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，具有廣泛的應用前景和經(jīng)濟價值。然而，GaN晶體也是最難以獲得的半導體材料之一。 GaN單晶襯底非常難以制備且價格極其昂貴，這一瓶頸極大地制約了GaN技術的發(fā)展前途。過去幾十年，最常用的解決方法是在藍寶石、SiC等襯底上通過異質外延生長獲得GaN薄膜材料。與常用的藍寶石、SiC襯底相比，Si襯底作為Ga

2、N的外延襯底不僅價格低廉，而且比較容易實現(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。不僅典型位錯密度高于其它常用襯底，而且嚴重時可導致外延薄膜開裂，根本無法達到制造器件的要求。為了降低Si基GaN外延薄膜的應力，提高GaN薄膜的晶體質量，本文采用的外延技術是圖形化襯底技術以及加頂部限制層的橫向外延技術，并研究GaN晶體在這些結構中的外延

3、質量。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在小尺寸的圖形化結構中的選擇性外延有利于減少GaN和Si襯底異質界面上的應力累積，減少位錯數(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選擇性異質外延，可阻斷外延時產(chǎn)生的貫通位錯。因此我們設計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。結合AlN緩沖層技術，在這些小且深的孔洞中進行GaN晶體的外延生長。實驗發(fā)現(xiàn)在這些小且深的孔洞中獲得了幾乎無位錯的高質量GaN晶體，并且這

4、些孔洞結構對異質外延產(chǎn)生的位錯過濾效果明顯。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的器件。為實現(xiàn)更大尺寸GaN半導體器件的制造，本課題在上述小孔中獲得高質量GaN材料的基礎上，采用了2種方法：在小孔中 GaN生長之后，在掩膜層上面進行橫向外延，小孔陣列的GaN進行合并，以增大GaN的橫向面積；利用加頂部限制層的橫向外延技術在橫向距離8um或者25 um，高度為300 nm的空腔結構中外延大面積GaN薄膜。實驗發(fā)現(xiàn)，

5、小孔正上方區(qū)域的GaN質量很高，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；加頂部限制層的橫向外延結構樣品中，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，設計了多種亞微米、納米圖形尺寸和深寬比，并且設計了多種加頂部限制層的橫向外延空腔結構。實驗證明，深的亞微米結構確實可以起到減少位錯的作用，并提高GaN的晶體質量。同時在此基礎上，通過在掩膜層上面直接進行橫向外延，或者利用加頂部限制層