[發明專利]一種提升氮化鎵異質外延的界面質量的生長方法

有效

• 申請號: 202010428789.6
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111681953B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 李傳皓;李忠輝;彭大青;陳韜
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十五研究所
• 主分類號: H01L21/20
• 分類號: H01L21/20;H01L21/205;H01L21/02;H01L21/67;H01L21/335
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 施昊

本發明公開了一種提升氮化鎵異質外延的界面質量的生長方法，利用金屬有機物化學氣相沉積等材料生長技術，通過對氮化鋁成核層采用源的分時輸運工藝及引入表面活性劑，改善成核層的島間橫向合并、降低成核層的缺陷密度；并結合第一氮化鎵緩沖層三維生長模式的控制，降低氮化鎵緩沖層的缺陷密度。本發明在降低氮化鎵外延材料缺陷密度的同時，顯著改善了氮化鎵異質外延的界面質量，有利于改善氮化鎵微波器件的熱傳輸特性，提升器件的可靠性。

技術領域

本發明屬于半導體外延材料制備領域，特別涉及了一種氮化鎵異質外延的生長方法。

背景技術

氮化鎵高電子遷移率場效應管具有輸出功率密度大、工作頻率高、抗輻照等優點，在微波功率器件應用中有著獨特的優勢，且正朝著毫米波和大功率方向迅速發展，其中截止頻率已超過400GHz，輸出功率密度達到20W/mm。但在射頻狀態下，器件溝道附近產生大量的熱量，這對其熱管理能力提出了嚴苛的要求。而當前微波功率器件由于氮化鎵異質外延的界面質量較差，致使器件性能受限于內部的熱傳輸能力，導致器件的本征大功率優勢未得到充分發揮。為了保證器件的可靠性，實際工作時器件的輸出功率密度僅為5-7W/mm，遠低于實驗室水平。因此，改善氮化鎵異質外延的界面質量、提升器件散熱性能成為微波功率器件亟需解決的問題。

經研究，提升器件的熱傳輸能力、改善氮化鎵異質外延的界面質量，關鍵是在減薄AlN成核層和GaN緩沖層厚度的同時，提升AlN成核層和GaN緩沖層的材料質量。然而在常規氮化鋁成核層工藝下，鋁原子橫向遷移長度低而不利于成核層島間的側向合并，這導致了成核層內失配缺陷多、表面形貌差，并且氮化鋁成核層內高密度的失配缺陷會延伸至氮化鎵緩沖層致使緩沖層內的穿透位錯密度較高。另外，氮化鎵屬于大失配異質外延，減薄氮化鎵緩沖層厚度也會使緩沖層材料質量惡化。除外延材料的結構設計以外，通過外延工藝控制來改善氮化鎵異質外延的界面質量，提升熱傳輸能力，這對于提升微波功率器件的性能有著極為重要的意義。

發明內容

為了解決上述背景技術提到的技術問題，本發明提出了一種提升氮化鎵異質外延的界面質量的生長方法。

為了實現上述技術目的，本發明的技術方案為：

一種提升氮化鎵異質外延的界面質量的生長方法，包括以下步驟：

(1)選取單晶襯底，將其置于材料生長的設備內基座上；

(2)設置材料生長設備的反應室壓強為50～150torr，通入H₂，系統升溫至1000～1100℃，在H₂氣氛下烘烤襯底5～15分鐘，去除表面沾污；

(3)保持反應室壓強不變，繼續升溫至1100～1250℃，通入NH₃并保持0.5～3分鐘，對襯底表面進行氮化；

(4)保持反應室壓強和溫度不變，關閉NH₃的同時通入鋁源和銦源，持續6～24秒；然后關閉鋁源和銦源的同時通入NH₃，持續6～24秒；重復本步驟的前述工藝，直至氮化鋁成核層的厚度達到預定值，關閉鋁源和銦源；

(5)在NH₃的氣氛中將溫度降至1000～1100℃，反應室壓強升至300～550torr，通入鎵源，生長厚度為200～600nm的第一氮化鎵緩沖層，關閉鎵源；保持溫度不變，反應室壓強降至150～300torr，通入鎵源，生長厚度為0.5～2.5μm的第二氮化鎵緩沖層；

(6)保持反應室溫度不變，在NH₃氣氛中降壓，待氣流穩定后，通入鎵源和鋁源，生長鋁鎵氮Al_xGa_1-xN勢壘層，其中鋁組分x∈(0,1]，關閉鎵源和鋁源；

(7)保持反應室溫度和壓強不變，通入鎵源，生長氮化鎵帽層，關閉鎵源；