一种硅基氮化镓功率器件的制作方法

本实用新型属于氮化镓功率器件技术领域，具体涉及一种硅基氮化镓功率器件。

背景技术：

氮化镓功率器件由于氮化镓材料本身的特性，相对于目前市场上主导的硅半导体功率器件，在同样的工作电压和功率条件下，能够在能量转换过程中进一步降低大约30％-50％的能量损耗，同时它的体积仅为现有硅半导体功率器件的1/10，工作电压更高，高于600V，转换功率更大，工作频率更快，大于50MHz，所有这些优势都可以降低成本，并转化成巨大的经济效益，有利于节能降耗。

氮化镓功率器件技术的核心在于如何生产出高质量的氮化镓材料，因为氮化镓材料本身熔点高，所以很难采用熔融的结晶技术(比如硅)。目前最先进的结晶技术也只能生产出2寸片，成本极其昂贵，无法实现大规模生产，所以不具备产业化经济效益需求。现在业界发展比较成熟的制备技术且同时具备产业化可行性的是金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延技术。因为氮化镓材料晶格的特性，自然界还缺乏一个能够跟氮化镓晶格匹配相似并且制造成本相对较低的衬底材料，现在普遍使用的衬底是碳化硅、蓝宝石以及单晶硅，随着近年来国内外SiC单晶材料制备技术的进步，SiC单晶基底的价格逐渐降低，这为降低SiC基底上制备氮化镓外延材料的生产成本创造了条件，但SiC基底与GaN材料在晶格常数和热膨胀系数都存在较大差异，由此会遇到两方面的问题：(1)晶格失配问题：因GaN的晶格常数(a＝0.3189nm，c＝0.5185nm)和6H-SiC的晶格常数(a＝0.3073nm，c＝1.0053nm)不同，3.77％的晶格失配度致使在GaN外延层外延生长初期会产生非常大的晶格失配应力，当生长的GaN外延层的厚度超过某一临界厚度(几nm到几百nm厚，具体视引入的中间层情况而定)后，积聚在GaN外延层中的这种大晶格失配应力就会以在界面处产生位错和缺陷的形式释放，这将造成GaN外延层结晶质量的恶化进而降低后续LED器件结构的性能；(2)热失配问题：因GaN的热膨胀系数(a：5.59×10-6K)和6H-SiC的热膨胀系数(a：3.54×10-6K)也存在较大差异，这致使GaN外延层或LED器件结构从很高的生长温度(如800～1100℃)降到室温的过程中会积聚非常大的热应力，这种热应力对GaN外延层而言是一种张应力进而易造成GaN外延层材料产生龟裂或弯曲，采用积聚较大热张应力和有裂纹或弯曲的GaN外延层材料制备LED器件，势必影响LED器件性能和良品率的提高。目前转移和协调释放SiC基底上制备的GaN外延层材料的失配应力的常用方法有：应力协变层(包括缓冲层、柔性层、插入层等)和图形衬底。现有的应力协变层，如低温GaN缓冲层、AlN缓冲层、AlGaN组分渐变缓冲层、薄InAlGaN柔性层等，尽管在转移和协调释放晶格失配应力方面具有较好效果，但在转移和协调释放热失配应力方面作用有限。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种硅基氮化镓功率器件，该器件结构对硅基氮化镓材料晶格失配问题的缓解和热失配问题的克服具有积极效果，能够大幅度提高硅基底上制备的氮化镓外延材料的性能和良品率，对硅基氮化镓器件的制备提供技术支撑。

本实用新型的具体技术方案是：

一种硅基氮化镓功率器件，包括由下到上依次设置的衬底、缓冲层以及外延层，关键点是，所述的衬底为曲率280-290km^-1的硅，缓冲层为40-60nm厚度的复合缓冲层，复合缓冲层包括至少一个复合层，复合层由AlN层和GaN层由下到上堆叠组成，缓冲层上端面刻饰有下凹图形，下凹图形的深度小于缓冲层厚度，外延层包括180-220nm厚度的GaN外延层及其上端的280-320nm厚度的AlGaN外延层。

