[发明专利]一种降低SiC衬底上GaN薄膜内张应力的外延结构及其制备方法

说明书

一种降低SiC衬底上GaN薄膜内张应力的外延结构及其制备方法，属于半导体材料外延生长领域。其依次由SiC衬底、AlN成核层、Al组份x1从1到0线性渐变的Al_x1Ga_1‑x1N缓冲层、GaN层、孔状结构SiN_x2插入层、GaN层构成。在AlN成核层和GaN层之间引入Al组份x1从1到0线性变化的渐变Al_x1Ga_1‑x1N缓冲层，有利于因晶格差异而产生的压应力保存在渐变Al_x1Ga_1‑x1N缓冲层和GaN层中。此外，由于Ga原子和N原子在SiN_x2插入层表面的黏附系数很低，因此SiN_x2插入层上的GaN层不能在SiN_x2上成核，只能在未被SiN_x覆盖处成核，为三维岛状的生长模式，当这些GaN成核岛横向过生长SiN_x插入层时就会产生晶格的弛豫，使GaN层的张应力减小。

技术领域

本发明属于半导体材料外延生长技术领域，具体涉及一种降低SiC衬底上GaN薄膜内张应力的外延结构及其制备方法。

背景技术

GaN及其合金化合物AlInGaN是重要的半导体材料，在光电子器件方面有着广泛的应用，如LED和LD。由于GaN衬底的短缺，大部分GaN基器件都是在异质衬底上通过异质外延的方法而制备的，这些异质衬底主要包括Si、SiC和蓝宝石，其中SiC被认为更适合作为GaN材料及其器件的异质外延衬底，原因主要有以下四个方面：(1)SiC与GaN的晶格失配约为3.4％，远低于蓝宝石与GaN间的晶格失配(约16.9％)以及Si与GaN间的晶格失配(约17％)，因此采用SiC作为衬底可以获得更高质量的GaN薄膜；(2)SiC衬底具有高的热导率(4.9W/(cm·K))，适合于制备大功率的GaN基器件；(3)SiC衬底可以沿着m面解理，有助于GaN基LD器件获得平滑的解理腔面；(4)SiC衬底有良好的n型导电特性，可以用于制备垂直导电结构的GaN基LED和LD，垂直结构器件的n型欧姆接触电极不用通过刻蚀做到n型GaN顶部，因此芯片面积可以做的更小，而且还省去了干法刻蚀这一工艺步骤，使成本降低。然而，SiC和GaN之间存在较大的热失配(约33.1％)，在高温下(1050℃左右)外延结束降低温度到室温的过程当中，GaN薄膜中会产生很大的张应力，一般来说当SiC衬底上外延的GaN薄膜厚度超过1微米就容易产生裂纹，即使薄膜不产生裂纹也会在薄膜产生大的残余张应力，这些裂纹和残余张应力对器件的发光性能和稳定性非常不利，因此降低SiC衬底上GaN薄膜中的张应力对于制备高性能的GaN基光电子器件具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述SiC衬底上GaN薄膜中存在的较大张应力的问题，从降低SiC衬底上GaN薄膜中张应力和提高其晶体质量等方面考虑，通过引入Al组份渐变的AlGaN缓冲层和SiN_x插入层，可以在SiC衬底上制备出低张应力值的GaN薄膜。

本发明所设计的一种降低SiC衬底上GaN薄膜内张应力的外延结构(见附图1和附图说明)，其特征在于：其从下至上依次由SiC衬底1、AlN成核层2、Al组份x1从1到0线性渐变的Al_x1Ga_1-x1N缓冲层3、GaN层4、SiN_x2插入层5、GaN层6构成，其中0<x2<1；

如上所述的一种降低SiC衬底上GaN薄膜内张应力的外延结构，其特征在于：在AlN成核层2和GaN外延层4之间引入了Al组份x1从1到0线性渐变的Al_x1Ga_1-x1N缓冲层3。

如上所述的一种降低SiC衬底上GaN薄膜内张应力的外延结构，其特征在于：在GaN层4和GaN层6间引入SiN_x2插入层5，SiN_x2插入层5为孔状结构特性。