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CN117558745A - 氮化镓外延片及其制造方法及半导体器件 - Google Patents

氮化镓外延片及其制造方法及半导体器件 Download PDF

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CN117558745A
CN117558745A CN202311523642.5A CN202311523642A CN117558745A CN 117558745 A CN117558745 A CN 117558745A CN 202311523642 A CN202311523642 A CN 202311523642A CN 117558745 A CN117558745 A CN 117558745A
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CN
China
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gallium nitride
nitride epitaxial
aluminum
diamond substrate
Prior art date
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Application number
CN202311523642.5A
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Inventor
樊永辉
许明伟
樊晓兵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Huixin Communication Technology Co ltd
Original Assignee
Shenzhen Huixin Communication Technology Co ltd
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Publication date
Application filed by Shenzhen Huixin Communication Technology Co ltd filed Critical Shenzhen Huixin Communication Technology Co ltd
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Abstract

本申请公开了一种氮化镓外延片及其制造方法及半导体器件。氮化镓外延片包括单晶金刚石衬底；晶格匹配层，晶格匹配层设置于金刚石衬底的一侧；氮化镓外延层，氮化镓外延层设置于晶格匹配层的远离金刚石衬底的一侧；晶格匹配层靠近氮化镓外延层的一侧的晶格常数匹配氮化镓材料的晶格常数。本申请通过设置晶格匹配层来匹配单晶金刚石衬底与氮化镓外延层之间的晶格，从而可以直接在金刚石衬底上制备氮化镓外延层，达到简化工艺流程、提升芯片性能降低了制造成本的目的。

Description

氮化镓外延片及其制造方法及半导体器件
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种氮化镓外延片及其制造方法及半导体器件。
背景技术
化合物半导体材料近年来发展迅速，越来越广泛地应用于照明、光通讯、功率半导体器件以及无线通讯领域。宽禁带(禁带宽度>2.3eV)化合物半导体的包括碳化硅、氮化镓、氧化镓、金刚石等。在研制高温、高频、高功率微波器件、抗辐射器件以及紫外探测器、短波发光二极管等方面具有广阔的应用前景，是无线通信、国防、新能源、自动驾驶等领域急需的电子器件。
氮化镓材料具有宽禁带(3.4eV)、高电子迁移率和高击穿电场，是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。基于GaN材料的高电子迁移率晶体管(HEMT)具有高的电子迁移率(2000cm2/v·s)、高电子饱和速度(1×107cm/s)、较低的介电常数，是制作射频微波器件的优先材料。以碳化硅等材料作衬底的GaN器件，散热性能好，有利于器件在大功率条件下工作，在移动通信系统基础设施、航空航天、国防科技、卫星通信等领域得到越来越广泛的应用。
但是，在高电压、大功率工作条件下产生的芯片热效应影响器件的性能和可靠性，是制约氮化镓芯片的进一步应用的因素之一。采用高导热系数的金刚石衬底是改善芯片热效应的方法之一。目前以金刚石为衬底的氮化镓芯片其工艺过程复杂、制造成本高。
