叠设高掺杂层的GaN单晶衬底的制作方法

叠设高掺杂层的gan单晶衬底
技术领域
1.本实用新型特别涉及一种叠设高掺杂层的gan单晶衬底，属于半导体技术领域。


背景技术：

2.近年来，氮化镓(gan)材料作为第三代半导体的核心，以其独有的优势，成为了制备高温、高压、高频、高功率、抗辐射的微电子器件以及短波长、大功率光电子器件的理想材料。但是目前，应用市场中的需求量与当前实际的供给量之间存在着数量上以及质量上的巨大缺口，开发适合规模制造高质量gan衬底的生产技术对发展器件产业至关重要。在此背景下，助熔剂法(na
‑
flux)作为一种近热力学平衡状态下的生长方法，成为了研究热点。
3.与其他生长方式相比，助熔剂法提供了一种可以在相对温和的生长条件下获得高质量gan单晶的方法，且生长速率可达～30μm/h，具备了产业化批量生产的可行性。同时，在助熔剂的生长中，通过对生长温度、压力等实验条件及实验过程的进一步调控，可获得连续有效的晶体生长，进而得到大尺寸、高质量的氮化镓单晶。国内外许多研究团队都已经投入了对助熔剂法的研究之中，主要有：日本大阪大学、日本东北大学、美国空军、海军研究实验室等。截至目前，利用助熔剂法已成功生长了厘米级、大尺寸(2～6inch)氮化镓单晶，且单晶位错密度可降低至～102/cm2的数量级。
4.另一方面，虽然助熔剂方法展现了极大的优势，但是依然存在一定的问题，尤其是在应力调控方面：在助熔剂法生长中，一般采用hvpe等同质衬底作为籽晶材料，进行外延生长。但即使是同质外延生长，由于界面处的晶格常数差异、杂质并入以及热应力积累等问题，当晶体的尺寸增加时常常导致相应的裂纹产生并最终引起晶体破裂。所以，对于助熔剂法的产业化发展，实现应力调控以及无裂纹生长是亟待解决的重中之重。


