AlN模板及其生长方法、基于AlN模板的Si基GaN外延结构及其生长方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体外延工艺领域，涉及一种在Si衬底上生长AlN模板、GaN外延结构的方法，具体涉及一种AlN模板及其生长方法、基于AlN模板的Si基GaN外延结构及其生长方法。
【背景技术】
[0002]以GaN为代表的III族氮化物半导体材料因其大禁带宽度、高的击穿场强、高电子饱和速度和较高的热导率等特性，在光电转换器件、微波/毫米波大功率器件、电子电力器件和高温电子电路等领域具备非常优越的应用潜力。由于体单晶的制备极其困难，GaN材料的生长一般通过异质外延实现，较为适用的衬底有蓝宝石、SiC和Si衬底三种。目前商用化的GaN基材料和器件大多采用蓝宝石衬底；SiC衬底虽然与GaN失配很小，但由于成本昂贵，一般只用于军用大功率器件领域，且大尺寸衬底难以实现。随着产业的发展和竞争加剧，大尺寸和低成本的GaN外延技术开发成为一个重要的趋势，而Si衬底更容易实现大面积和高质量的制备，且成本明显低廉，同时还具备较好的导电性以实现异侧电极器件、优越的散热性能有利于大面积集成、相对简单的减薄、切割等加工工艺以及可以与传统Si基器件工艺兼容和集成等优势，因此，近年来Si基GaN材料获得了强烈的关注，其外延工艺技术成为氮化物半导体领域的研究热点之一。
[0003]由于GaN与Si之间较大的晶格常数差异(17%)和热膨胀系数差异(56%)，容易导致GaN层的位错密度很大，晶体质量不高，且GaN层受到Si衬底的很大张应力，生长厚度超过一定值后便会产生表面裂纹，达到器件制备所需质量和厚度的Si基GaN外延材料的生长具有较大的难度。一般地，首先生长一层AlN缓冲层，作为压应力的来源，以平衡GaN所受的张应力，是Si基GaN工艺的基本方案。同时，由于张应力的影响，在Si上生长AlN缓冲层厚度受到很大限制，其与其他缓冲层结构进行搭配才能达到比较理想的应力调控效果，如梯度Al组分的AlGaN多层结构、渐变Al组分的AlGaN、AlN/GaN超晶格结构、SiNx/GaN超晶格结构等。近年来研究者对于上述结构及其组合进行了较为广泛的研究，取得了一定的效果。目前Si基GaN在小尺寸衬底上取得了较好的工艺突破，但现有工艺技术对于大尺寸衬底Si基GaN制备存在裂纹控制不佳，工艺稳定性不强等问题，其原因在于:在Si衬底可以承受的生长温度范围内，Al原子的表面迀移率并不强，因此在一般的工艺条件下，初始层AlN为三维生长状态，表面粗糙度较大，晶体质量不高，一方面对于后续生长引入过多的缺陷，在其基础上也难以实现更厚、更充分的多重结构来进一步增强应力调控和缺陷控制；另一方面，为了改善整体生长质量，后续的应力缓冲层难以采用高Al组分的AlGaN以免表面进一步恶化，因此AlN/AlGaN缓冲层的应力调控效果打了一定折扣，难以满足对应力调控要求更高的大尺寸Si基GaN的生长要求。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有较低的表面粗糙度和缺陷密度的AlN模板及其生长方法，还提供一种可强化应力调控和位错控制效果、对晶格失配和热失配进行有效抑制、稳定地在MOCVD设备上实现大尺寸Si基GaN的无裂纹、低缺陷密度外延生长的基于AlN模板的Si基GaN外延结构及其生长方法。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:
一种AlN模板，生长于Si衬底上，所述AlN模板无微裂纹，厚度为10nm?400nm，表面粗糙度在2nm以下，无柱状晶或孔洞型缺陷；所述AlN模板的生长过程中包括先后生长成核控制层和稳定生长层。
[0006]作为一个总的技术构思，本发明还提供一种AlN模板的生长方法，包括以下步骤:
(1)将硅衬底置于MOCVD反应装置中，在H2气氛下高温烘烤，进行表面除杂；
(2)向反应装置中通入TMAl(即三甲基铝)，在所述硅衬底表面沉积岛状结构的金属Al层，得到带Al岛的娃衬底；