发明内容
本申请的目的在于提供一种工艺简单，稳定性高的氮化镓外延片及其制造方法及半导体器件。
本申请公开了一种氮化镓外延片，其包括：
单晶金刚石衬底；
晶格匹配层，所述晶格匹配层设置于所述金刚石衬底的一侧；
氮化镓外延层，所述氮化镓外延层设置于所述晶格匹配层的远离所述金刚石衬底的一侧；
所述晶格匹配层靠近所述氮化镓外延层的一侧的晶格常数匹配氮化镓材料的晶格常数。
可选地，所述晶格匹配层包括种子层，所述种子层的厚度大于等于1nm，所述种子层的厚度小于等于10nm；所述种子层为氮化铝材质。
可选地，所述晶格匹配层包括缓冲层，所述缓冲层的厚度大于等于0.2μm，所述缓冲层的厚度小于等于2微米；所述缓冲层为未掺杂的高阻氮化铝材质。
可选地，所述晶格匹配层包括过渡层，所述过渡层的厚度大于等于0.3μm，所述过渡层的厚度小于等于3μm；所述过渡层为含镓氮化物，所述过渡层靠近所述金刚石衬底一侧的镓含量小于靠近所述氮化镓外延层的一侧的镓含量。
可选地，所述晶格匹配层包括过渡层，所述过渡层的厚度大于等于0.3μm，所述过渡层的厚度小于等于3μm；所述过渡层为铟铝氮化物材质，所述过渡层自靠近所述金刚石衬底一侧至靠近所述氮化镓外延层的一侧，铟的含量逐渐靠近17％，铝的含量逐渐靠近83％。
可选地，所述晶格匹配层包括超晶格结构层，所述超晶格结构层包括若干顺序叠层的第一超晶格层、第二超晶格层、······第n超晶格层；所述超晶格结构层为铝铟镓氮化物，相邻的超晶格层中铝、铟、镓三种元素的至少一种的组分含量不同。
可选地，所述超晶格结构层靠近所述金刚石衬底一侧的铝含量大于靠近所述氮化镓外延层的一侧的铝含量。
可选地，所述晶格匹配层还包括：
设置于所述种子层远离所述金刚石衬底一侧的缓冲层，所述缓冲层的厚度大于等于0.2μm，所述缓冲层的厚度小于等于2微米；所述缓冲层为未掺杂的高阻氮化铝材质。
可选地，所述晶格匹配层还包括：
设置于所述缓冲层远离所述种子层一侧的过渡层，所述过渡层的厚度大于等于0.3μm，所述过渡层的厚度小于等于3μm；所述过渡层为含镓氮化物，所述过渡层靠近所述金刚石衬底一侧的镓含量小于靠近所述氮化镓外延层的一侧的镓含量。
可选地，所述晶格匹配层还包括：
设置于所述缓冲层远离所述种子层一侧超晶格结构层，所述超晶格结构层包括若干顺序叠层的第一超晶格层、第二超晶格层、······第n超晶格层；所述超晶格结构层为铝铟镓氮化物，相邻的超晶格层中铝、铟、镓三种元素的至少一种的组分含量不同；所述超晶格结构层靠近所述金刚石衬底一侧的铝含量大于靠近所述氮化镓外延层的一侧的铝含量。
可选地，所述晶格匹配层还包括：
设置于所述过渡层远离所述缓冲层一侧的超晶格结构层，所述超晶格结构层包括若干顺序叠层的第一超晶格层、第二超晶格层、······第n超晶格层；所述超晶格结构层为铝铟镓氮化物，相邻的超晶格层中铝、铟、镓三种元素的至少一种的组分含量不同；所述超晶格结构层靠近所述金刚石衬底一侧的铝含量大于靠近所述氮化镓外延层的一侧的铝含量。
本申请还公开了一种氮化镓外延片的制造方法，用于制造上述的氮化镓外延片，其包括：
在单晶金刚石衬底上制造晶格匹配层；
在所示晶格匹配层远离所述金刚石衬底的一侧制造氮化镓外延层。
可选地，所述晶格匹配层包括种子层、缓冲层、过渡层以及超晶格结构层中的其中一层或两层或三层或四层。
本申请还公开了一种半导体器件，所述半导体器件包括上述的氮化镓外延片。
与相关技术相比，本申请通过设置晶格匹配层来匹配单晶金刚石衬底与氮化镓外延层之间的晶格，从而可以直接在金刚石衬底上制备氮化镓外延层，简化了工艺流程，降低了制造成本。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本说明书的实施例，并与说明书一起用于解释本说明书的原理。
图1为相关技术中金刚石衬底与氮化镓外延层接触面的示意图。
图2为本申请一实施例中氮化镓外延片的结构示意图。
图3为本申请一实施例中氮化镓外延片的结构示意图。
图4为本申请一实施例中氮化镓外延片的结构示意图。
图5为本申请一实施例中氮化镓外延片的结构示意图。
图6为本申请一实施例中氮化镓外延片的结构示意图。
图7为本申请一实施例中氮化镓外延片的结构示意图。
图8为本申请一实施例中氮化镓外延片的结构示意图。
图9为本申请一实施例中半导体器件的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本说明书相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本说明书的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。除非另作定义，本说明书使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内设有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
