[发明专利]一种GaN‑on‑Si晶圆的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体领域，涉及一种GaN-on-Si的晶圆制备方法，尤其涉及一种利用MOCVD反应腔制备GaN-on-Si晶圆的方法。

背景技术

随着能效标准不断提高，基于硅(Si)材料的功率器件的改进空间越来越小；人们将目光投向新材料领域，以期实现根本改进，引发新一代功率器件技术的革命性突破。

众多新材料中，基于氮化镓(GaN)的复合材料最引人关注。GaN基功率器件具有击穿电压高、电流密度大、开关速度快以及工作温度高等优点，性能远优于Si基器件；采用GaN基功率开关器件的电子系统效率可改善3.5～7％，体积可减小35％，兼具高性能和高可靠性。GaN外延材料可以选择多种衬底，其中Si衬底上外延生长GaN具有明显的成本优势，一方面Si衬底的价格很低，另一方面Si衬底的尺寸较大(8英寸)，能够形成大规模生产的优势。

目前制备硅基氮化镓(GaN-on-Si)晶圆的主要方案是利用现有的MOCVD(金属有机化学气相沉积)设备来制备。

MOCVD设备作为一种典型的CVD设备，能够提供在晶片(例如蓝宝石外延片)表面生长用于发光的晶体结构GaN(氮化镓)时所需的温度、压力和化学气体组分等条件。MOCVD设备中设有真空的反应腔，反应腔中设有托盘，通过进气装置(例如喷淋头)将反应气体引入反应腔内，并输送到放置在托盘上的晶片的表面进行处理，从而生长出特定的晶体结构例如GaN结构。

但是，现有的MOCVD设备主要是针对蓝绿光的光电二极管(LED)，其 特点是在一个反应腔内完成全部生长步骤，直至得到所需的材料结构为止。因此利用目前的MOCVD设备制备GaN-on-Si晶圆的方法均或多或少存在一些问题，如氮化铝的生长速率较低、铝利用效率较低、GaN-on-Si晶圆质量较差等。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种利用多个金属有机化学气相沉积装置(MOCVD)反应腔分步骤制得GaN-on-Si晶圆的方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种利用金属有机化学气相沉积装置制备GaN-on-Si晶圆的方法，所述金属有机化学气相沉积装置包括两个不同的反应腔，具体包括以下步骤：

在第一反应腔内通过外延反应在硅基衬底上沉积AlN(氮化铝)薄膜，再在AlN薄膜上沉积组成为Al_xGa_1-xN的第一缓冲层，其中A＜X≤0.9，A为0.4～0.6；

将沉积有AlN薄膜和第一缓冲层的硅基衬底转移至第二反应腔内；

在第二反应腔内通过外延反应进一步沉积组成为Al_YGa_1-YN的第二缓冲层，其中0.1≤Y≤A，A为0.4～0.6，然后在该第二缓冲层上沉积GaN层，制备得到GaN-on-Si晶圆。

其中，在沉积的组成为Al_xGa_1-xN的第一缓冲层中A＜X≤0.9，X可为0.5、0.6、0.7、0.8或0.9等，A为0.4～0.6，例如0.4、0.5或0.6。

在沉积的组成为Al_YGa_1-YN的第二缓冲层中0.1≤Y≤A，Y可为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5或0.6等，A为0.4～0.6，例如0.4、0.5或0.6。

作为本发明的优选方案，第一反应腔和第二反应腔均是金属有机化学气相 沉积反应腔，第一反应腔的高度小于第二反应腔；其中，所述的“高度”是指反应腔中喷淋头下表面至托盘上表面之间的距离。

作为本发明的优选方案，第一反应腔高度为15～25mm，例如15mm、17mm、20mm、23mm或25mm等；第二反应腔高度为50～100mm，例如50mm、60mm、70mm、80mm、90mm或100mm等。

本发明根据制备得到的GaN-on-Si晶圆中AlGaN缓冲层中铝组分含量的多少，将AlGaN缓冲层分为高铝组分AlGaN缓冲层和低铝组分AlGaN缓冲层，其中高铝组分AlGaN缓冲层为组成为Al_xGa_1-xN的第一缓冲层，A＜X≤0.9；低铝组分AlGaN缓冲层为组成为Al_YGa_1-YN的第二缓冲层，0.1≤Y≤A，其中A为0.4～0.6。