(3)将带Al岛的硅衬底进行原位退火(即保温下维持一定时间)；
(4)向反应装置中通入NH3，使原位退火后的Al岛表面生成A1N，得到成核控制层，作为后续生长的成核中心；
(5)向反应装置中同时通入TMAl和NH3，进行AlN稳定生长层的生长，得到AlN模板。
[0007]上述的AlN模板的生长方法中，优选的，所述步骤(2)中TMAl的流量小于步骤(5)中TMAl的流量；所述步骤(4)中顯3的流量小于或等于步骤(5)中NH3的流量；所述步骤
(5)中，所述见13与TMAl的摩尔流量比为100?500。步骤(2)和步骤(5)中，TMAl的流量均采用体积流量或者均采用质量流量都可以，步骤(4)和步骤(5)中，册13的流量均采用体积流量或者均采用质量流量都可以。
[0008]上述的AlN模板的生长方法中，优选的，所述步骤(2)中TMAl的流量为步骤(5)中TMAl的流量的1/5?1/2 ;所述步骤(4)中顯3的流量为步骤(5)中順3的流量的1/2?I。
[0009]上述的AlN模板的生长方法中，优选的，所述步骤(5)还包括向反应装置中通入Ga源，所述Ga源与步骤(5)中TMAl的摩尔流量比小于5%。
[0010]上述的AlN模板的生长方法中，优选的，所述步骤(I)中，所述高温烘烤的温度为1050°C?1200°C;所述步骤(2)?步骤(5)中，硅衬底温度均控制在1100°C?1250°C，反应装置中反应室的压力均控制在20Torr?lOOTorr。
[0011 ] 上述的AlN模板的生长方法中，优选的，所述步骤(2)中，所述TMAl的通入时间为5s?20s ;所述步骤(3)中，所述原位退火的时间为5s?60s ;所述步骤(4)中，所述册13的通入时间为5s?20s。
[0012]上述的AlN模板的生长方法中，优选的，所述Si衬底为Si晶圆衬底，所述Si晶圆衬底具有〈111〉晶向或〈100〉晶向，直径为2英寸?12英寸；所述AlN模板的厚度为10nm ?400nm。
[0013]作为一个总的技术构思，本发明还提供一种基于AlN模板的Si基GaN外延结构，所述基于AlN模板的Si基GaN外延结构包括由下至上依次层叠的Si基体、AlN模板层、AlxGa1 XN应力缓冲层、超晶格过渡层和周期性交替排列的GaN生长层与插入层；所述AlN模板层是由上述的AlN模板或者上述的AlN模板的生长方法制得的AlN模板构成。
[0014]上述的基于AlN模板的Si基GaN外延结构中，优选的，所述AlN模板层的厚度为10nm ?250nmo
[0015]上述的基于AlN模板的Si基GaN外延结构中，优选的，所述AlxGa1 XN应力缓冲层中，X值为0.1?0.9 (总范围)；所述AlxGalxN应力缓冲层包含3层以上(包括3层)具有不同Al原子百分数(即X值)的AlxGa1 XN子层，且自下而上每层AlxGa1 XN子层的Al原子百分数呈递减状态，每层AlxGa1 XN子层的生长厚度呈递增状态；所述AlxGa1 -应力缓冲层中，AlxGa1 XN子层的叠加总厚度为500nm?1500nm。
[0016]上述的基于AlN模板的Si基GaN外延结构中，优选的，所述AlxGa1 XN应力缓冲层中AlxGa1 XN子层的层数为3?6层；所述AlxGa1 XN应力缓冲层中，自下而上首层AlxGa1 XN子层的Al原子百分数为60%?80%，末层AlxGa1 XN子层的Al原子百分数为20%?40%。
[0017]上述的基于AlN模板的Si基GaN外延结构中，优选的，所述超晶格过渡层为AlyGa1 yN层与GaN层交替排列的周期性结构，其中，y值为20%?80% MlyGa1 yN层的单层厚度为Inm?10nm，GaN层的单层厚度为Inm?10nm，所述超晶格过渡层的周期数为20pairs ?50pairso
[0018]上述的基于AlN模板的Si基GaN外延结构中，优选的，所述周期性交替排列的GaN生长层与插入层中，最上层为GaN生长层(即周期性交替排列的结束层为