在本说明书使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
如图1所示，相关技术中，氮化镓外延层300材料和金刚石衬底100材料具有不同的晶格常数和热膨胀系数。晶格常数的不同会引起金刚石衬底100和氮化镓外延层300之间的晶格失配，导致位错(dislocation)缺陷A的产生。晶格失配也会在材料中产生应力并引起晶圆翘曲和龟裂。热膨胀系数的不同，在生长过程中发生温度变化时，材料中会产生应力，从而导致翘曲(warp)和龟裂(crack)的产生。金刚石(立方晶体结构)和氮化镓晶体的晶格常数分别为a＝3.57A和b＝3.19A，晶格失配为10.6％。金刚石和氮化铝材料的热膨胀系数分别为1.2*10-6K-1和3.17*10-6K-1,失配达62％。当外延层材料晶格常数小于衬底时，或者外延材料的热膨胀系数大于衬底时，晶圆会产生凹形翘曲。
现有以金刚石为衬底的氮化镓器件制造技术中，衬底为多晶的金刚石材料。首先在硅、碳化硅或蓝宝石衬底上制作氮化镓外延层，然后将氮化镓外延层从衬底上剥离，接着将氮化镓外延层键合到多晶的金刚石衬底上，最后在氮化镓外延层上制作氮化镓器件。此种工艺流程较复杂，工艺稳定性差、芯片良率低、制造成本高。
如图2所示，为解决上述问题，本申请提供了一种氮化镓外延片，其包括：
单晶金刚石衬底100；
晶格匹配层200，所述晶格匹配层200设置于所述金刚石衬底100的一侧；
氮化镓外延层300，所述氮化镓外延层300设置于所述晶格匹配层200的远离所述金刚石衬底100的一侧；
所述晶格匹配层200靠近所述氮化镓外延层300的一侧的晶格常数匹配氮化镓材料的晶格常数。
本申请通过设置晶格匹配层来匹配单晶金刚石衬底与氮化镓外延层之间的晶格，从而可以直接在金刚石衬底上制备氮化镓外延层，简化了工艺流程，降低了制造成本。
以下将对符合上述创作构思的本申请各个实施例进行详细说明。
如图2所示，本申请提供了一种氮化镓外延片，氮化镓外延片包括单晶金刚石衬底100、晶格匹配层200以及氮化镓外延层300。晶格匹配层200设置于金刚石衬底100的一侧。氮化镓外延层300设置于晶格匹配层200远离金刚石衬底100的一侧。晶格匹配层200内，由金刚石衬底100指向氮化镓外延层300，晶格匹配层200的材料和/或结构发生改变。晶格匹配层200的材料和/或结构发生的改变，使晶格匹配层200内的晶格常数发生变化，使晶格匹配层200靠近氮化镓外延层300一侧的晶格常数匹配氮化镓材料的晶格常数。晶格匹配层200的材料和/或结构发生的改变可以是线性的变化，也可以是非线性的变化。晶格匹配层200的晶格常数变化可以是线性的改变，也可以是非线性的改变。
如图3所示，在一可选实施例中，晶格匹配层200包括种子层210。种子层210设置于金刚石衬底100的一侧。种子层210可以为氮化铝(AlN)材质或者铝镓氮化物(AlGaN)材质或者氮化镓(GaN)材质。种子层210的厚度在1nm～10nm之间，可选地，种子层210的厚度可以为1nm、2nm、4nm、7nm或者10nm等。
种子层210可以通过多种方法制作。可选地，种子层210可以采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法制造。在较低的温度(400℃-700℃)下，采用三甲基铝(TMA，C3H9Al)和氨气(NH3)分别作为铝源和氮源，以氢气作为载体气体，在反应炉制备种子层210。通过调节反应炉的压力、温度、气体的流量，生长高质量的单晶氮化铝薄膜。最终制造出高质量的种子层210。
可选地，种子层210可以采用原子层沉积方法(ALD)制造。原子层沉积(ALD)是一种基于连续使用气相化学工艺的薄膜沉积技术。它是化学气相沉积的一个子类。大多数ALD反应使用两种称为前驱体的化学物质。这些前体以连续、自限性的方式一次一个地与材料表面反应。通过反复暴露于不同的前体，薄膜会缓慢沉积。种子层210可以通过热原子层沉积(热ALD)或者通过等离子体增强原子层沉积(PE-ALD)制造。在本实施例中，采用等离子体增强原子层沉积(PE-ALD)来制造种子层210。在氮化铝生长工艺开始之前，对金刚石基材的表面进行清洗，可选地，可以在1100℃-1300℃的氢气环境下进行清洗。等离子体增强原子层沉积(PE-ALD)可以实现在150℃至300℃之间的低温下生长氮化铝薄膜。在制备种子层210过程中，气态前体和氧化剂以单独的脉冲施加到基材上，每个脉冲至多吸附一个完整的单层。因此，在每个脉冲中都会沉积一层原子。随着沉积温度的增加，等离子体显着提高了氮化铝薄膜的沉积速率。种子层210的制备可以以三甲基铝(TMA)或者氯化铝(AlCl4)作为铝前驱体，在本实施例中，以三甲基铝(TMA)为铝前驱体，可实现更高的沉积速率，并且三甲基铝(TMA)可以以更低的剂量以达到铝饱和，这意味着在沉积的第一个循环中基材表面的成核更加均匀，并且在生长氮化铝薄膜时有更高的结晶度。种子层210的制备可以以氨气(NH3)作为氮源。