所述的复合层中AlN层和GaN层的厚度依次增大。

所述的缓冲层厚度为50nm，GaN外延层厚度为200nm，AlGaN外延层厚度为300nm。

所述的缓冲层上端面的下凹图形包括孔形或者条形中的至少一种，并且所有下凹图形呈周期性排列。

所述的缓冲层中下凹图形刻饰后形成凸出的呈周期性排列的柱形。

本实用新型的有益效果是：本实用新型中用曲率280-290km^-1的硅作为衬底，解决了硅衬底和氮化镓之间大的失配带来的晶片翘曲问题，衬底和外延层之间的缓冲层结构能够有效减小外延过程中的应力，降低外延裂纹的产生，缓冲层上刻蚀下凹图形，外延生长时，在下凹图形区域中原子的迁移需要一定的时间，所以不易成核，膜层在纵向生长的同时也进行横向生长，随着厚膜的生长，相邻的横向生长区域可以达到合并，当横向生长达到一定程度后氮化镓外延层便能覆盖整个缓冲层表面，利用纵向生长和横向生长的合并，可以降低或抑制位错在氮化镓外延层的延伸，从而提高氮化镓外延层的晶体质量，外延层材料的良品率随之显著提高。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图。

图2是图1中缓冲层的俯视图。

图3是本实用新型实施例2的结构示意图。

附图中，1、衬底，2、缓冲层，3、GaN外延层，4、下凹图形，5、AlGaN外延层。

具体实施方式

本实用新型涉及一种硅基氮化镓功率器件，包括由下到上依次设置的衬底1、缓冲层2以及外延层，所述的衬底1为曲率280-290km^-1的硅，缓冲层2为40-60nm厚度的复合缓冲层，复合缓冲层包括至少一个复合层，复合层由AlN层以及GaN层由下到上堆叠组成，缓冲层2上端面刻饰有下凹图形4，下凹图形4的深度小于缓冲层2厚度，外延层包括180-220nm厚度的GaN外延层3及其上端280-320nm厚度的AlGaN外延层5。

实施例1，如图1和图2所示，采用硅为衬底1，衬底1曲率280-290km^-1，解决了现有硅衬底和氮化镓之间大的失配带来的晶片翘曲问题，缓冲层2为50nm厚度的复合缓冲层，覆盖在硅单晶衬底1上，复合缓冲层包括多个复合层，复合层由AlN层以及GaN层由下到上堆叠组成，并且AlN层厚度<GaN层厚度，缓冲层2上表面具有孔形或者条形中的至少一种下凹图形4，所有下凹图形4呈周期性排列，本实施例选用孔形的下凹图形作为例子，下凹图形经ICP刻蚀于缓冲层2上，下凹图形4深度小于缓冲层2厚度，所有孔形呈矩形阵列形式排布，该复合缓冲层相比现有应力协变层技术具有更好的应力转移和协调释放效果，主要体现在如下方面：

1)选用AlN，其半绝缘性可提高复合缓冲层的防止漏电能力；选用GaN层，其与GaN外延层浸润性好，有利于GaN成核生长。

A1N材料的a轴晶格常数介于GaN和硅之间,而且与GaN之间晶格失配约为2％；立方TiN(111)面与6H-SiC(002)面的晶格失配度为2.22％，与六方AlN(0002)面的晶格失配度为3.45％。

基于可协变衬底的可协变中间层的应力转移思想，在GaN外延生长过程中，硅衬底与GaN材料之间的晶格失配应力就将转移到AlN层和GaN层组合而成的复合缓冲层中协调释放。

GaN层生长GaN外延层属同质外延生长，浸润性好，GaN外延厚度均匀。

本发明采用的AlN层与GaN层的交替堆叠结构，引入的更多界面又起到阻止下面穿透位错向上增殖延伸的作用，从而进一步降低位错密度；

2)在缓冲层2上端面ICP刻蚀有下凹图形4，下凹图形4为孔形，利用悬空外延生长技术生长200nm厚度的GaN外延层，在外延层上端面生长300nm厚度的AlGaN层，外延生长时，利用纵向生长和横向生长的合并，可以降低或抑制位错在GaN外延层的延伸，从而提高GaN外延层的晶体质量。

实施例2，如图3所示，作为下凹图形4的另一种形式，下凹图形4刻蚀后可以形成一组凸出的柱形，即所有凸出的柱形之外的面积区域为下凹图形4，所有凸出的柱形呈矩形阵列形式排布。

本实用新型中介绍的硅基氮化镓功率器件的结构对现有的硅基氮化镓材料晶格失配问题的缓解和热失配问题的克服具有积极效果，能够大幅度提高硅基底上制备的氮化镓外延材料的性能和良品率，为硅基氮化镓器件的制备做基础，适合应用与市场推广。