Si衬底AlN模板的制备方法及Si衬底GaN外延结构的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Si衬底AlN模板的制备方法及Si衬底GaN外延结构的制备方法，该Si衬底AlN模板的制备方法包括：选取Si衬底；在Si衬底上生长AlN成核层；通过所述AlN成核层向所述Si衬底注入离子。本发明专利技术在Si衬底上制备AlN成核层之后，便通过AlN成核层向Si衬底进行离子注入和向AlN成核层注入离子，这种方式所注入的离子种类可以得到扩展，还可以降低Si/AlN界面处载流子的浓度和AlN成核层里的载流子浓度，从而降低Si衬底AlN模板的射频损耗，提高使用此Si衬底AlN模板制作的GaN微波器件的特性，以满足GaN微波器件在航空航天、雷达、移动通信等领域的应用需求。另外，使用所述Si衬底AlN模板制备GaN器件外延结构，其设计具有更多自由度。

【技术实现步骤摘要】
Si衬底AlN模板的制备方法及Si衬底GaN外延结构的制备方法
本专利技术属于半导体
，具体涉及一种Si衬底AlN模板的制备方法及Si衬底GaN外延结构的制备方法。
技术介绍
第三代半导体材料GaN具有宽的禁带宽度、高临界击穿场强、高电子迁移率、高饱和电子漂移速度的优点，在微波毫米波大功率电子器件领域极具发展潜力，可广泛应用于航空航天、雷达、5G通信等领域。GaN外延片有同质外延和异质外延两种，由于GaN同质外延成本十分高昂，目前常用的技术是异质外延。GaN异质外延常用的衬底有蓝宝石、SiC和Si等，其中Si衬底相比其他衬底具有尺寸大、成本低且可以与Si基CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺兼容的优点，目前基于Si衬底的GaN外延片的研究是国际上的热点之一。目前基于Si衬底的典型GaN外延层结构AlN成核层、渐变AlGaN过渡层或者AlN/GaN超晶格过渡层、GaN缓冲层、III族氮化物器件异质结结构。在外延生长过程中，基于Si衬底的GaN外延片中的AlN成核层和III族氮化物过渡层中的Al原子和Ga原子会向Si衬底扩散，对Si衬底形成p型掺杂，导致Si衬底表面存在p型导电沟道。另外，由于AlN成核层中的极化电荷的存在，在Si/AlN界面比较存在n型反型导电沟道。AlN成核层中的高缺陷密度也会造成较高的背景载流子浓度。这几种因素使基于Si衬底的GaN外延片以及在基于Si衬底的GaN外延片上制作的微波器件带来很高的电磁损耗，降低了GaN微波器件的特性。因此，为了提高GaN微波器件的特性，以满足GaN微波器件在航空航天、雷达、5G通信等领域的应用需求，降低Si衬底GaN外延片的射频损耗很有必要。目前，文献公开报道的降低Si衬底上GaN外延片的射频损耗的主要措施有：一、优化AlN成核层的厚度和生长条件，采用比较薄的AlN成核层(T.T.Luongetal.,RFlossmechanismsinGaN-basedhigh-electron-mobility-transistoronsilicon:RoleofaninversionchannelattheAlN/Siinterface[J],Phys.Status.Solidi.A,2017:1600944)。但是采用比较薄的AlN成核层会对之后III族氮化物的过渡层、GaN缓冲和器件的异质接结构的质量造成影响。另外，Si衬底表面的p型掺杂沟道和Si/AlN界面的n型反型沟道仍然存在，问题并没有解决。二，采取局部移除衬底的办法，将射频器件下面的Si衬底移除(L.Pattisonetal.,ImprovingGaNonSiPowerAmplifiersthroughreductionofparasiticconductionlayer[C],Proc.9thEuropeanMicrowaveIntegratedCircuitsConf.,2014:92)。但是，局部移除Si衬底会引入比较大的热阻，影响器件的散热，另外也对射频器件的衬底通孔和背金属的制作带来困难。另外，国外有人在专利中提出了在完成Si衬底上的AlN成核层、AlGaN过渡层的生长之后，采用离子注入技术，在AlN/Si界面处注入相对原子质量低于5的元素离子，比如H离子，以破坏Si衬底的晶格结构，阻挡Al、Ga原子向Si衬底的扩散，从而降低AlN/Si界面处的载流子浓度，降低Si衬底GaN材料的射频损耗(J.C.Roberts,etal.,III–Nitridesemiconductorstructurescomprisingspatiallypatternedimplantedspecies[P]2017)。这个专利中并没有提出对III-族氮化物材料中的背景载流子浓度进行处理，而III-族氮化物材料中的背景载流子浓度也是引起Si衬底GaN器件电磁损耗的重要一部分。并且，在外延生长AlGaN过渡层之后再进行离子注入，会因为氮化物层太厚导致如果注入的离子相对原子质量大于5时，其注入深度受限，从而无法注入到AlN/Si界面处，所以需要将注入的离子种类限制为相对原子量小于5的元素，这减少了对注入的离子种类的数量和选择，并且，离子注入在外延生长AlGaN过渡层后进行，材料的表面会吸附杂质离子，在继续外延生长GaN缓冲层和之后的器件异质结结构时，杂质离子会扩散进入GaN的缓冲层和器件异质结结构，从而影响器件的性能。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种Si衬底AlN模板的制备方法及Si衬底GaN外延结构的制备方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：一种Si衬底AlN模板的制备方法，包括：选取Si衬底；在所述Si衬底上生长AlN成核层；通过所述AlN成核层向所述Si衬底注入离子。在本专利技术的一个实施例中，在所述Si衬底上生长AlN成核层，包括：利用MBE、MOCVD、HVPE或PVD方法在所述Si衬底上生长所述AlN成核层。在本专利技术的一个实施例中，通过所述AlN成核层向所述Si衬底注入离子，还包括：通过所述AlN成核层向所述Si衬底注入离子，并向所述AlN成核层注入离子。在本专利技术的一个实施例中，通过所述AlN成核层向所述Si衬底注入离子，并向所述AlN成核层注入离子，包括：利用离子注入方法通过所述AlN成核层向所述Si衬底注入离子，并利用离子注入方法向所述AlN成核层注入离子。在本专利技术的一个实施例中，所述离子的注入剂量为1×1010cm-2-1×1016cm-2，注入的能量为10KeV-100KeV。在本专利技术的一个实施例中，向所述Si衬底注入的离子为Ar、N、H、O、F、As、P离子中的一种或者几种，向所述AlN成核层注入的离子为Ar、N、Fe、C、F、Mg离子中的一种或者几种。在本专利技术的一个实施例中，所述Si衬底的电阻率为0.01-10000Ω·cm。在本专利技术的一个实施例中，所述Si衬底的厚度为100-1500μm。在本专利技术的一个实施例中，所述AlN成核层的厚度为10-500nm。本专利技术一个实施例还提供一种Si衬底GaN外延结构的制备方法，包括：利用上述任一项实施例所述的Si衬底AlN模板的制备方法制备的Si衬底AlN模板；在所述Si衬底AlN模板的所述AlN成核层上生长III族氮化物过渡层；在所述III族氮化物过渡层上生长GaN缓冲层；在所述GaN缓冲层上生长III族氮化物射频器件异质结结构。本专利技术的有益效果：本专利技术在Si衬底上制备AlN成核层之后，便通过AlN成核层向Si衬底和AlN成核层进行离子注入，这种方式所注入的离子种类可以得到扩展，此外，还可以降低Si/AlN界面处载流子的浓度和AlN成核层里的载流子浓度，从而降低Si衬底AlN模板的射频损耗，提高使用此Si衬底AlN模板制作的GaN微波器件的特性，以满足GaN微波器件在航本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Si衬底AlN模板的制备方法，其特征在于，包括：/n选取Si衬底；/n在所述Si衬底上生长AlN成核层；/n通过所述AlN成核层向所述Si衬底注入离子。/n

