氮化镓外延片及其制造方法及半导体器件与流程

本发明涉及半导体，尤其涉及一种氮化镓外延片及其制造方法及半导体器件。

背景技术：

1、化合物半导体材料近年来发展迅速，越来越广泛地应用于照明、光通讯、功率半导体器件以及无线通讯领域。宽禁带(禁带宽度>2.3ev)化合物半导体的包括碳化硅、氮化镓、氧化镓、金刚石等。在研制高温、高频、高功率微波器件、抗辐射器件以及紫外探测器、短波发光二极管等方面具有广阔的应用前景，是无线通信、国防、新能源、自动驾驶等领域急需的电子器件。

2、氮化镓材料具有宽禁带(3.4ev)、高电子迁移率和高击穿电场，是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。基于gan材料的高电子迁移率晶体管(hemt)具有高的电子迁移率(2000cm2/v·s)、高电子饱和速度(1×107cm/s)、较低的介电常数，是制作射频微波器件的优先材料。以碳化硅等材料作衬底的gan器件，散热性能好，有利于器件在大功率条件下工作，在移动通信系统基础设施、航空航天、国防科技、卫星通信等领域得到越来越广泛的应用。

3、但是，在高电压、大功率工作条件下产生的芯片热效应影响器件的性能和可靠性，是制约氮化镓芯片的进一步应用的因素之一。采用高导热系数的金刚石衬底是改善芯片热效应的方法之一。目前以金刚石为衬底的氮化镓芯片其工艺过程复杂、制造成本高。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种工艺简单，稳定性高的氮化镓外延片及其制造方法及半导体器件。

2、本申请公开了一种氮化镓外延片，其包括：

3、单晶金刚石衬底；

4、晶格匹配层，所述晶格匹配层设置于所述金刚石衬底的一侧；

5、氮化镓外延层，所述氮化镓外延层设置于所述晶格匹配层的远离所述金刚石衬底的一侧；

6、所述晶格匹配层靠近所述氮化镓外延层的一侧的晶格常数匹配氮化镓材料的晶格常数。

7、可选地，所述晶格匹配层包括种子层，所述种子层的厚度大于等于1nm，所述种子层的厚度小于等于10nm；所述种子层为氮化铝材质。

8、可选地，所述晶格匹配层包括缓冲层，所述缓冲层的厚度大于等于0.2μm，所述缓冲层的厚度小于等于2微米；所述缓冲层为未掺杂的高阻氮化铝材质。

9、可选地，所述晶格匹配层包括过渡层，所述过渡层的厚度大于等于0.3μm，所述过渡层的厚度小于等于3μm；所述过渡层为含镓氮化物，所述过渡层靠近所述金刚石衬底一侧的镓含量小于靠近所述氮化镓外延层的一侧的镓含量。

10、可选地，所述晶格匹配层包括过渡层，所述过渡层的厚度大于等于0.3μm，所述过渡层的厚度小于等于3μm；所述过渡层为铟铝氮化物材质，所述过渡层自靠近所述金刚石衬底一侧至靠近所述氮化镓外延层的一侧，铟的含量逐渐靠近17％，铝的含量逐渐靠近83％。

11、可选地，所述晶格匹配层包括超晶格结构层，所述超晶格结构层包括若干顺序叠层的第一超晶格层、第二超晶格层、······第n超晶格层；所述超晶格结构层为铝铟镓氮化物，相邻的超晶格层中铝、铟、镓三种元素的至少一种的组分含量不同。

12、可选地，所述超晶格结构层靠近所述金刚石衬底一侧的铝含量大于靠近所述氮化镓外延层的一侧的铝含量。

13、可选地，所述晶格匹配层还包括：

14、设置于所述种子层远离所述金刚石衬底一侧的缓冲层，所述缓冲层的厚度大于等于0.2μm，所述缓冲层的厚度小于等于2微米；所述缓冲层为未掺杂的高阻氮化铝材质。

15、可选地，所述晶格匹配层还包括：

16、设置于所述缓冲层远离所述种子层一侧的过渡层，所述过渡层的厚度大于等于0.3μm，所述过渡层的厚度小于等于3μm；所述过渡层为含镓氮化物，所述过渡层靠近所述金刚石衬底一侧的镓含量小于靠近所述氮化镓外延层的一侧的镓含量。

