阅读说明：本技术 一种氮化镓晶体的制备方法 (Preparation method of gallium nitride crystal ) 是由 李东键 叶宏伦 钟健 钟其龙 刘崇志 张本义 于 2020-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种氮化镓晶体的制备方法,其在半导体基板与氮化镓外延层之间形成转移层,利用该转移层的巨变特性,解决氮化镓与半导体基板之间的晶格常数不匹配和膨胀因子不匹配的问题,同时制备出缺陷密度低、平整性优异的氮化镓晶体。(The invention relates to a preparation method of gallium nitride crystal, which forms a transfer layer between a semiconductor substrate and a gallium nitride epitaxial layer, solves the problems of lattice constant mismatch and expansion factor mismatch between the gallium nitride and the semiconductor substrate by utilizing the giant variable characteristic of the transfer layer, and simultaneously prepares the gallium nitride crystal with low defect density and excellent flatness.)

一种氮化镓晶体的制备方法

技术领域

本发明涉及氮化镓晶体技术领域，具体涉及一种氮化镓晶体的制备方法。

背景技术

近年来，在硅功率半导体器件同时扩展器件的高速运行和端电压特性极限，是十分必要的。尽管近年来FET器件的产品开发十分便利，但器件在运行速度、功耗、过压、可靠性和电源运行方面的性能仍需要大量的开发。因此，关注到利用III-Nitride系统半导体（如具有高温、高温、高压特性的GaN）的高功率高压器件技术。

目前，GaN晶体在蓝宝石或SiC基板上，使用HVPE方法，以基板形式实现现有GaN晶体生长。由于基板和GaN晶体的晶格常数和热膨胀系数的差异，这种生长在确保质量方面存在许多困难，例如晶圆的缺陷和形状。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种氮化镓晶体的制备方法，其能制备出高质量的氮化镓晶体。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种氮化镓晶体的制备方法，其包括

步骤1、在半导体基板上依次生长Si_xGe_1-x层和Ge层，其中，Si_xGe_1-x层作为Ge层的缓冲层，Si_xGe_1-x层和Ge层的生长温度为350℃-850℃，0<x<1；

步骤2、在Ge层上生长GaN外延层，其生长温度小于Ge层的熔化温度；

步骤3、在GaN外延层上生长GaN晶体层，其生长温度为1000℃以上；

当GaN晶体层生长过程中，Ge层被熔化，SiGe层中含有高浓度Ge的部分消失，GaN外延层和GaN晶体层与半导体基板分离，从而得到独立的GaN晶体。

所述步骤1中，Si_xGe_1-x层生长时两次或多次分级调整x值，或者线性调整x值，x值调整由大变小。

所述Si_xGe_1-x层的生长厚度为0.2-1.5μm；所述Ge层生长厚度在1μm以上。

所述Si_xGe_1-x层和Ge层的生长采用原子高压化学气相沉积、低压化学气相沉积、减压化学气相沉积、超高真空化学气相沉积或分子束外延方法。

所述步骤2中，采用分子束外延方法生长GaN外延层，生长温度为450℃-800℃，生长厚度在0.1μm以上。

所述步骤3中，采用氢化物气相外延方法进行GaN晶体的生长。

所述GaN晶体层的生长过程中，首先，采用900℃-943℃的温度下生长30分钟以上，然后再采用1000℃的温度继续生长。

采用上述方案后，本发明通过在半导体基板与氮化镓外延层之间形成转移层，利用该转移层的巨变特性，解决氮化镓与半导体基板之间的晶格常数不匹配和膨胀因子不匹配的问题，同时制备出缺陷密度低、平整性优异的氮化镓晶体。本发明氮化镓晶体的制备成本低，制备简单，且能够实现氮化镓晶体的大尺寸生长。

附图说明

图1为本发明制备过程的结构示意图；

图2为本发明制备过程的Ge熔化示意图；

图3为自动分离后的GaN晶体。

标号说明：

半导体基板1；Si_xGe_1-x层2；Ge层3；GaN外延层4；GaN晶体层5。

具体实施方式

本发明揭示了一种氮化镓晶体的制备方法，其在半导体基板1与氮化镓外延层之间形成转移层，利用该转移层的巨变特性，解决氮化镓与半导体基板1之间的晶格常数不匹配和膨胀因子不匹配的问题，同时制备出缺陷密度低、平整性优异的氮化镓晶体。

本发明中的转移层是利用锗（Ge）来实现的，锗与常用的半导体基材的晶格常数差异较小，但为了提高锗的生长质量，可以利用SiGe作为缓冲层，从而将锗的缺陷密度控制在10⁵/cm²以下。

如图1至图3所示，本发明具体包括以下步骤：

步骤1、在半导体基板1上依次生长SixGe1-x层2和Ge层3，其中，SixGe1-x层2作为Ge层3的缓冲层。

本发明中，半导体基板1为Si基板，SixGe1-x层2生长时可两次或多次分级调整x值，或线性调整x值，x值调整由大变小，0<x<1。SixGe1-x层2的生长温度为350℃-850℃，生长厚度为0.2-1.5μm。

Ge层3的生长温度为350℃-850℃，生长厚度在1μm以上。SixGe1-x层2和Ge层3的生长可以采用原子高压化学气相沉积（APCVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）、减压化学气相沉积（RPCVD）和超高真空化学气相沉积（UHVCVD）或分子束外延（MBE）方法。

步骤2、在Ge层3上生长GaN外延层4，其生长温度小于938℃，938℃为Ge层3的熔化温度。

具体地，可以采用分子束外延（MBE）方法生长GaN外延层4，生长温度为450℃-800℃，生长厚度在0.1μm以上。

步骤3、在GaN外延层4上生长GaN晶体层5，其生长温度为1000℃以上。

本发明中采用氢化物气相外延（HVPE）方法进行GaN晶体的生长，生长速率可在20μm/hr，生长厚度在50μm以上。

若GaN外延层4不足以承受高温时，在生长GaN晶体层5的过程中，首先采用900℃-943℃的温度下生长30分钟以上，以保证GaN外延层4的性能，同时防止Ge层3迅速灭绝。然后再采用1000℃的温度继续生长GaN晶体层5。

在1000°C以上的高温过程中，当GaN晶体层5生长时，Ge层3被熔化，SiGe层3中含有高浓度Ge的部分也会消失。这样，在GaN晶体层5生长完成时，GaN外延层4和GaN晶体层5就会与半导体基板1分离，从而得到独立的GaN晶体。因为在生长过程中以及与基材分离的过程中，该GaN晶体在热捧场方面没有差异，具有优异的平整性。

在使用时，将GaN外延层4进行抛光处理后，可以提高GaN晶体质量。本发明可应用于大尺寸晶圆（200mm），如果开发大直径HVPE工艺（＞200mm），它可用于生长到200 mm以上。

以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。