如图4所示，在一可选实施例中，晶格匹配层200包括缓冲层220。缓冲层220为未掺杂的高阻氮化铝材质。缓冲层220的厚度在0.2～2μm之间，可选地，缓冲层220的厚度可以为0.2μm、0.5μm、1μm、1.5μm或者为2μm等。缓冲层220中沿金刚石衬底100指向氮化镓外延层300方向，缓冲层220的晶格常数逐渐趋近于氮化铝晶体本身的晶格常数，直到与氮化铝本身的晶格常数相同。即缓冲层220靠近氮化镓外延层300的一侧的晶格常数等于氮化铝本身的晶格常数，达到3.11A。
缓冲层220可以通过多种方法制作。可选地，缓冲层220可以通过铝直接氮化法(Direct nitridation of aluminum)、高氮气压溶液生长法(HNPSG-High nitrogenpressure solution growth)、氢化物气相外延生长法(HVPE-Hydride vapor phaseepitaxy growth)、金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD-Metal Organic ChemicalVapor Deposition)或者通过物理气相传输生长法(PVT-Physical vapor transportgrowth)等方法制作，即只要可以在基材上生长单晶氮化铝的方法均可以用于制造缓冲层220。在本实施例中，采用金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD)来制造缓冲层220。采用三甲基铝(TMA，C3H9Al)和氨气(NH3)分别作为铝源和氮源，采用氢气作为载体气体通过反应炉制造缓冲层220。可以通过调节反应炉的压力、温度、气体的流量，生长高质量的单晶氮化铝薄膜，从而制造高质量的缓冲层220。
如图5所示，在一可选实施例中，晶格匹配层200包括过渡层230。过渡层230可以为含镓氮化物材质，例如过渡层230可以为铝镓氮化物(AlGaN)或者铟铝镓氮化物(InAlGaN)等。在本实施例中，过渡层230为铝镓氮化物(AlGaN)。过渡层230的厚度在0.3μm～3μm之间，可选地，过渡层230的厚度可以为0.3μm、0.5μm、1μm、2μm或者3μm等。过渡层230中沿金刚石衬底100指向氮化镓外延层300方向，铝镓氮化物(AlGaN)中铝的含量逐渐降低，镓的含量逐渐增高。例如，在过渡层230靠近金刚石衬底100的一侧，铝的含量为100％，镓的含量为0％。在由过渡层230靠近金刚石衬底100的一侧向过渡层230靠近氮化镓外延层300的一侧过渡的过程中，铝的含量逐渐降低，镓的含量逐渐升高。最终在过渡层230靠近氮化镓外延层300的一侧，铝的含量为0％，镓的含量为100％。当然，在过渡层230靠近金刚石衬底100的一侧，铝的含量可以为20％至100％中的任一含量，可选地，在过渡层230靠近金刚石衬底100的一侧，铝的含量可以为20％、30％、50％、80％或者100％等。过渡层230中由靠近金刚石衬底100的一侧指向靠近氮化镓外延层300的一侧，其中的组分变化可以是线性的变化，也可以是非线性的变化，例如阶梯式的变化。其组分的变化过程可以是贯穿整个过渡层230的，也可以是某个厚度的过渡层230产生组分变化，而其他厚度的过渡层230的组分不发生变化。
在本实施例中，过渡层230可以通过金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD)制作。可以采用三甲基铝(TMA，C3H9Al)作为铝源，采用氨气(NH3)作为氮源，采用三甲基镓(TMG，C3H9Ga)作为镓源，以氢气作为载体气体。在制造过渡层230的过程中，可以通过调控气源中三甲基镓(TMG，C3H9Ga)与三甲基铝(TMA，C3H9Al)的含量来控制当前厚度下过渡层230中铝与镓的含量。可以通过调节反应炉的压力、温度、气体的流量，生长高质量的过渡层230。
