[發明專利]一種提高超薄氮化鎵場效應管晶體質量的外延方法

有效

• 申請號: 202011572717.5
• 申請日: 2020-12-24
• 公開（公告）號: CN112687525B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 張東國;李忠輝
• 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: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L21/335
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 曹蕓

本發明公開了一種提高超薄氮化鎵場效應管晶體質量的外延方法，屬于半導體外延材料技術領域。本方法利用金屬有機物化學氣相沉積等材料生長技術，通過前期有機鎵源浸潤預處理改善氮化鋁/氮化鎵界面質量，抑制界面位錯的生成，并在后期進行高溫退火重結晶實現氮化鎵穿透位錯快速湮沒，可以大幅度降低氮化鎵復合緩沖層生長初期的位錯密度，從而實現了外延總厚度在200~500nm的高晶體質量氮化鎵場效應管材料制備。本發明可以在保證晶體質量的前提下，將氮化鎵緩沖層厚度大幅減薄，有助于改善器件功率和頻率特性，顯著降低外延成本；同時本發明的生長方法與常規氮化鎵外延工藝兼容，可控性好，具有較高的實用價值。

技術領域

本發明涉及一種提高超薄氮化鎵場效應管晶體質量的外延方法，屬于半導體外延材料技術領域。

背景技術

氮化鎵高遷移率場效應管是一種基于氮化物特有的極化效應在異質結界面溝道處產生高濃度的二維電子氣，并通過改變柵壓來控制溝道開關的新型半導體電子器件，具有高頻、高功率和耐高溫特性，該材料體系更加適合發展高溫、高壓、大功率微波器件，在軍事、移動通信、雷達等高端技術領域應用中具有非常重要的意義。

由于氮化鎵體單晶材料制備十分困難，因此氮化鎵單晶薄膜一般通過異質外延獲得。碳化硅襯底與氮化鎵晶格失配和熱失配均較小、導電、熱導率高，使碳化硅基氮化鎵高遷移率場效應管具有更高的功率特性、可靠性和更低的射頻損耗，因此目前超過95%商用氮化鎵微波器件均采用碳化硅襯底。然而，碳化硅襯底與氮化鎵單晶薄膜之間存在著一定的晶格失配和熱失配，在外延層中會產生高密度（10⁸～10¹⁰cm^-2）的位錯和較大的薄膜應力，不但惡化外延材料的晶體質量和表面形貌，而且影響器件的功率性能、成品率和可靠性。因此，降低位錯密度、提高外延材料晶體質量成為氮化鎵微波材料亟需解決的問題。

氮化鎵外延層中分布最廣、對材料與器件性能影響最大的缺陷是垂直于襯底表面的穿透位錯，主要源于成核層上生長的高溫氮化鎵成核島間合并過程，此類位錯通常隨著外延厚度的增加出現轉向、湮沒，因此為了得到高質量的氮化鎵高遷移率場效應管外延材料，常規氮化鎵高遷移率場效應管的外延層厚度通常在1.5μｍ以上，增加了成本消耗，同時需要進行摻雜補償來獲得高阻性能。針對氮化鎵功率管輸出功率不斷提高的需求，氮化鎵高遷移率場效應管的材料需滿足更高工作電壓、更高輸出功率密度的性能要求。然而，由于常規氮化鎵場效應管外延層厚度較厚，摻雜飽和效應和散熱問題進一步限制了碳化硅基氮化鎵微波功率器件技術的進一步發展。另外，氮化鎵高遷移率場效應管中氮化鎵緩沖層厚度占比95%以上，屬于外延成本主要消耗層，將厚度減薄80%～90%，可以有效降低外延成本50%以上，同時外延耗時減少30%，有效提升外延產能，更好的滿足未來氮化鎵市場擴張的需求。因此，開發新型超薄氮化鎵高遷移率場效應管采用非故意摻雜外延技術，將氮化鎵緩沖層厚度大幅減薄，并進一步提升晶體質量，對于提升微波功率器件的性能并降低成本有著極為重要的意義。

發明內容

針對外延層總厚度在200~500nm的超薄氮化鎵場效應管，本發明提出一種提高超薄氮化鎵場效應管晶體質量的外延方法，通過調控界面工藝，既減少了界面位錯的生成，同時實現了穿透位錯快速湮沒，顯著提升了超薄氮化鎵場效應管的晶體質量。

本發明為解決其技術問題采用如下技術方案：

一種提高超薄氮化鎵場效應管晶體質量的外延方法，包括以下步驟：

步驟一：選取碳化硅單晶襯底，置于金屬有機物化學氣相淀積材料生長設備內的反應室基座；

步驟二：設置反應室的壓力為100~200 mbar，通入H₂，系統升溫至1000~1100℃，在H₂氣氛下烘烤襯底5~15分鐘，去除襯底表面的粘污；