一种提升氮化镓异质外延的界面质量的生长方法技术

本发明专利技术公开了一种提升氮化镓异质外延的界面质量的生长方法，利用金属有机物化学气相沉积等材料生长技术，通过对氮化铝成核层采用源的分时输运工艺及引入表面活性剂，改善成核层的岛间横向合并、降低成核层的缺陷密度；并结合第一氮化镓缓冲层三维生长模式的控制，降低氮化镓缓冲层的缺陷密度。本发明专利技术在降低氮化镓外延材料缺陷密度的同时，显著改善了氮化镓异质外延的界面质量，有利于改善氮化镓微波器件的热传输特性，提升器件的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种提升氮化镓异质外延的界面质量的生长方法
本专利技术属于半导体外延材料制备领域，特别涉及了一种氮化镓异质外延的生长方法。
技术介绍
氮化镓高电子迁移率场效应管具有输出功率密度大、工作频率高、抗辐照等优点，在微波功率器件应用中有着独特的优势，且正朝着毫米波和大功率方向迅速发展，其中截止频率已超过400GHz，输出功率密度达到20W/mm。但在射频状态下，器件沟道附近产生大量的热量，这对其热管理能力提出了严苛的要求。而当前微波功率器件由于氮化镓异质外延的界面质量较差，致使器件性能受限于内部的热传输能力，导致器件的本征大功率优势未得到充分发挥。为了保证器件的可靠性，实际工作时器件的输出功率密度仅为5-7W/mm，远低于实验室水平。因此，改善氮化镓异质外延的界面质量、提升器件散热性能成为微波功率器件亟需解决的问题。经研究，提升器件的热传输能力、改善氮化镓异质外延的界面质量，关键是在减薄AlN成核层和GaN缓冲层厚度的同时，提升AlN成核层和GaN缓冲层的材料质量。然而在常规氮化铝成核层工艺下，铝原子横向迁移长度低而不利于成核层岛间的侧向合并，这导致了成核层内失配缺陷多、表面形貌差，并且氮化铝成核层内高密度的失配缺陷会延伸至氮化镓缓冲层致使缓冲层内的穿透位错密度较高。另外，氮化镓属于大失配异质外延，减薄氮化镓缓冲层厚度也会使缓冲层材料质量恶化。除外延材料的结构设计以外，通过外延工艺控制来改善氮化镓异质外延的界面质量，提升热传输能力，这对于提升微波功率器件的性能有着极为重要的意义。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提到的技术问题，本专利技术提出了一种提升氮化镓异质外延的界面质量的生长方法。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种提升氮化镓异质外延的界面质量的生长方法，包括以下步骤：(1)选取单晶衬底，将其置于材料生长的设备内基座上；(2)设置材料生长设备的反应室压强为50～150torr，通入H2，系统升温至1000～1100℃，在H2气氛下烘烤衬底5～15分钟，去除表面沾污；(3)保持反应室压强不变，继续升温至1100～1250℃，通入NH3并保持0.5～3分钟，对衬底表面进行氮化；(4)保持反应室压强和温度不变，关闭NH3的同时通入铝源和铟源，持续6～24秒；然后关闭铝源和铟源的同时通入NH3，持续6～24秒；重复本步骤的前述工艺，直至氮化铝成核层的厚度达到预定值，关闭铝源和铟源；(5)在NH3的气氛中将温度降至1000～1100℃，反应室压强升至300～550torr，通入镓源，生长厚度为200～600nm的第一氮化镓缓冲层，关闭镓源；保持温度不变，反应室压强降至150～300torr，通入镓源，生长厚度为0.5～2.5μm的第二氮化镓缓冲层；(6)保持反应室温度不变，在NH3气氛中降压，待气流稳定后，通入镓源和铝源，生长铝镓氮AlxGa1-xN势垒层，其中铝组分x∈(0,1]，关闭镓源和铝源；(7)保持反应室温度和压强不变，通入镓源，生长氮化镓帽层，关闭镓源；(8)外延生长完成之后，在NH3气氛中降温，最后取出氮化镓外延片。进一步地，在步骤(1)中，所述材料生长包括金属有机物化学气相沉积。进一步地，在步骤(4)中，氮化铝成核层的厚度预定值为25～55nm。进一步地，在步骤(5)中，当氮化铝成核层表面岛的典型尺寸小于等于250nm时，第一氮化镓缓冲层的生长压强为450～550torr；当氮化铝成核层表面岛的典型尺寸大于250nm时，第一氮化镓缓冲层的生长压强为300～450torr。采用上述技术方案带来的有益效果：本专利技术在保证氮化铝成核层厚度较薄的基础上，降低了氮化铝成核层和氮化镓缓冲层内的缺陷密度，改善了氮化镓异质外延的界面质量，有利于提升器件的热传输能力。具体地，本专利技术通过对氮化铝成核层采用源的分时输运工艺及引入表面活性剂，改善成核层岛间的横向合并、降低成核层的缺陷密度；并结合第一氮化镓缓冲层三维生长模式的控制，降低氮化镓缓冲层的缺陷密度。