如图5所示，在一可选实施例中，晶格匹配层200包括过渡层230，过渡层230可以为铟铝氮化物(InAlN)材质。过渡层230的厚度在0.3μm～3μm之间，可选地，过渡层230的厚度可以为0.3μm、0.5μm、1μm、2μm或者3μm等。过渡层230中沿金刚石衬底100指向氮化镓外延层300方向，铟铝氮化物(InAlN)中铝的含量逐渐向83％靠近，铟的含量逐渐向17％靠近。例如，在过渡层230靠近金刚石衬底100的一侧，铝的含量为50％，铟的含量为50％。在由过渡层230靠近金刚石衬底100的一侧向过渡层230靠近氮化镓外延层300的一侧过渡的过程中，铝的含量逐渐升高，铟的含量逐渐降低。最终在过渡层230靠近氮化镓外延层300的一侧，铝的含量为83％，铟的含量为17％。过渡层230中由靠近金刚石衬底100的一侧指向靠近氮化镓外延层300的一侧，其中的组分变化可以是线性的变化，也可以是非线性的变化，例如阶梯式的变化。其组分的变化过程可以是贯穿整个过渡层230的，也可以是某个厚度的过渡层230产生组分变化，而其他厚度的过渡层230的组分不发生变化。在本实施例中，过渡层230可以通过金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD)制作。可以采用三甲基铝(TMA，C3H9Al)作为铝源，采用氨气(NH3)作为氮源，采用三甲基铟(TMI，C3H9In)作为铟源，以氢气作为载体气体。在制造过渡层230的过程中，可以通过调控气源中三甲基铟(TMI，C3H9In)与三甲基铝(TMA，C3H9Al)的含量来控制当前厚度下过渡层230中铝与铟的含量。可以通过调节反应炉的压力、温度、气体的流量，生长高质量的过渡层230。
如图6所示，在一可选实施例中，晶格匹配层200包括超晶格结构层240。超晶格结构层240包括若干超晶格层。自金刚石衬底100侧指向氮化镓外延层300侧依次设置有顺序叠层的第一超晶格层、第二超晶格层、······第n超晶格层。超晶格结构层240的层叠结构可以有效的减小由材料间不同的热膨胀系数而产生的应力，从而减小或消除由应力而引起的晶圆翘曲或龟裂。超晶格结构层240为铝铟镓氮化物，每层超晶格层也均为铝铟镓氮化物。相邻的超晶格层中铝、铟、镓三种元素中的至少一种的组分含量不同。例如，第一超晶格层的组分为Alx1Iny1Ga(1-x1-y1)N，第二超晶格层的组分为Alx2Iny2Ga(1-x2-y2)N，第三超晶格层的组分为Alx3Iny3Ga(1-x3-y3)N，则x1≠x2和/或y1≠y2且x2≠x3和/或y2≠y3。以此类推，第n-1超晶格层的组分为Alxn-1Inyn-1Ga(1-xn-1-yn-1)N，第n超晶格层的组分为AlxnInynGa(1-xn-yn)N，xn-1≠xn和/或yn-1≠yn。n的值大于等于6，小于等于120。也就是说超晶格结构层240包括6～120层超晶格层。可选地，超晶格结构层240可以包括6层超晶格层、20层超晶格层、60层超晶格层、100层超晶格层或者120层超晶格层。单层的超晶格层的厚度介于1nm与20nm之间，包括1nm与20nm，可选地，单层的超晶格层的厚度可以为1nm、3nm、7nm、14nm或者为20nm。可选地，超晶格结构层240中，靠近金刚石衬底100一侧的超晶格层中的铝含量大于靠近氮化镓外延层300一侧的超晶格层中的铝含量。例如，第一超晶格层中的铝含量大于第二超晶格层中的铝含量，第二超晶格层中的铝含量大于第三超晶格层中的铝含量······第n-1超晶格层中的铝含量大于第n超晶格层中的铝含量。可选地，超晶格结构层240中，靠近金刚石衬底100一侧的超晶格层中的镓含量小于靠近氮化镓外延层300一侧的超晶格层中的镓含量。例如，第一超晶格层中的镓含量小于第二超晶格层中的镓含量，第二超晶格层中的镓含量小于第三超晶格层中的镓含量······第n-1超晶格层中的镓含量小于第n超晶格层中的镓含量。可选地，单层超晶格层中不同厚度位置的铝、铟、镓三种元素的组分含量不同。例如在第一超晶格层中，靠近金刚石衬底100的一侧的铝含量大于远离金刚石衬底100一侧的铝含量，靠近金刚石衬底100的一侧的镓含量小于远离金刚石衬底100一侧的镓含量。又例如，在第n超晶格层中，靠近氮化镓外延层300的一侧的铝含量小于远离氮化镓外延层300一侧的铝含量，靠近氮化镓外延层300的一侧的镓含量大于远离氮化镓外延层300一侧的镓含量。
在本实施例中，超晶格结构层240可以通过金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD)制作。可以采用三甲基铝(TMA，C3H9Al)作为铝源，采用三甲基镓(TMG，C3H9Ga)作为镓源，采用氨气(NH3)作为氮源，采用三甲基铟(TMI，C3H9In)作为铟源，以氢气作为载体气体。在制造超晶格结构层240的过程中，可以通过调控含铝气源以及含镓气源的量来调控超晶格层中铝与镓的组分含量，例如可以通过增加气源中三甲基铝(TMA，C3H9Al)的含量来增加超晶格层中铝的组分含量。又例如，可以通过减少气源中三甲基镓(TMG，C3H9Ga)的含量来减少超晶格层中镓的组分含量。还可以通过调节反应炉的压力、温度、气体的流量，生长高质量的超晶格结构层240。
