[發(fā)明專利]硅基氮化鎵射頻器件射頻損耗的抑制方法

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• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111211159A
• 公開（公告）日: 2020-05-29
• 發(fā)明（設計）人: 楊學林;沈波;魏來;馬騁;吳珊;沈劍飛;劉丹爍;蔡子東;黃華洋;陳正昊
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/778;H01L21/02;H01L21/335
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發(fā)明公開了一種硅基氮化鎵射頻器件射頻損耗的抑制方法，在高阻硅襯底上外延一層n型單晶硅，得到復合硅襯底，再在其上外延氮化鋁和后續(xù)的氮化鎵薄膜，通過復合硅襯底摻雜的n型電子與鋁原子擴散帶來的空穴流子復合，從而使硅襯底維持在高阻狀態(tài)，降低硅基氮化鎵射頻器件的射頻損耗。該方法在有效抑制器件射頻損耗的同時，不會降低外延層的晶體質(zhì)量，不影響器件的穩(wěn)定性，而且操作簡單快捷，成本可控。

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于半導體技術(shù)領域，特別涉及一種抑制硅基氮化鎵射頻器件在應用中面臨的射頻損耗問題的方法。

背景技術(shù)

以III族氮化物為代表的第三代半導體具有高禁帶寬度、高擊穿電場、高飽和電子漂移速度以及強極化等優(yōu)異的性質(zhì)，特別是基于硅(Si)襯底和碳化硅(SiC)襯底上的鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高遷移率晶體管(HEMT)具有開關速度快、導通電阻低、器件體積小、耐高溫、節(jié)能等優(yōu)異特性，有望在下一代微波射頻功率器件領域得到廣泛使用。

目前氮化鎵基微波射頻電子器件一般是采用碳化硅(SiC)襯底上外延氮化鎵(GaN)，主要是由于碳化硅(SiC)襯底出色的散熱性能和射頻表現(xiàn)。而另一種襯底——硅(Si)襯底目前被應用得較少，主要是由于硅基氮化鎵射頻器件存在非常嚴重的射頻損耗問題，較難直接投入應用。但是，硅基氮化鎵微波射頻器件卻擁有絕對的成本優(yōu)勢，而且由于硅基大規(guī)模集成電路的成熟發(fā)展，硅基器件也具有做成集成器件的潛力。因此，解決硅基氮化鎵射頻器件目前存在的射頻損耗問題就顯得尤為重要，將推動低成本的硅基氮化鎵微波射頻器件的大規(guī)模應用，推動射頻產(chǎn)業(yè)進步。

硅基氮化鎵射頻器件目前存在的射頻損耗問題主要與氮化鎵外延過程中鋁原子擴散帶來p型空穴導電層有關。由于硅襯底與氮化鎵材料之間存在較大的晶格適配和熱失配，生長過程中需要插入多層應力緩沖層，第一層是在硅襯底上外延的一層氮化鋁成核層。這層氮化鋁帶來的氮化鋁/硅界面對于射頻損耗非常關鍵，在生長這一層氮化鋁成核層時，鋁原子會擴散進入硅襯底，增加了原本為高阻的硅襯底的導電性，形成了一層p型空穴導電層，從而導致了微波射頻器件在工作室有較大的射頻損耗。因此，如何通過有效的外延生長方法，抑制鋁原子在氮化鋁外延過程中向高阻硅襯底進行擴散進而抑制射頻損耗，對于提高硅基氮化鎵射頻器件性能、降低微波射頻器件成本有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于抑制鋁原子向硅襯底擴散帶來的硅基氮化鎵射頻器件的射頻損耗的方法：利用硅襯底的n型摻雜外延補償鋁原子外延進入硅襯底中帶來的空穴載流子。主要方式是，在高阻硅襯底上外延一層n型單晶硅，在這個復合硅襯底上再外延氮化鋁和后續(xù)的氮化鎵薄膜。主要原理是通過摻雜的n型電子補償鋁原子擴散帶來的空穴，從而使得硅襯底在外延生長氮化鋁之后也維持在高阻狀態(tài)。這種方法不僅不會損害上面外延層的晶體質(zhì)量，而且由于目前硅外延技術(shù)非常發(fā)達，外延晶體硅的成本和質(zhì)量都能夠得到保障。最重要的是，一切的工作都是在進入金屬有機物氣相化學沉積(MOCVD)的腔室生長前對于襯底的預處理，因此不占用工廠的機時，這對于工業(yè)生產(chǎn)控制成本也有好處。

本發(fā)明方法簡單且快捷有效，對于抑制氮化鋁在硅襯底上外延過程中鋁原子向硅襯底擴散帶來的射頻損耗，將發(fā)揮重要作用。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

一種硅基氮化鎵射頻器件射頻損耗的抑制方法，以阻值大于5000歐姆·厘米的高阻硅襯底為所述射頻器件的基底，先在該高阻硅襯底上外延一層n型單晶硅，形成復合硅襯底，然后再在該復合硅襯底上進行正常的氮化鎵射頻器件的外延。

所述n型單晶硅中的載流子濃度分布需要與所述射頻器件因鋁原子擴散在硅襯底中帶來的空穴濃度分布相當，通常，所述n型單晶硅中摻雜元素的摻雜體濃度為1E14到1E17個每立方厘米，面密度在1E10到1E13個每平方厘米，摻雜深度在100納米到2000納米。優(yōu)選的，n型單晶硅中的摻雜元素是磷元素。

優(yōu)選的，在高阻硅襯底上外延的n型單晶硅層的厚度為100～3000納米。