[發明專利]一種高晶體質量高阻GaN外延層的生長方法

有效

• 申請號: 200910082891.9
• 申請日: 2009-04-22
• 公開（公告）號: CN101871098A
• 公開（公告）日: 2010-10-27
• 發明（設計）人: 許福軍;沈波;苗振林;宋杰;王新強;唐寧;楊志堅;張國義
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: C23C16/34
• 分類號: C23C16/34;C23C16/02;C30B25/02;C30B25/18
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 楊靜

技術領域

本發明涉及微電子技術領域，特別是涉及一種生長高阻GaN外延層的方法。

背景技術

GaN基寬禁帶半導體材料以其優異的物理化學性質，不僅在短波長發光器件(發光二極管(LED)，激光器(LD))和探測器方面有重要應用，而且在研制高溫、高頻、大功率微波電子器件方面也有重要應用。由于強極化電場效應，在Al_xGa_1-xN/GaN異質結構中會產生高濃度的高遷移率二維電子氣，因此基于該異質結構的GaN基高遷移率晶體管(HEMT)在微波功率器件應用方面極具優勢。

由于在GaN基HEMT器件應用非高阻GaN會使器件的源漏電流除了從溝道層通過以外，還會有部分電流經溝道下面的GaN到達器件的漏極，導致器件中的并行電導，使器件的夾斷特性和頻率特性惡化，而且會在器件中產生額外的熱量，因此GaN基HEMT器件必須采用高阻GaN，可以說，高阻GaN外延層是研制GaN基微波電子器件的基礎。

目前，用MOCVD生長GaN外延層常用的“兩步法”工藝過程一般分為以下四個階段：

(1)烘烤階段：氫氣(H₂)氛下，在1100℃高溫烘烤襯底5分鐘；

(2)成核階段：降溫至530℃并以三甲基鎵和氨氣為源生長低溫GaN成核層，厚度為20nm；

(3)退火階段：在250秒內將溫度升高到1050℃并恒溫退火140秒；

(4)外延生長階段：通入三甲基鎵和氨氣，快速生長外延層GaN外延層。

由于襯底的限制和GaN基半導體材料本身的物理學化學特性，目前使用外延技術制備的GaN外延層中存在大量淺施主雜質，導致較高的背景電子濃度(可高達10¹⁷-10¹⁸cm^-3)。因而要獲得高阻的GaN外延層，必須引入缺陷能級來補償。目前國際上常用的制備高阻GaN的方法有離子注入，P型雜質補償法等。

離子注入法是用高能重離子來轟擊已制備好的GaN樣品，使樣品產生晶格損傷，引入大量的缺陷能級和補償中心，該方法技術復雜，僅適用于器件隔離。

P型雜質摻雜法則是通過在GaN生長過程摻入受主雜質，如Fe等直接生長出高阻GaN。這種方法可以實現高阻材料生長的穩定性和可重復性，但是由于摻入的雜質如Fe等有非常強的記憶效應，會給系統造成長久污染，而且會極大地影響在高阻GaN上繼續生長的器件結構的電學性能，因而需要額外的專門設備來制備高阻GaN，成本高昂。

相比于以上兩種方法，通過調整MOCVD生長條件，引入大量的刃型位錯密度來補償GaN中的背景電子濃度，從而實現非摻雜高阻GaN的生長，具有重要的技術價值。但是目前，基于常規的“兩步法”應用這種方法，生長的高阻GaN外延層中位錯密度很高，將不可避免的對進一步生長的器件結構的中的溝道電子產生強烈散射，嚴重影響器件性能的提高，而且采用這種方法來制備高阻GaN，其重復性和可靠性在實際應用時面臨挑戰。

發明內容

本發明的目的是提供一種重復性好，晶體質量高的高阻GaN外延層的生長方法。

本發明所述的方法是在藍寶石襯底上制備高晶體質量高阻非摻雜GaN外延層的方法，在常規的“兩步法”GaN生長工藝基礎上，在襯底上生長GaN低溫成核層前，增加低溫AlN的預沉積和退火步驟，實現通過阻礙藍寶石襯底中氧原子向GaN層的擴散而降低GaN中需被補償的背景電子濃度和調控高溫GaN外延生長模式的目的。

本發明所述的方法包括以下步驟：

1)襯底烘烤；

2)低溫沉積AlN并退火；

3)低溫沉積GaN并退火；

4)GaN高溫外延生長。

其中所述步驟2)的低溫AlN的生長溫度為520-750℃，壓力30-100Torr；退火溫度為1090-1150℃，退火時間為50-1200秒；AlN層的厚度為5-40nm。

所述步驟4)GaN的高溫外延生長采用二維生長模式；外延生長的溫度為1050-1070℃，生長壓力80-300Torr。

所述步驟1)的烘烤溫度為1080-1100℃；

所述步驟3)低溫沉積GaN的溫度為530-560℃，厚度為15-25nm，退火溫度為1050-1070℃，退火時間為50-140秒；

在本發明方法中，其它條件采用常規的“兩步法”GaN生長條件即可。

預沉積AlN層的原料是本領域常用的沉積低溫AlN的原料，如三甲基鋁，三乙基鋁和氨氣等。