17、可选地，所述晶格匹配层还包括：

18、设置于所述缓冲层远离所述种子层一侧超晶格结构层，所述超晶格结构层包括若干顺序叠层的第一超晶格层、第二超晶格层、······第n超晶格层；所述超晶格结构层为铝铟镓氮化物，相邻的超晶格层中铝、铟、镓三种元素的至少一种的组分含量不同；所述超晶格结构层靠近所述金刚石衬底一侧的铝含量大于靠近所述氮化镓外延层的一侧的铝含量。

19、可选地，所述晶格匹配层还包括：

20、设置于所述过渡层远离所述缓冲层一侧的超晶格结构层，所述超晶格结构层包括若干顺序叠层的第一超晶格层、第二超晶格层、······第n超晶格层；所述超晶格结构层为铝铟镓氮化物，相邻的超晶格层中铝、铟、镓三种元素的至少一种的组分含量不同；所述超晶格结构层靠近所述金刚石衬底一侧的铝含量大于靠近所述氮化镓外延层的一侧的铝含量。

21、本申请还公开了一种氮化镓外延片的制造方法，用于制造上述的氮化镓外延片，其包括：

22、在单晶金刚石衬底上制造晶格匹配层；

23、在所示晶格匹配层远离所述金刚石衬底的一侧制造氮化镓外延层。

24、可选地，所述晶格匹配层包括种子层、缓冲层、过渡层以及超晶格结构层中的其中一层或两层或三层或四层。

25、本申请还公开了一种半导体器件，所述半导体器件包括上述的氮化镓外延片。

26、与相关技术相比，本申请通过设置晶格匹配层来匹配单晶金刚石衬底与氮化镓外延层之间的晶格，从而可以直接在金刚石衬底上制备氮化镓外延层，简化了工艺流程，降低了制造成本。

27、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。

技术特征：

1.一种氮化镓外延片，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层包括种子层，所述种子层的厚度大于等于1nm，所述种子层的厚度小于等于10nm；所述种子层为氮化铝材质。

3.根据权利要求1所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层包括缓冲层，所述缓冲层的厚度大于等于0.2μm，所述缓冲层的厚度小于等于2微米；所述缓冲层为未掺杂的高阻氮化铝材质。

4.根据权利要求1所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层包括过渡层，所述过渡层的厚度大于等于0.3μm，所述过渡层的厚度小于等于3μm；所述过渡层为含镓氮化物，所述过渡层靠近所述金刚石衬底一侧的镓含量小于靠近所述氮化镓外延层的一侧的镓含量。

5.根据权利要求1所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层包括过渡层，所述过渡层的厚度大于等于0.3μm，所述过渡层的厚度小于等于3μm；所述过渡层为铟铝氮化物材质，所述过渡层自靠近所述金刚石衬底一侧至靠近所述氮化镓外延层的一侧，铟的含量逐渐靠近17％，铝的含量逐渐靠近83％。

6.根据权利要求1所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层包括超晶格结构层，所述超晶格结构层包括若干顺序叠层的第一超晶格层、第二超晶格层、······第n超晶格层；所述超晶格结构层为铝铟镓氮化物，相邻的超晶格层中铝、铟、镓三种元素的至少一种的组分含量不同。

7.根据权利要求6所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述超晶格结构层靠近所述金刚石衬底一侧的铝含量大于靠近所述氮化镓外延层的一侧的铝含量。

8.根据权利要求2所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层还包括：

9.根据权利要求8所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层还包括：

10.根据权利要求8所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层还包括：

11.根据权利要求9所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层还包括：

12.一种氮化镓外延片的制造方法，用于制造如权利要求1-11中任意一项所述的氮化镓外延片，其特征在于，包括：

13.根据权利要求12所述的氮化镓外延片的制造方法，其特征在于，所述晶格匹配层包括种子层、缓冲层、过渡层以及超晶格结构层中的其中一层或两层或三层或四层。

14.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括如权利要求1-11中任意一项所述的氮化镓外延片。

技术总结
本申请公开了一种氮化镓外延片及其制造方法及半导体器件。氮化镓外延片包括单晶金刚石衬底；晶格匹配层，晶格匹配层设置于金刚石衬底的一侧；氮化镓外延层，氮化镓外延层设置于晶格匹配层的远离金刚石衬底的一侧；晶格匹配层靠近氮化镓外延层的一侧的晶格常数匹配氮化镓材料的晶格常数。本申请通过设置晶格匹配层来匹配单晶金刚石衬底与氮化镓外延层之间的晶格，从而可以直接在金刚石衬底上制备氮化镓外延层，达到简化工艺流程、提升芯片性能降低了制造成本的目的。

技术研发人员：樊永辉,许明伟,樊晓兵
受保护的技术使用者：深圳市汇芯通信技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19