如图2至图7所示，在一可选实施例中，晶格匹配层200包括种子层210、缓冲层220、过渡层230以及超晶格结构层240中的两种或者三种、或者四种。
可选地，晶格匹配层200可以包括种子层210、缓冲层220、过渡层230以及超晶格结构层240中的任意两种。例如晶格匹配层200可以包括种子层210以及缓冲层220，种子层210设置于金刚石衬底100靠近氮化镓外延层300的一侧，缓冲层220设置于种子层210靠近氮化镓外延层300的一侧。又例如，晶格匹配层200可以包括缓冲层220以及过渡层230，缓冲层220设置于金刚石衬底100靠近氮化镓外延层300的一侧，过渡层230设置于缓冲层220靠近氮化镓外延层300的一侧。又例如，晶格匹配层200可以包括缓冲层220以及超晶格结构层240，缓冲层220设置于金刚石衬底100靠近氮化镓外延层300的一侧，超晶格结构层240设置于缓冲层220靠近氮化镓外延层300的一侧。
可选地，晶格匹配层200包括种子层210、缓冲层220、过渡层230以及超晶格结构层240中的任意三种。例如，晶格匹配层200可以包括种子层210、缓冲层220以及过渡层230，种子层210设置于金刚石衬底100靠近氮化镓外延层300的一侧，缓冲层220设置于种子层210靠近氮化镓外延层300的一侧，过渡层230设置于缓冲层220靠近氮化镓外延层300的一侧。又例如，晶格匹配层200可以包括种子层210、缓冲层220以及超晶格结构层240，种子层210设置于金刚石衬底100靠近氮化镓外延层300的一侧，缓冲层220设置于种子层210靠近氮化镓外延层300的一侧，超晶格结构层240设置于缓冲层220靠近氮化镓外延层300的一侧。
可选地，晶格匹配层200可以包括种子层210、缓冲层220、过渡层230以及超晶格结构层240。例如，种子层210设置于金刚石衬底100靠近氮化镓外延层300的一侧，缓冲层220设置于种子层210靠近氮化镓外延层300的一侧，超晶格结构层240设置于缓冲层220靠近氮化镓外延层300的一侧，过渡层230设置于超晶格结构层240靠近氮化镓外延层300的一侧。又例如，种子层210设置于金刚石衬底100靠近氮化镓外延层300的一侧，缓冲层220设置于种子层210靠近氮化镓外延层300的一侧，过渡层230设置于缓冲层220靠近氮化镓外延层300的一侧，超晶格结构层240设置于过渡层230靠近氮化镓外延层300的一侧。
如图8所示，在一可选实施例中，氮化镓外延层300包括沟道层310、势垒层330、帽层340以及第一钝化层350。
沟道层310设置于晶格匹配层200远离金刚石衬底100的一侧。沟道层310为氮化镓材质，其厚度为0.5μm～5μm，可选地，沟道层310的厚度可以为0.5μm、1μm、2μm、4μm或者为5μm。沟道层310可以通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)或者分子束外延法(MBE)等方法制造。在本实施例中，沟道层310通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)制造。采用三甲基镓(TMG，C3H9Ga)作为镓源，采用氨气(NH3)作为氮源，采用氢气作为载体气体。此种方法可以控制合成原子级厚度的薄膜，即新型纳米材料薄膜。还可以制成大面积的均匀薄膜，容易实现产业化。还可以实现纯净的材料生长，由于它不使用液体容器及低温生长的技术，使得污染源减到了最少，比其它半导体材料生长技术的材料纯度提高了一个数量级。
势垒层330设置于沟道层310远离晶格匹配层200的一侧。势垒层330可以为氮化铝、氮化铟、铟铝氮化物、铝镓氮化物、铟铝镓氮化物或者为其他二元、三元或者四元氮化物。势垒层330的厚度为3nm～50nm，可选地，势垒层330的厚度可以为3nm、5nm、10nm、20nm或者50nm等。势垒层330可以通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)或者分子束外延法(MBE)等方法制造。在本实施例中，势垒层330通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)制造。势垒层330可以向沟道层310提供电子。
