓沟道层的生长速率控制为0.6nm/s，生长时间控制为375.00s；

30、s415、以氢气为载气，对mocvd反应腔通入的三甲基镓、三甲基铝和氨气，其中，三甲基镓、三甲基铝和氨气的五三比为800，以在氮化镓沟道层上生成铝镓氮势垒层；

31、s416、控制氢气的载气速率和载气时间，以将铝镓氮势垒层的生长速率控制为0.4nm/s，生长时间控制为62.50s；

32、s417、以氢气为载气，对mocvd反应腔通入的三甲基镓和氨气，以在铝镓氮势垒层上生成氮化镓帽层；

33、s418、控制氢气的载气速率和载气时间，以将氮化镓帽层的生长速率控制为0.5nm/s，生长时间控制为4.00s。

34、具体地，所述铝镓氮势垒层的铝组分为25％。

35、较佳地，所述步骤s4具体包括：

36、s421、将c面蓝宝石衬底置于mocvd反应腔内；

37、s422、将mocvd反应腔的温度设为1110℃，气压设为70mbar；

38、s423、以氢气为载气，对mocvd反应腔通入的三甲基镓和氨气，其中，三甲基镓和氨气的五三比为1500，以在第二三维柱状结构上生成氮化镓沟道层；

39、s424、控制氢气的载气速率和载气时间，以将氮化镓沟道层的生长速率控制为0.6nm/s，生长时间控制为333.33s；

40、s425、以氢气为载气，对mocvd反应腔通入的三甲基镓、三甲基铝和氨气，其中，三甲基镓、三甲基铝和氨气的五三比为600，以在氮化镓沟道层上生成铝镓氮势垒层；

41、s426、控制氢气的载气速率和载气时间，以将铝镓氮势垒层的生长速率控制为0.3nm/s，生长时间控制为66.67s；

42、s427、以氢气为载气，对mocvd反应腔通入的三甲基镓和氨气，以在铝镓氮势垒层上生成氮化镓帽层；

43、s428、控制氢气的载气速率和载气时间，以将氮化镓帽层的生长速率控制为0.5nm/s，生长时间控制为3.00s。

44、具体地，所述铝镓氮势垒层的铝组分为30％。

45、较佳地，所述c面蓝宝石衬底的尺寸为6至8英寸。

46、相应地，本发明还公开了一种大尺寸低应力的氮化物外延材料，其通过如上所述的大尺寸低应力的氮化物外延材料制备方法制备而成，所述大尺寸低应力的氮化物外延材料包括c面蓝宝石衬底和在所述c面蓝宝石衬底上依次外延生成的第一三维柱状结构、氮化铝外延结构、第二三维柱状结构和外延功能层，其中，所述外延功能层在所述第二三维柱状结构上依次外延生成的氮化镓沟道层、铝镓氮势垒层和氮化镓帽层。