附图说明图1是本专利技术得到的氮化镓外延片结构示意图，其中，1：单晶衬底，2：氮化铝成核层，3a：第一氮化镓缓冲层，3b：第二氮化镓缓冲层，4：势垒层，5：帽层；图2是分别采用常规工艺和本专利技术工艺生长的氮化铝成核层表面形貌图；图3是分别采用常规氮化镓缓冲层工艺和本专利技术第一氮化镓缓冲层工艺的反射率振荡曲线图，其中tA为第一氮化镓缓冲层初始生长时刻，tB为第一氮化镓缓冲层终止生长时刻；图4是分别采用本专利技术工艺和常规工艺生长的氮化镓缓冲层(102)面摇摆曲线对比图；图5是分别采用本专利技术工艺和常规工艺生长GaN异质外延的界面质量图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。在本实施例中，以MOCVD系统作为材料生长设备，具体步骤如下：步骤1：选取4英寸碳化硅单晶衬底，置于MOCVD设备内的基座上；步骤2：设置反应室压强为80torr，通入流量为80slm的H2，系统升温至1070℃并维持该温度至8分钟，去除衬底表面沾污；步骤3：保持反应室压强不变，继续升温至1140℃，通入4slmNH3并保持1分钟，对衬底进行氮化；步骤4：保持反应室压强和温度不变，关闭NH3的同时通入流量为200sccm的三甲基铝和150sccm的三甲基铟，持续通金属源12秒；然后关闭三甲基铝和三甲基铟的同时通入流量为4slm的NH3，持续通氨12秒；重复进行该源的分时输运工艺，直至氮化铝成核层的生长厚度达到35nm，关闭三甲基铝和三甲基铟；步骤5：在NH3氛围中将温度降至1050℃，反应室压强升至420torr，NH3流量为50slm，三甲基镓流量为200sccm，生长厚度为550nm的第一氮化镓缓冲层；保持温度不变，反应室压强降至200torr，三甲基镓流量为100sccm，NH3流量为25slm，生长厚度为1.35μm的第二氮化镓缓冲层；步骤6：保持反应室温度不变，在NH3气氛中降压，待气流稳定后，通入三甲基镓和三甲基铝，生长20nm厚的Al0.3Ga0.7N势垒层，关闭三甲基镓和三甲基铝；步骤7：保持反应室温度和压强不变，通入三甲基镓，生长2nm厚的氮化镓帽层，关闭三甲基镓；步骤8：外延生长完成之后，在NH3气氛中降温，最后取出氮化镓外延片，如图1所示为氮化镓外延片的结构示意图。本专利技术提供的实施例中采用源的分时输运及引入表面活性剂生长的厚度为35nm的氮化铝成核层如图2中(b)所示，与图2中(a)所示常规工艺生长的厚度65nm的氮化铝成核层相比，成核层的坑状缺陷密度大幅降低，且5μmx5μm表面粗糙度(RMS)由0.71nm降至0.36nm；(004)和(105)面半高宽分别由646″和1167″降至328″和722″，表明成核层晶体质量得到明显改善。本专利技术提供的实施例中通过引入第一氮化镓缓冲层高压生长工艺，在GaN初始本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提升氮化镓异质外延的界面质量的生长方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)选取单晶衬底，将其置于材料生长的设备内基座上；/n(2)设置材料生长设备的反应室压强为50～150torr，通入H

【技术特征摘要】
1.一种提升氮化镓异质外延的界面质量的生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取单晶衬底，将其置于材料生长的设备内基座上；
(2)设置材料生长设备的反应室压强为50～150torr，通入H2，系统升温至1000～1100℃，在H2气氛下烘烤衬底5～15分钟，去除表面沾污；
(3)保持反应室压强不变，继续升温至1100～1250℃，通入NH3并保持0.5～3分钟，对衬底表面进行氮化；
(4)保持反应室压强和温度不变，关闭NH3的同时通入铝源和铟源，持续6～24秒；然后关闭铝源和铟源的同时通入NH3，持续6～24秒；重复本步骤的前述工艺，直至氮化铝成核层的厚度达到预定值，关闭铝源和铟源；
(5)在NH3的气氛中将温度降至1000～1100℃，反应室压强升至300～550torr，通入镓源，生长厚度为200～600nm的第一氮化镓缓冲层，关闭镓源；保持温度不变，反应室压强降至150～300torr，通入镓源，生长厚度为0.5～2.5μm的第二氮化镓缓冲层；
(6)保持反...

【专利技术属性】
技术研发人员：李传皓，李忠辉，彭大青，陈韬，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32