一种氮化镓基外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种氮化镓基外延结构的制备方法，包括：提供一衬底，并对所述衬底进行预处理，在所述衬底上生长氮化铝缓冲层；在所述氮化铝缓冲层上生长Al

【技术实现步骤摘要】
一种氮化镓基外延结构及其制备方法
本专利技术涉及半导体器件
，具体涉及一种氮化镓基外延结构及其制备方法。
技术介绍
氮化镓（GaN）作为宽禁带半导体材料的代表，具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强高、热导率高、稳定性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，因此氮化镓在高温、高频及大功率微波器件等领域具有很高的应用价值。另外，GaN由于具有优良的电子特性，可以和铝镓氮化合物（AlGaN）形成AlGaN/GaN异质结构，该异质结构界面由于具有较高的二维电子气（2DEG）密度，而2DEG作为HEMT器件中的导通沟道决定着GaN器件的电学性能，因此，AlGaN/GaN异质结构被誉为是微波功率器件的理想材料。因此，基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管（HEMT）在微波大功率器件方面具有非常好的应用前景。目前，为了提高2DEG的电子迁移率，通常选择在AlGaN势垒和GaN沟道层中间插入一层AlN，用于固化截面的缺陷，提高二维电子气的横向传输速率。但是由于Al原子结合能较大，在外延表面较难迁移，并且一般生长的AlN插入层的温度较低，导致界面质量下降且整体均匀性较差，影响射频器件的稳定性和可靠性。
技术实现思路
针对现有技术中的不足与缺陷，本专利技术提供一种氮化镓基外延结构及其制备方法，用于提高AlGaN/GaN异质结界面的2DEG的迁移率，进而提高器件的稳定性及可靠性。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种氮化镓基外延结构的制备方法，至少包括以下步骤：提供一衬底，并对所述衬底进行预处理；在所述衬底上生长氮化铝缓冲层；在所述氮化铝缓冲层上生长AlxGa1-xN缓冲层，其中AlxGa1-xN中的x为15~30%；在所述AlxGa1-xN缓冲层上生长氮化镓耐压层；在所述氮化镓耐压层上生长氮化镓沟道层；在所述氮化镓沟道层上引入铟源辅助生长AlyGa1-yN插入层，其中AlyGa1-yN中的y为60~80%；在所述AlyGa1-yN插入层上引入铟源辅助生长AlzGa1-zN势垒层，其中AlzGa1-zN中的z为20~35%；及在所述AlzGa1-zN势垒层上生长氮化镓盖帽层。于本专利技术的一实施例中，对所述衬底进行预处理包括：对所述衬底进行退火处理，包括，控制温度为930~980℃，控制压力为100~200mbar，氢气气体的流量130~160升/分钟（L/min），退火时间8~13min；将所述退火处理后的衬底进行氮化处理，包括，控制温度950~1000℃，控制压力为50~80mbar，氨气气体流量1500~4000sccm（标准毫升/分钟），氮化处理的时间为10~20秒（s）。于本专利技术的一实施例中，在所述衬底上生长氮化铝缓冲层包括：在所述衬底上生长第一氮化铝层，其生长温度由开始生长至生长结束升高80~100℃，其中开始生长的温度为950~1000℃，生长结束的温度为1050~1080℃，控制压力为50~80mbar，所述第一氮化铝层的厚度为5~25纳米（nm）；在所述第一氮化铝层上生长第二氮化铝层，包括控制温度为1050~1080℃，控制压力50~80mbar，所述第二氮化铝层的厚度为60~90nm。于本专利技术的一实施例中，在所述氮化铝缓冲层上生长AlxGa1-xN缓冲层包括：控制温度为1010~1050℃，压力为55~85mbar；向反应腔内通入三甲基镓、三甲基铝及氨气，其中，三甲基镓的流量为150~200sccm，三甲基铝的流量为400~500sccm，氨气的流量为6500sccm，Ⅴ/Ⅲ（第Ⅴ族元素/第Ⅲ族元素）摩尔比为200~280；所述AlxGa1-xN缓冲层的厚度为250~350nm，且AlxGa1-xN中的x为15~30%。于本专利技术的一实施例中，在所述AlxGa1-xN缓冲层上生长氮化镓耐压层是在引入碳源外掺碳源的辅助下进行的，包括：控制温度为1000~1050℃，控制压力为70~150mbar；向反应腔内通入乙烯、三甲基镓、氨气，其中乙烯流量为400~800sccm，三甲基镓流量为150~300sccm，氨气流量为30000sccm；所述氮化镓耐压层为碳掺杂的氮化镓，所述氮化镓耐压层的厚度为800~1300nm。于本专利技术的一实施例中，在所述氮化镓耐压层上生长的氮化镓沟道层的厚度为150~300nm。于本专利技术的一实施例中，在所述氮化镓沟道层上引入铟源辅助生长AlyGa1-yN插入层包括：控制温度为1000~1050℃，控制压力为50~150mbar；及向反应腔内通入三甲基铟、三甲基镓、三甲基铝及氨气，其中三甲基铟的流量为40~100sccm，三甲基镓的流量为10~20sccm，三甲基铝的流量为40~100sccm，氨气的流量为5000~15000sccm；所述AlyGa1-yN插入层的厚度为1~3nm。于本专利技术的一实施例中，在所述AlyGa1-yN插入层上引入铟源辅助生长AlzGa1-zN势垒层时向反应腔内通入的三甲基镓的流量为20~80sccm，三甲基铝的流量为40~100sccm，三甲基铟的流量为40~100sccm，氨气的流量为5000~15000sccm；所述AlzGa1-zN势垒层的厚度为15~30nm，且AlzGa1-zN中的z为20~35%。于本专利技术的一实施例中，在所述AlzGa1-zN势垒层上生长的氮化镓盖帽层的厚度为1~10nm。本专利技术的第二个方面是提供一种氮化镓基外延结构，包括：衬底；氮化铝缓冲层，位于所述衬底上；AlxGa1-xN缓冲层，位于所述氮化铝缓冲层上，其中AlxGa1-xN中的x为15~30%；氮化镓耐压层，位于所述AlxGa1-xN缓冲层上；氮化镓沟道层，位于所述氮化镓耐压层上；AlyGa1-yN插入层，位于所述氮化镓沟道层上，其中AlyGa1-yN中的y为60~80%；AlzGa1-zN势垒层，位于所述AlyGa1-yN插入层上，其中AlzGa1-zN中的z为20~35%；及氮化镓盖帽层，位于所述AlzGa1-zN势垒层上。如上所述，本专利技术提供一种氮化镓基外延结构的制备方法，在衬底上生长氮化铝缓冲层即可为后续外延生长提供晶核，又能缓解衬底与氮化镓层之间的晶格失配大，引入AlxGa1-xN缓冲层进一步缓解氮化铝与氮化镓层之间的晶格失配，在AlxGa1-xN缓冲层上生长碳掺杂氮化镓耐压层，可获得一层高阻耐压层，可减小电流泄露，提高器件的耐压特性和输出特性；在AlyGa1-yN插入层及AlzGa1-zN势垒层生长过程中引入铟源，利用铟原子表面活性作用，可加快铝原子的横向迁移速率，可提高AlyGa1-yN插入层及AlxGa1-xN势垒层原子分布的均匀性，提高晶体质量，改善界面性能；另外还通过对衬底进行氮化处理使衬底表面形成SiNX薄膜，阻止Al原子向衬底中扩散，减少射频器件的损耗。利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化镓基外延结构的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：/n提供一衬底，并对所述衬底进行预处理；/n在所述衬底上生长氮化铝缓冲层；/n在所述氮化铝缓冲层上生长Al

