[发明专利]氮化物外延片及其制备方法和半导体器件

说明书

本申请实施例提供一种氮化物外延片，包括衬底；成核层，形成于所述衬底上，所述成核层为氮化铝层或氮化镓层；二维材料层，形成于所述成核层上，所述二维材料层由多块小尺寸二维材料薄膜拼接形成，或者所述二维材料层由二维材料在所述成核层上原位生长形成；外延层，形成于所述二维材料层上，所述外延层的材质包括第三主族金属氮化物。通过在衬底上设置成核层，并通过拼接或原位生长的方式在成核层上形成二维材料层，能够有效缓解衬底和外延层之间由于晶格失配和热失配产生的应力，降低外延翘曲的发生，提高氮化物外延片的均匀性和可靠性。本申请实施例还提供一种氮化物外延片的制备方法和包含该氮化物外延片的半导体器件。

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种氮化物外延片及其制备方法和半导体器件。

背景技术

氮化镓(GaN)材料由于禁带宽度大、迁移率高等优势，被广泛用于功率器件、射频器件和光电器件中。目前，氮化镓材料通常是在硅衬底上外延生长得到。然而，由于GaN与硅之间存在超过17％的大晶格失配和热膨胀系数失配，因此在硅基氮化镓中会存在巨大应力，这些应力会导致外延中产生翘曲，从而影响GaN外延片的均匀性和可靠性。而且随着衬底尺寸的增大，以及外延层厚度的增加，翘曲的问题将变得越来越严重。因此，有必要寻求一种可以有效缓解应力，降低翘曲发生的氮化镓外延生长方法。

发明内容

本申请实施例提供一种氮化物外延片及其制备方法和半导体器件，通过在衬底上设置成核层，并通过拼接或原位生长的方式在成核层上形成二维材料层，能够有效缓解释放衬底和外延层之间由于晶格失配和热失配产生的应力，降低外延过程中和外延后翘曲，提升氮化物外延片的均匀性和可靠性，进而提升半导体器件的性能。

本申请实施例第一方面提供一种氮化物外延片，包括：

衬底；

成核层，形成于所述衬底上，所述成核层为氮化铝(AlN)层或氮化镓层；

二维材料层，形成于所述成核层上；所述二维材料层由多块小尺寸二维材料薄膜拼接形成，或者所述二维材料层由二维材料在所述成核层上原位生长形成；

外延层，形成于所述二维材料层上，所述外延层的材质包括第三主族金属氮化物。

其中，成核层可为后续生长氮化物外延层提供成核中心，缓解衬底与外延层的晶格失配，同时还可以有效阻挡衬底带来的杂质对后续氮化物外延层的生长产生的影响，提高外延层的晶体质量。而二维材料层可利用晶格滑移直接释放应力，显著降低外延翘曲的发生，提高氮化物外延层的均匀性和晶体质量。其中，通过拼接方式形成的二维材料层，尤其可以有效降低大尺寸(6英寸及以上)、厚膜(5μm及以上)氮化物外延层的翘曲发生，获得大尺寸、大厚度、高质量氮化物外延片。而通过原位生长的方式形成的二维材料层能够有效避免二维材料转移过程可能产生的破损，可与外延层一样采用沉积工艺制备。

本申请一实施方式中，所述二维材料层由多块小尺寸二维材料薄膜拼接形成。通过有目的地选择多块高质量的小尺寸二维材料薄膜拼接形成二维材料层，可以获得整体质量较高的二维材料层，很好地实现应力释放，从而顺利制备获得高质量6英寸及以上的大尺寸氮化物外延片。

本申请实施方式中，部分或任意相邻两块所述小尺寸二维材料薄膜之间具有拼接缝隙。拼接缝隙的设置可以避免二维材料层在拼接处出现叠层现象。

本申请一些实施方式中，所述拼接缝隙宽度大于或等于0.1μm，且小于或等于所述小尺寸二维材料薄膜上最大两点间距离的1/2。合理控制拼接缝隙尺寸，既能防止二维材料叠层的出现，又能较好地保证二维材料层在成核层上具有一定的面积占比，有利于发挥其应力释放作用。

本申请一些实施方式中，所述二维材料层在所述成核层上所占的面积比例不低于50％。二维材料层在成核层上具有一定的面积占比，有利于发挥其应力释放作用。