技术实现要素：

5.本实用新型的主要目的在于提供一种叠设高掺杂层的gan单晶衬底，以克服现有技术中gan单晶衬底应力积累的问题。
6.为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：
7.本实用新型实施例提供了一种叠设高掺杂层的gan单晶衬底，其包括籽晶和叠设在所述籽晶上的非掺杂氮化镓层和高掺杂氮化镓层，所述高掺杂氮化镓层分布在两个所述非掺杂氮化镓层之间。
8.在一些较为具体的实施方案中，所述的叠设高掺杂层的gan单晶衬底包括依次叠设在所述籽晶上的多个非掺杂层和多个高掺杂氮化镓层，所述多个高掺杂氮化镓层间隔分布在所述多个非掺杂层之间。
9.在一些较为具体的实施方案中，所述的叠设高掺杂层的gan单晶衬底包括籽晶以及依次叠设在所述籽晶上的第一非掺杂氮化镓层、高掺杂氮化镓层和第二非掺杂氮化镓层。
10.在一些较为具体的实施方案中，所述的叠设高掺杂层的gan单晶衬底包括籽晶以
及依次叠设在所述籽晶上的第一非掺杂氮化镓层、第一高掺杂氮化镓层、第二非掺杂氮化镓层和第二高掺杂氮化镓层。
11.与现有技术相比，本实用新型实施例提供的一种叠设高掺杂层的gan单晶衬底，通过周期性、间隔式插入氮化镓晶体的高浓度杂质掺杂层，使非掺杂氮化镓层间内的应力得到有效释放，最终有效提高了所得的氮化镓晶体质量。
附图说明
12.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1是本实用新型实施例1中提供的一种叠设高掺杂层的gan单晶衬底的结构示意图；
14.图2是本实用新型提供的一种gan单晶的生长原理示意图。
具体实施方式
15.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
16.本实用新型实施例提供了一种叠设高掺杂层的gan单晶衬底，其包括籽晶和叠设在所述籽晶上的非掺杂氮化镓层和高掺杂氮化镓层，所述高掺杂氮化镓层分布在两个所述非掺杂氮化镓层之间。
17.在一些较为具体的实施方案中，所述的叠设高掺杂层的gan单晶衬底包括依次叠设在所述籽晶上的多个非掺杂层和多个高掺杂氮化镓层，所述多个高掺杂氮化镓层间隔分布在所述多个非掺杂层之间。
18.进一步的，所述多个非掺杂层和多个高掺杂氮化镓层依次交替设置。
19.在一些较为具体的实施方案中，所述的叠设高掺杂层的gan单晶衬底包括籽晶以及依次叠设在所述籽晶上的第一非掺杂氮化镓层、高掺杂氮化镓层和第二非掺杂氮化镓层。
20.进一步的，所述的叠设高掺杂层的gan单晶衬底包括多个高掺杂氮化镓层和多个第二非掺杂氮化镓层，所述多个高掺杂氮化镓层和多个第二非掺杂氮化镓层周期性地依次交替叠设在所述第一非掺杂氮化镓层上。
21.进一步的，所述第一非掺杂氮化镓层的厚度为20
‑
50μm，所述高掺杂氮化镓层的厚度为20
‑
50μm，所述第二非掺杂氮化镓层的厚度为300
‑
400μm，所述高掺杂氮化镓层的掺杂浓度为≥10
19
cm
‑3，所述高掺杂氮化镓层掺杂的杂质包括但不限于c，h，o，si，mg，al，fe等元素。
22.在一些较为具体的实施方案中，所述的叠设高掺杂层的gan单晶衬底包括籽晶以及依次叠设在所述籽晶上的第一非掺杂氮化镓层、第一高掺杂氮化镓层、第二非掺杂氮化镓层和第二高掺杂氮化镓层。
23.进一步的，所述的叠设高掺杂层的gan单晶衬底包括多个第二非掺杂氮化镓层和
多个第二高掺杂氮化镓层，所述多个第二非掺杂氮化镓层和多个第二高掺杂氮化镓层呈周期性地依次交替叠设在所述第一高掺杂氮化镓层上。
24.进一步的，所述第一非掺杂氮化镓层的厚度为20
‑
50μm，所述第一高掺杂氮化镓层的厚度为20
‑
50μm，所述第一高掺杂氮化镓层的掺杂浓度为≥10
19
cm
‑3，所述第二非掺杂氮化镓层的厚度为300
‑
400μm，所述第二高掺杂氮化镓层的厚度为20
‑
50μm，所述第二高掺杂氮化镓层的掺杂浓度为≥10
19
cm
‑3。
25.进一步的，所述第一高掺杂氮化镓层和第二高掺杂氮化镓层掺杂的杂质包括但不限于c，h，o，si，mg，al，fe等元素。
26.进一步的，所述非掺杂氮化镓层和高掺杂氮化镓层是在助熔剂法生长过程中通过改变生长条件获得的，其中，所述籽晶包括gan籽晶。
27.如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，如非特别说明，本实用新型实施例所采用的制作工艺和材料等均可以采用本领域技术人员已知的。
28.实施例1
29.请参阅图1，一种叠设高掺杂层的gan单晶衬底，包括沿指定方向依次叠层设置在gan籽晶500上的第一非掺杂氮化镓层100、第一高掺杂氮化镓层200以及周期性生长的第二非掺杂氮化镓层300、第二高掺杂氮化镓层400，第二非掺杂氮化镓层300、第二高掺杂氮化镓层400的生长周期数大于等于1。