【技术特征摘要】
1.一种氮化镓基外延结构的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
提供一衬底，并对所述衬底进行预处理；
在所述衬底上生长氮化铝缓冲层；
在所述氮化铝缓冲层上生长AlxGa1-xN缓冲层，其中AlxGa1-xN中的x为15~30%；
在所述AlxGa1-xN缓冲层上生长氮化镓耐压层；
在所述氮化镓耐压层上生长氮化镓沟道层；
在所述氮化镓沟道层上引入铟源辅助生长AlyGa1-yN插入层，其中AlyGa1-yN中的y为60~80%；
在所述AlyGa1-yN插入层上引入铟源辅助生长AlzGa1-zN势垒层，其中AlzGa1-zN中的z为20~35%；及
在所述AlzGa1-zN势垒层上生长氮化镓盖帽层。


2.根据权利要求1所述的氮化镓基外延结构的制备方法，其特征在于，对所述衬底进行预处理包括：
对所述衬底进行退火处理，包括，控制温度为930~980℃，控制压力为100~200mbar，氢气气体的流量130~160升/分钟，退火时间8~13分钟；
对所述退火处理后的衬底进行氮化处理，包括，控制温度950~1000℃，控制压力为50~80mbar，氨气气体流量1500~4000sccm，氮化处理的时间为10~20秒。


3.根据权利要求1所述氮化镓基外延结构的制备方法，其特征在于，在所述衬底上生长氮化铝缓冲层包括：
在所述衬底上生长第一氮化铝层，包括控制生长温度由开始生长至生长结束升高80~100℃，其中开始生长的温度为950~1000℃，生长结束的温度为1050~1080℃，控制压力为50~80mbar，所述第一氮化铝层的厚度为5~25纳米；
在所述第一氮化铝层上生长第二氮化铝层，包括控制温度为1050~1080℃，控制压力为50~80mbar，所述第二氮化铝层的厚度为60~90纳米。


4.根据权利要求1所述的氮化镓基外延结构的制备方法，其特征在于，在所述氮化铝缓冲层上生长AlxGa1-xN缓冲层包括：
控制温度为1010~1050℃，压力为55~85mbar；
向反应腔内通入三甲基镓、三甲基铝及氨气，其中，三甲基镓的流量为150~200sccm，三甲基铝的流量为400~500sccm，氨气的流量为6500sccm，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为200~280；
所述AlxGa1-xN缓冲层的厚度为250~350纳米，且AlxGa1-xN中的x为15~30%。


5.根据权利要求1所述的氮化镓基外延结构的制备方法，其特征在于，在所述AlxGa1-xN缓冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐军，冯欢欢，
申请(专利权)人：中电化合物半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33