[發明專利]以SiC為襯底GaN基HEMT器件外延生長方法

在審

• 申請號: 201711122862.1
• 申請日: 2017-11-14
• 公開（公告）號: CN108039321A
• 公開（公告）日: 2018-05-15
• 發明（設計）人: 王靜輝;何志;楊私私;李曉波;白欣嬌;袁鳳坡;李浩;李婷婷;曹增波;林文燾
• 申請（專利權）人: 同輝電子科技股份有限公司
• 主分類號: H01L21/335
• 分類號: H01L21/335;H01L21/02
• 代理公司: 北京華誼知識產權代理有限公司 11207
• 代理人: 王普玉

一種以SiC為襯底GaN基HEMT器件外延生長方法，屬于半導體器件制備技術領域。利用電化學氣相沉積方法依次將氮化鈦層、氮化鋁和氮化鎵層沉積在襯底上，形成復合緩沖層；復合緩沖層表面利用感應耦合等離子體刻蝕技術刻蝕孔形、柱形、條形圖形中的一種或多種，呈周期性排列；然后利用MOCVD進行非摻雜的GaN外延生長和非摻雜的AlGaN外延生長；最后外延生長Si摻雜的GaN冒層。優點在于，改善了碳化硅基氮化鎵材料晶格失配問題，對提升器件整體性能和良品率作用明顯。

技術領域

本發明屬于半導體器件制備技術領域，特別涉及一種以SiC為襯底GaN基HEMT器件外延生長方法。

背景技術

氮化鎵功率器件由于氮化鎵材料其本身的先進特性，相對于目前市場上主導的硅半導體功率器件，在同樣的工作電壓和功率條件下，能夠在能量轉換過程中進一步降低大約30％-50％的能量損耗，同時它的體積更小(1/10)，工作電壓更高(＞600V)，轉換功率更大(＞kW)，以及工作頻率更快(＞50MHz)。所有的這些優勢在通過商業化降低生產成本，都可以轉換成巨大的經濟效益，為世界節能降耗做出重大貢獻。

整個氮化鎵功率器件技術的核心在于如何生產出高質量的氮化鎵材料。因為氮化鎵材料本身熔點高，所以很難采用熔融的結晶技術(比如硅)。目前最先進的結晶技術也只能生產出2寸片，成本極其昂貴，無法實現大規模生產，所以不具備產業化經濟效益需求。現在業界發展比較成熟的制備技術且同時具備產業化可行性的是金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)外延技術。同時因為氮化鎵材料晶格的特性，自然界還缺乏一個能夠跟氮化鎵晶格匹配相似并且制造成本相對較低的襯底材料。現在業界普遍使用的襯底是碳化硅，藍寶石，以及單晶硅。隨著近年來國內外SiC單晶材料制備技術的進步，SiC單晶基底的價格逐漸降低，這為降低SiC基底上制備氮化鎵外延材料的生產成本創造了條件。但SiC基底與GaN材料在晶格常數和熱膨脹系數都存在較大差異，由此會遇到兩方面的問題：(1)晶格失配問題：因GaN的晶格常數(a＝0.3189nm，c＝0.5185nm)和6H-SiC的晶格常數(a＝0.3073nm，c＝1.0053nm)不同，3.77％的晶格失配度致使在GaN外延層外延生長初期會產生非常大的晶格失配應力，當生長的GaN外延層的厚度超過某一臨界厚度(幾nm到幾百nm厚，具體視引入的中間層情況而定)后，積聚在GaN外延層中的這種大晶格失配應力就會以在界面處產生位錯和缺陷的形式釋放，這將造成GaN外延層結晶質量的惡化進而降低后續器件結構的性能；(2)熱失配問題：因GaN的熱膨脹系數(a：5.59×10-6K)和6H-SiC的熱膨脹系數(a：3.54×10-6K)也存在較大差異，這致使GaN外延層或LED器件結構從很高的生長溫度(如800～1100℃)降到室溫的過程中會積聚非常大的熱應力，這種熱應力對GaN外延層而言是一種張應力進而易造成GaN外延層材料產生龜裂或彎曲。采用積聚較大熱張應力和有裂紋或彎曲的GaN外延層材料制備器件，勢必影響器件性能和良品率的提高。目前轉移和協調釋放SiC基底上制備的GaN外延層材料的失配應力的常用方法有：應力協變層(包括緩沖層、柔性層、插入層等)和圖形襯底。現有的應力協變層，如GaN緩沖層、AlN緩沖層、AlGaN組分漸變緩沖層、薄InAlGaN柔性層等，盡管在轉移和協調釋放晶格失配應力方面具有較好效果，但在轉移和協調釋放熱失配應力方面作用有限。

發明內容

本發明的目的在于提供一種以SiC為襯底GaN基HEMT器件外延生長方法，解決了現有技術方法在SiC襯底上生長GaN存在晶格失配和熱失配的問題。

一種以SiC為襯底GaN基HEMT器件外延生長方法，具體步驟及參數如下：