30.具体的，所述第一非掺杂氮化镓层100的厚度为20
‑
50μm，所述第一高掺杂氮化镓层200的厚度为20
‑
50μm，所述第二非掺杂氮化镓层300的厚度为300
‑
400μm，所述第二高掺杂氮化镓层400的厚度为20
‑
50μm。.
31.具体的，所述第一非掺杂氮化镓层的厚度为20
‑
50μm，所述第一高掺杂氮化镓层的厚度为20
‑
50μm，所述第一高掺杂氮化镓层的掺杂浓度为≥10
19
cm
‑3，所述第二非掺杂氮化镓层的厚度为300
‑
400μm，所述第二高掺杂氮化镓层的厚度为20
‑
50μm，所述第二高掺杂氮化镓层的掺杂浓度为≥10
19
cm
‑3，所述第一高掺杂氮化镓层和第二高掺杂氮化镓层掺杂的杂质包括但不限于c，h，o，si，mg，al，fe等元素。
32.具体的，该叠设高掺杂层的gan单晶衬底是采用助熔剂法直接外延生长形成的，例如，一种叠设高掺杂层的gan单晶衬底的制备方法可以包括：以金属ga、na作为原料，以hvpe(氢化物气相外延)生长的gan作为籽晶，以坩埚作为生长容器，在指定的温度、压力条件下生长形成所述的叠设高掺杂层的gan单晶衬底；具体包括：
33.1)控制生长条件，在gan籽晶500上生长厚度为20
‑
50μm的第一非掺杂氮化镓层100；
34.2)改变生长条件，在第一非掺杂氮化镓层100上生长厚度为20
‑
50μm的第一高掺杂氮化镓层(掺杂的杂质种类包括但不限于c，h，o，si，mg，al，fe等元素)200；
35.3)结束第一高掺杂氮化镓层200的生长，继续通过助熔剂法在第一高掺杂氮化镓层200上生长厚度为300
‑
400μm的第二非掺杂氮化镓层(可以称之为氮化镓晶体非掺杂层)300，之后在第二非掺杂氮化镓层300上插入生长厚度为20
‑
50μm的第二高掺杂氮化镓层(掺杂的杂质种类包括但不限于c，h，o，si，mg，al，fe等元素)400；
36.4)之后续继按照300
‑
400μm的第二非掺杂氮化镓层300/20
‑
50μm的第二高掺杂氮
化镓层400的顺序进行交替的周期性生长，直至获得所需的厚度。
37.请参阅图2，在晶体生长过程中，使用无损的拉曼测试作为内部应力探测的方法，而根据已有的文献可知，在无应力状态下的块状gan中e2(high)的峰值为568.0cm
‑1[1,2]，由此，我们可以根据公式计算不同氮化镓晶体样品中的应力大小[3]:σ＝δω/4.2(cm
‑1gpa
‑1)，其中σ为应力值，δω为e2(high)峰的位移值；因而，可以认为晶体内部的应力值随e2(high)峰值的增加而增加，在此理解下，本实用新型采用周期性掺杂样品的e2(high)峰值，可以看到在插入高掺杂层之后的晶体中e2(high)峰值显著下降，从而证明了晶体内的应力有明显降低。
[0038]
[1]z.zheng,z.chen,h.wu,y.chen,s.huang,b.fan,y.xian,z.wu,g.wang,h.jiang,effect of periodic si
‑
delta
‑
doping on the evolution of yellow luminescence and stress in n
‑
type gan epilayers,journal of crystal growth,387(2014)52
‑
56。
[0039]
[2]l.pan,x.dong,z.li,w.luo,j.ni,influence of the aln nucleation layer on the properties of algan/gan heterostructure on si(111)substrates,applied surface science,447(2018)512
‑
517.
[0040]
[3]l.qi,y.xu,z.li,e.zhao,s.yang,b.cao,j.zhang,j.wang,k.xu,stress analysis of transferable crack
‑
free gallium nitride microrods grown on graphene/sic substrate,materials letters,185(2016)315
‑
318。
[0041]
本实用新型实施例提供的一种叠设高掺杂层的gan单晶衬底，通过周期性、间隔式插入氮化镓晶体的高浓度杂质掺杂层(即第一高掺杂氮化镓层和第二高掺杂氮化镓层)，使非掺杂氮化镓层间内的应力得到有效释放，最终有效提高了所得的氮化镓晶体质量。
[0042]
应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。