可选地，在势垒层330与沟道层310之间设置有隔离层320。隔离层320为氮化铝材质，隔离层320的厚度为5A-20A，可选地，隔离层320的厚度可以为5A、7A、10A、15A或者为20A等。隔离层320可以通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)或者分子束外延法(MBE)等方法制造。在本实施例中，隔离层320通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)制造。隔离层320可以限制电子在厚度方向上的运动，以提升二维电子气的密度。
帽层340设置于势垒层330远离沟道层310的一侧。帽层340为氮化镓材质，帽层340的厚度为2nm～10nm，可选地，帽层340的厚度可以为2nm、4nm、5nm、8nm或者10nm等。第一钝化层350设置于帽层340远离势垒层330的一侧。第一钝化层350为氮化硅材质。第一钝化层350的厚度为2nm～20nm，可选地，第一钝化层350的厚度可以为2nm、5nm、10nm、15nm或者为20nm等。第一钝化层350可以防止势垒层的氧化，降低源漏极欧姆接触的电阻。
本申请还公开了一种氮化镓外延片的制造方法，用于制造上述的氮化镓外延片，其包括：
在单晶金刚石衬底100上制造晶格匹配层200；
在所示晶格匹配层200远离金刚石衬底100的一侧制造氮化镓外延层300。
晶格匹配层200包括种子层210、缓冲层220、过渡层230以及超晶格结构层240中的其中一层或两层或三层或四层。
如图9所示，本申请还公开了一种半导体器件，其包括上述的氮化镓外延片。
在一可选实施例中，半导体器件为高电子迁移率晶体管(HEMT)。高电子迁移率晶体管包括金刚石衬底100、晶格匹配层200、氮化镓外延层300、覆盖于氮化镓外延层300上的第二钝化层410、设置于第二钝化层410上的第一金属层460、覆盖于第一金属层460上的金属间介质层420以及设置于金属间介质层420上的第二金属层470。
高电子迁移率晶体管包括源极430与漏极440。源极430与漏极440可以直接制作于帽层340的表面，也可以先在氮化镓外延层300刻蚀凹槽(图中未示出)，再将源极430与漏极440制作于凹槽内。源极430与漏极440可以通过几种金属的组合通过高温退火形成合金，如此可以减小接触电阻。这些金属包括Ti、Al、Ni以及Au等。源极430与漏极440可以通过金属蒸镀或溅射的方法逐层沉积到晶圆上来制作。源极430与漏极440通过第一金属层460与第二金属层470连接。可选地，根据实际需求，半导体器件可以设置更多的金属层、绝缘层或者其他的介质层等。
高电子迁移率晶体管还包括栅极450。栅极450可以直接设置于势垒层330上。可选地，栅极450与氮化镓外延层300之间可以设置一层绝缘层(图中未示出)，再在绝缘层上设置栅极450，形成MIS(金属-绝缘层-半导体)结构。绝缘层可以为氮化硅、二氧化硅或氧化铝等材质。栅极450可以由Ni、Au、Pt、Ti、Al等金属组成，通过金属蒸镀或溅射的方法逐层沉积到晶圆上。
可选地，可以对高电子迁移率晶体管的背面进行减薄与抛光。还可以对金刚石衬底100的背面进行背孔刻蚀以形成背孔480。例如，可以在金刚石衬底100背面对应与源极430的位置通过激光进行背孔刻蚀，刻蚀出的背孔480连通金刚石衬底100的背面与源极430。之后可以对金刚石衬底100的背面实施背面金属化工艺，使背面金属490覆盖金刚石衬底100的背面以及背孔480的孔壁。背面金属490可以为Au或者Al等金属。背面金属490的厚度为1μm～7μm，可选地，背面金属490的厚度可以为1μm、2μm、3μm、5μm或者7μm等。
可选地，半导体器件中也可以包括其他元件，例如薄膜电阻、电容、电感等，多种元件可以通过金属连线联通而制成单片集成电路。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里申请的发明后，将容易想到本说明书的其它实施方案。本说明书旨在涵盖本说明书的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本说明书的一般性原理并包括本说明书未申请的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本说明书的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本说明书并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本说明书的范围仅由所附的权利要求来限制。
以上所述仅为本说明书的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书，凡在本说明书的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书保护的范围之内。

Claims (14)

1.一种氮化镓外延片，其特征在于，包括：
