一种用于SOI基GaN晶圆及其制备方法

摘要

本发明涉及一种用于SOI基GaN晶圆及其制备方法，所述GaN晶圆由下到上依次包括：SOI衬底、AlN成核层、AlxGayN超晶格、碳掺杂氮化镓C:GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN/AlN异质结、GaN盖帽层。采用优化的SOI定制参数和C:GaN/AlGaN/AlN异质结技术，利用异质结的晶格失配去匹配GaN与SOI间的热失配，避免了SOI基GaN晶圆在高温生长和降温过程中曲翘过大，甚至引发裂纹等问题，有助于GaN功率电子实现单芯片集成。

说明书

技术领域

本发明属于GaN晶圆及其制备领域，特别涉及一种用于SOI基GaN晶圆及其制备方法。

背景技术

单芯片集成的氮化镓(GaN)功率电子可以有效抑制封装、PCB连接和驱动电路等引入的寄生效应，而且可以大幅降低芯片尺寸和数量，并提高设计灵活性。

硅上GaN(GaN-on-Si)具有低成本、大尺寸等优势，是GaN晶圆的发展趋势，但是共用硅衬底而引发的器件串扰、背底效应等使得GaN-on-Si单芯片集成极具挑战。若采用绝缘体上硅(SOI)基GaN(GaN-on-SOI)，借助于SOI BOX层(SiO

但是，Si与GaN热膨胀系数差异较大，即存在着较大的热失配，且SOI中BOX层(SiO

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于SOI基GaN晶圆及其制备方法，克服现有技术无法制备低缺陷密度、大尺寸、无器件串扰GaN晶圆的缺陷。

本发明提供一种SOI基GaN晶圆，所述GaN晶圆由下到上依次包括：SOI衬底、AlN成核层、Al

所述SOI衬底包括顶层硅、BOX层SiO

所述顶层硅厚度为0.1-10μm，晶向为(111)、(100)；BOX层SiO

进一步地，所述顶层硅的掺杂类型为P型掺杂，顶层硅电阻率为0.002-200Ohm·cm，BOX层和顶层硅的厚度比值为0.01-10。

所述AlN成核层的厚度为20-500nm。

所述Al

所示多层不同Al、Ga组分的超晶格为4-20层。

所述碳掺杂氮化镓C:GaN缓冲层总厚度1-10μm；所述GaN沟道层的厚度50-500nm；所述GaN盖帽层的厚度为1-50nm。

所述AlGaN/AlN异质结中AlGaN厚度1-100nm，AlGaN中Al组分元素摩尔含量为10-50％；AlN厚度为0.5-10nm。

本发明的一种SOI基GaN晶圆的制备方法，包括：

在SOI衬底表面依次进行AlN成核层生长、Al

所述SOI衬底进行预处理，具体为：在MOCVD腔体内，对SOI晶圆表面进行12-15s的TMAl预处理，温度800-1200℃，载气为H

所述AlN成核层生长方法采用MOCVD、MBE、ALD中的一种；Al

本发明的一种所述SOI基GaN晶圆在GaN功率电子领域中的应用。

本发明主要应用于高压高频GaN功率电子领域，结合SOI全介质隔离的天然优势和GaN宽禁带优势，可制备高质量、大尺寸的GaN-on-SOI晶圆(避免了键合前剥离过程引入的缺陷；GaN晶圆尺寸与SOI衬底尺寸一致，衬底有多大，晶圆就可以有多大)，有助于实现高性能GaN单芯片集成。

本发明中采用优化的SOI定制参数(如顶层硅的掺杂类型和电阻率、BOX层和顶层硅的厚度比例)和C:GaN/AlGaN/AlN异质结技术，利用异质结的晶格失配去匹配GaN与SOI间的热失配，避免了SOI基GaN晶圆在高温生长和降温过程中曲翘过大，甚至引发裂纹等问题，有助于GaN功率电子实现单芯片集成。

附图说明

图1为实施例1GaN-on-SOI晶圆表面原子力显微镜(AFM)的微观形貌照片；

图2为实施例1GaN-on-SOI晶圆的光致发光光谱(PL)的表征数据；

图3为本发明的GaN-on-SOI晶圆的制备流程；

图4为对比例1的GaN-on-SOI晶圆表面原子力显微镜(AFM)的微观形貌照片；

图5为对比例1的GaN-on-SOI晶圆的光致发光光谱(PL)的表征数据；

图6为实施例1GaN-on-SOI晶圆所制备的HEMT器件输出特性曲线；

图7为SOI基GaN HEMT器件结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Al前驱体：三甲基铝(TMAl)，纯度≥99.9999％；

Ga前驱体：三甲基镓(TMGa)，纯度≥99.9999％；

NH

实施例1

1.选用如下参数的SOI衬底材料，如下表1所示：

表1

2.通过MOCVD法在SOI表面从下至上依次沉积，如下表2所示：

表2

GaN晶圆的具体制备方法：首先在MOCVD腔体内，对SOI晶圆表面进行12-15s的TMAl预处理，温度1060℃，载气为H

表3

具体实测性能参数如表4所示：

表4

AlGaN势垒层厚度23.55nm(中心)and 23.58nm(边缘)。

如图1所示，结构表明：粗超度RMS仅有0.6nm；

如图2所示，结果表明：翘曲度仅有26.8μm。

通过本发明材料所制备的GaN HEMT器件(如图7所示)，即使在高达400V的源漏电压(V

对比例1

若选用如下表5所示的SOI衬底，并将C:GaN/Al

表5