【技术特征摘要】
1.一种Si衬底AlN模板的制备方法，其特征在于，包括：
选取Si衬底；
在所述Si衬底上生长AlN成核层；
通过所述AlN成核层向所述Si衬底注入离子。


2.根据权利要求1所述的Si衬底AlN模板的制备方法，其特征在于，在所述Si衬底上生长AlN成核层，包括：
利用MBE、MOCVD、HVPE或PVD方法在所述Si衬底上生长所述AlN成核层。


3.根据权利要求1所述的Si衬底AlN模板的制备方法，其特征在于，通过所述AlN成核层向所述Si衬底注入离子，还包括：
通过所述AlN成核层向所述Si衬底注入离子，并向所述AlN成核层注入离子。


4.根据权利要求3所述的Si衬底AlN模板的制备方法，其特征在于，通过所述AlN成核层向所述Si衬底注入离子，并向所述AlN成核层注入离子，包括：
利用离子注入方法通过所述AlN成核层向所述Si衬底注入离子，并利用离子注入方法向所述AlN成核层注入离子。


5.根据权利要求4所述的Si衬底AlN模板的制备方法，其特征在于，所述离子的注入剂量为1×1010cm-2-1×1016cm-2，注入的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志宏，刘俊伟，张进成，郝璐，宋昆璐，周弘，赵胜雷，张雅超，张苇杭，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61