单晶金刚石衬底；
晶格匹配层，所述晶格匹配层设置于所述金刚石衬底的一侧；
氮化镓外延层，所述氮化镓外延层设置于所述晶格匹配层的远离所述金刚石衬底的一侧；
所述晶格匹配层靠近所述氮化镓外延层的一侧的晶格常数匹配氮化镓材料的晶格常数。
2.根据权利要求1所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层包括种子层，所述种子层的厚度大于等于1nm，所述种子层的厚度小于等于10nm；所述种子层为氮化铝材质。
3.根据权利要求1所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层包括缓冲层，所述缓冲层的厚度大于等于0.2μm，所述缓冲层的厚度小于等于2微米；所述缓冲层为未掺杂的高阻氮化铝材质。
4.根据权利要求1所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层包括过渡层，所述过渡层的厚度大于等于0.3μm，所述过渡层的厚度小于等于3μm；所述过渡层为含镓氮化物，所述过渡层靠近所述金刚石衬底一侧的镓含量小于靠近所述氮化镓外延层的一侧的镓含量。
5.根据权利要求1所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层包括过渡层，所述过渡层的厚度大于等于0.3μm，所述过渡层的厚度小于等于3μm；所述过渡层为铟铝氮化物材质，所述过渡层自靠近所述金刚石衬底一侧至靠近所述氮化镓外延层的一侧，铟的含量逐渐靠近17％，铝的含量逐渐靠近83％。
6.根据权利要求1所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层包括超晶格结构层，所述超晶格结构层包括若干顺序叠层的第一超晶格层、第二超晶格层、······第n超晶格层；所述超晶格结构层为铝铟镓氮化物，相邻的超晶格层中铝、铟、镓三种元素的至少一种的组分含量不同。
7.根据权利要求6所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述超晶格结构层靠近所述金刚石衬底一侧的铝含量大于靠近所述氮化镓外延层的一侧的铝含量。
8.根据权利要求2所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层还包括：
设置于所述种子层远离所述金刚石衬底一侧的缓冲层，所述缓冲层的厚度大于等于0.2μm，所述缓冲层的厚度小于等于2微米；所述缓冲层为未掺杂的高阻氮化铝材质。
9.根据权利要求8所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层还包括：
设置于所述缓冲层远离所述种子层一侧的过渡层，所述过渡层的厚度大于等于0.3μm，所述过渡层的厚度小于等于3μm；所述过渡层为含镓氮化物，所述过渡层靠近所述金刚石衬底一侧的镓含量小于靠近所述氮化镓外延层的一侧的镓含量。
10.根据权利要求8所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层还包括：
设置于所述缓冲层远离所述种子层一侧超晶格结构层，所述超晶格结构层包括若干顺序叠层的第一超晶格层、第二超晶格层、······第n超晶格层；所述超晶格结构层为铝铟镓氮化物，相邻的超晶格层中铝、铟、镓三种元素的至少一种的组分含量不同；所述超晶格结构层靠近所述金刚石衬底一侧的铝含量大于靠近所述氮化镓外延层的一侧的铝含量。
11.根据权利要求9所述的氮化镓外延片，其特征在于，所述晶格匹配层还包括：
设置于所述过渡层远离所述缓冲层一侧的超晶格结构层，所述超晶格结构层包括若干顺序叠层的第一超晶格层、第二超晶格层、······第n超晶格层；所述超晶格结构层为铝铟镓氮化物，相邻的超晶格层中铝、铟、镓三种元素的至少一种的组分含量不同；所述超晶格结构层靠近所述金刚石衬底一侧的铝含量大于靠近所述氮化镓外延层的一侧的铝含量。
12.一种氮化镓外延片的制造方法，用于制造如权利要求1-11中任意一项所述的氮化镓外延片，其特征在于，包括：
在单晶金刚石衬底上制造晶格匹配层；
在所示晶格匹配层远离所述金刚石衬底的一侧制造氮化镓外延层。
13.根据权利要求12所述的氮化镓外延片的制造方法，其特征在于，所述晶格匹配层包括种子层、缓冲层、过渡层以及超晶格结构层中的其中一层或两层或三层或四层。
14.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括如权利要求1-11中任意一项所述的氮化镓外延片。
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