基于亞微米深孔的Si襯底上GaN選擇性外延及橫向外延.pdf

1、GaN是一種性能優(yōu)越的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，直接帶隙寬度為3.4eV，可以被用于制造高性能光電子器件、高功率電力器件以及高頻電子器件等，具有廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然而，GaN晶體也是最難以獲得的半導(dǎo)體材料之一。 GaN單晶襯底非常難以制備且價(jià)格極其昂貴，這一瓶頸極大地制約了GaN技術(shù)的發(fā)展前途。過去幾十年，最常用的解決方法是在藍(lán)寶石、SiC等襯底上通過異質(zhì)外延生長獲得GaN薄膜材料。與常用的藍(lán)寶石、SiC襯底相比，Si襯底作為Ga

2、N的外延襯底不僅價(jià)格低廉，而且比較容易實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有主流Si基CMOS集成電路及其它Si基器件和系統(tǒng)的集成。然而，GaN與Si襯底之間的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配是GaN在其上生長的兩大阻礙。不僅典型位錯(cuò)密度高于其它常用襯底，而且嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致外延薄膜開裂，根本無法達(dá)到制造器件的要求。為了降低Si基GaN外延薄膜的應(yīng)力，提高GaN薄膜的晶體質(zhì)量，本文采用的外延技術(shù)是圖形化襯底技術(shù)以及加頂部限制層的橫向外延技術(shù)，并研究GaN晶體在這些結(jié)構(gòu)中的外延

3、質(zhì)量。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在小尺寸的圖形化結(jié)構(gòu)中的選擇性外延有利于減少GaN和Si襯底異質(zhì)界面上的應(yīng)力累積，減少位錯(cuò)數(shù)量，并且避免外延薄膜開裂。另外，在高深寬比的小孔中的GaN選擇性異質(zhì)外延，可阻斷外延時(shí)產(chǎn)生的貫通位錯(cuò)。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了亞微米以及納米尺度的小孔圖形，且小孔深寬比大于1：1。結(jié)合AlN緩沖層技術(shù)，在這些小且深的孔洞中進(jìn)行GaN晶體的外延生長。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在這些小且深的孔洞中獲得了幾乎無位錯(cuò)的高質(zhì)量GaN晶體，并且這

4、些孔洞結(jié)構(gòu)對(duì)異質(zhì)外延產(chǎn)生的位錯(cuò)過濾效果明顯。⑵小孔中的GaN材料面積太小，無法制作橫向尺寸超過亞微米量級(jí)的器件。為實(shí)現(xiàn)更大尺寸GaN半導(dǎo)體器件的制造，本課題在上述小孔中獲得高質(zhì)量GaN材料的基礎(chǔ)上，采用了2種方法：在小孔中 GaN生長之后，在掩膜層上面進(jìn)行橫向外延，小孔陣列的GaN進(jìn)行合并，以增大GaN的橫向面積；利用加頂部限制層的橫向外延技術(shù)在橫向距離8um或者25 um，高度為300 nm的空腔結(jié)構(gòu)中外延大面積GaN薄膜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，

5、小孔正上方區(qū)域的GaN質(zhì)量很高，但相鄰小孔生長出的GaN在合并區(qū)域產(chǎn)生大量層疊位錯(cuò)；加頂部限制層的橫向外延結(jié)構(gòu)樣品中，橫向外延距離為8um的樣品成功生長出了GaN晶體。⑶充分的利用GaN的選擇性生長這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多種亞微米、納米圖形尺寸和深寬比，并且設(shè)計(jì)了多種加頂部限制層的橫向外延空腔結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)證明，深的亞微米結(jié)構(gòu)確實(shí)可以起到減少位錯(cuò)的作用，并提高GaN的晶體質(zhì)量。同時(shí)在此基礎(chǔ)上，通過在掩膜層上面直接進(jìn)行橫向外延，或者利用加頂部限制層