[發(fā)明專利]一種用于制備GaN基高頻微波器件的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810140968.2
• 申請(qǐng)日: 2018-02-11
• 公開（公告）號(hào): CN108417627A
• 公開（公告）日: 2018-08-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫錢;周宇;高宏偉;馮美鑫;楊輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所南昌研究院;中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
• 主分類號(hào): H01L29/778
• 分類號(hào): H01L29/778;H01L21/336;H01L29/06
• 代理公司: 南昌新天下專利商標(biāo)代理有限公司 36115
• 代理人: 劉華

本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種用于制備GaN基高頻微波器件的方法，步驟包括：(1)在襯底材料上，自下而上依次外延生長成核層、應(yīng)力控制層、緩沖層；(2)在所述緩沖層上生長高Al組分異質(zhì)結(jié)，包括第一半導(dǎo)體層GaN溝道層，第二半導(dǎo)體層高Al組分勢(shì)壘層，在勢(shì)壘層生長過程中，通入TMIn，用于增強(qiáng)Al原子的橫向遷移；(3)在所述高Al組分勢(shì)壘層上生長GaN帽層；(4)源、漏歐姆接觸制備；(5)柵極制備；(6)鈍化層沉積；以及(7)有源區(qū)隔離。本發(fā)明方法能有效提高異質(zhì)結(jié)中的組分均勻性并改善應(yīng)力場分布，大幅提高異質(zhì)結(jié)晶體質(zhì)量，最終提升高頻微波器件性能與可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)一步涉及半導(dǎo)體材料制備方法。

背景

氮化鎵(GaN)作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的代表，具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，器件功率密度是硅(Si)、砷化鎵(GaAs)功率密度的10倍以上。由于其高頻率、高功率、高效率、耐高溫、抗輻射等優(yōu)異特性，可廣泛應(yīng)用于微波毫米波頻段的尖端軍事裝備和民用通信基站等領(lǐng)域，因此成為新一代固態(tài)微波功率器件與材料研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。

為了使GaN基微波器件同時(shí)獲得高輸出功率、高增益截止頻率f_T、高振蕩頻率f_Max，并有效地抑制器件尺寸等比例縮小帶來的短溝道效應(yīng)，核心有源區(qū)異質(zhì)結(jié)的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及生長成為關(guān)鍵，需要同步提高溝道電子遷移率、最大電子飽和漂移速度、二維電子氣密度，且勢(shì)壘層不宜偏厚。2006年，日本國家情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)采用MBE技術(shù)(Molecular BeamEpitaxy,分子束外延)，在藍(lán)寶石(Sapphire)襯底上外延生長基于較高Al組分勢(shì)壘層的Al_0.4Ga_0.6N(8nm)/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)，研制出高頻微波器件。2008年，又采用MOCVD技術(shù)(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積)，在碳化硅(SiC)襯底上外延生長基于Al_0.4Ga_0.6N(6nm)/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)并制備高頻微波器件。之后，美國康奈爾大學(xué)、瑞典查爾姆斯理工、美國IQE公司等進(jìn)一步研制出基于更高Al組分、更薄AlGaN勢(shì)壘層(Al組分>50％，厚度<4nm)異質(zhì)結(jié)的高頻微波器件。另一方面，AlInN三元合金體系由于具有較強(qiáng)的自發(fā)極化效應(yīng)，且In組分為～17％時(shí)，其與GaN能夠形成近晶格匹配生長，可有效降低晶格失配和壓電極化引起的晶格缺陷，有效防止高壓下逆壓電效應(yīng)導(dǎo)致的器件失效，提高器件可靠性，因此，采用近晶格匹配的Al_0.83In_0.17N/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)制備高頻微波器件逐漸成為另一條技術(shù)路線而受到廣泛關(guān)注。此外，由于AlInGaN四元合金體系在擁有強(qiáng)極化效應(yīng)的同時(shí)，具備更大的組分調(diào)節(jié)自由度，AlInGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)在高頻微波器件領(lǐng)域的應(yīng)用亦逐步受到重視，美國圣母大學(xué)、德國亞琛工大、美國IQE公司均投入研發(fā)。在襯底方面，由于SiC具有與GaN更小的晶格失配、更高的導(dǎo)熱系數(shù)，因此成為商用化高頻微波器件的主流選擇。

采用傳統(tǒng)基于高Al組分勢(shì)壘層的AlGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)制備高頻微波，由于勢(shì)壘層中存在較強(qiáng)張應(yīng)力，外延生長過程中容易出現(xiàn)微溝槽及裂紋，一方面，極大影響異質(zhì)結(jié)界面質(zhì)量，從而惡化溝道處電子遷移率，降低器件截止頻率f_T與振蕩頻率f_Max；另一方面，裂紋會(huì)誘導(dǎo)漏電通道，導(dǎo)致柵極漏電顯著增加，從而造成較大的噪聲與功耗，并降低柵壓擺幅而增大靜態(tài)功耗。此外，由于Al原子的表面遷移率較低，傳統(tǒng)高Al組分勢(shì)壘層的Al組分空間分布并非均勻，故會(huì)誘導(dǎo)形成局域張應(yīng)力場，加大逆壓電效應(yīng)發(fā)生的可能性，影響器件高頻、高功率工作狀態(tài)下的可靠性。