一种氮化镓高铝组分的外延生长方法技术

本发明专利技术涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓高铝组分的外延生长方法；包括以下步骤：衬底处理、生长氮化镓成核层、生长氮化镓模板层、生长氮化镓缓冲层、生长多个多量子阱应力传递层以及生长GaN盖层。本发明专利技术的目的在于提供一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，能够实现高阻值。实现高阻值。实现高阻值。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化镓高铝组分的外延生长方法


[0001]本专利技术涉及半导体
，特别涉及一种氮化镓高铝组分的外延生长方法。

技术介绍

[0002]III-V族氮化镓(GaN)及其化合物半导体材料形成的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构在高温、高频、大功率、抗辐射微波器件和电路领域有非常重要的应用前景，这主要是因为组成AlGaN/GaN异质结构的半导体材料具有大的禁带宽度，高的击穿电场，好的化学稳定性以及强的抗辐射能力，同时也因为GaN材料具有高的电子饱和漂移速度和峰值漂移速度，更重要的是因为在AlGaN/GaN异质结界面附近GaN材料一侧可形成具有高电子浓度和高电子迁移率的二维电子气。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管在航天航空、高温强辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子等方面有重要的作用。高性能的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管和电路需要高浓度的二维电子气和高的二维电子气迁移率，提高二维电子气浓度和迁移率是提高AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管和电路性能的关键所在。
[0003]通过MOCVD生长的GaN基外延材料中由于背景氧掺杂、氮空位等缺陷存在，非故意掺杂的本征GaN是一种弱N型材料具有较高的背景电子浓度(1016-1017/cm3左右)，所以要获得高阻值的GaN基缓冲层首先必须想办法补偿材料中电子获得低背景浓度的缓冲层。一般获得高阻值GaN基外延材料的方法可以分为两大类：一类是通过控制在MOCVD中外延GaN过程的生长参数包括反应室气压，生长温度，生长速率，V/III比等，增加外延材料中的p-型杂质数量或受主缺陷态密度来补偿高的背景电子浓度进而获得低背景电子浓度高阻值GaN基缓冲层；另一种方法是通过在GaN基材料的外延生长中通入含有Fe、Cr、Mg等金属元素的外源掺杂剂在氮化镓的禁带中形成深能级缺陷或产生受主缺陷态补偿剩余载流子从而获得高阻值的GaN基缓冲层。第一种方法是通过引入晶格缺陷杂质获得高阻值GaN外延层，因此获得高阻外延层的晶体质量会变差。同时通过控制生长条件获得高阻值GaN方法对设备依赖性较强，重复性也较差而且过多缺陷态还会加剧器件的电流崩塌效应，严重影响器件的可靠性；第二种方法中所引入金属杂质一般都具有较强的记忆效应会在反应室一直有残留使得后续外延材料都有被金属杂质污染风险，因此一般需要有一台专用掺杂的MOCVD生长高阻GaN基外延材料而且残留到沟道的金属杂质会使沟道2DEG的迁移率下降影响器件特性。因此找到一种既可以获得高阻GaN基缓冲层同时又不会引入过多的杂质缺陷而造成器件高压下电流崩塌的方法是高性能GaN基HEMT器件外延生长的关键。
[0004]为此，提出一种氮化镓高铝组分的外延生长方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，能够实现高阻值。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，包括以下步骤：
[0008](1)将蓝宝石衬底放入LP-MOCVD设备生长室内，生长气氛为纯H2氛围，在纯N2氛围
下高温高压处理10min，去除蓝宝石衬底表面的杂质与氧化物；
[0009](2)降低生长室温度，保持生长气氛为纯H2氛围不变，保持压力不变，通入TMG、TMIn和NH3进行氮化处理，在蓝宝石衬底上生长氮化镓成核层；
[0010](3)升高生长室温度，改变生长压力，保持10～15min，切换生长气氛为纯H2氛围，通入TMGa和TMIn，在氮化镓成核层上生长氮化镓模板层；
[0011](4)保持生长室温度、生长压力以及纯H2生长气氛不变，通入TMGa，在氮化镓模板层上生长氮化镓缓冲层；
[0012](5)降低生长室温度，改变生长压力，保持纯H2的生长气氛不变，通入TMGa和TMIn，在氮化镓缓冲层上生长多个多量子阱应力传递层，每层周期数为3～50个，其中，每个多量子阱应力传递层包括低Al组分AlxGa1-xN低迁移率过渡层、高Al组分AlxGa1-xN高迁移率过渡层、渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层以及低Al组分AlxGa1-xN势阱层，渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层中Al组分含量递减；
[0013](6)继续降低生长室温度，改变生长压力，保持纯H2的生长气氛不变，在多个多量子阱应力传递层上生长GaN盖层。
[0014]具体的，所述(1)步骤中生长室温度为1100
±
50℃，生长压力为20～40mbar，H2的流量为5500～8000sccm。
[0015]具体的，所述(2)步骤中生长室温度为750
±
50℃，H2的流量为5500～8000sccm，TMG的流量为0～4000sccm，TMIn的流量为0～8000sccm，NH3的流量为0～5000sccm，氮化镓成核层的生长厚度为20～25nm，生长速率为1.8～2um/h。
[0016]具体的，所述(3)步骤中生长室温度为1000
±
50℃，生长压力为50～90mbar，H2的流量为3500～7000sccm，TMGa的流量为3000～6000sccm，TMIn的流量为9000～12000sccm，氮化镓模板层的生长厚度为8～10nm，生长速率为2～2.2um/h。
[0017]具体的，所述(4)步骤中TMGa的流量为5000～8000sccm，氮化镓缓冲层的生长厚度为10～15nm，生长速率为1.5～1.8um/h。
[0018]具体的，所述(5)步骤中生长室温度为700
±
50℃，生长压力为80～100mbar，H2的流量为3500～7000sccm，TMGa的流量为8200～10000sccm，TMIn的流量为15000～18000sccm，生长速率为2.2～2.5um/h，低Al组分AlxGa1-xN低迁移率过渡层的生长厚度为1～3nm，高Al组分AlxGa1-xN高迁移率过渡层的生长厚度为3～6nm，渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层的生长厚度为10～20nm，低Al组分AlxGa1-xN势阱层的生长厚度为20～25nm，低Al组分AlxGa1-xN低迁移率过渡层中Al组分为15％，高Al组分AlxGa1-xN高迁移率过渡层中Al组分为30％，渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层中Al组分由30％渐变至20％，低Al组分AlxGa1-xN势阱层中Al组分为20％。
[0019]具体的，所述(6)步骤中生长室温度为500
±
50℃，生长压力为5～10mbar，生长速率为1.6～1.8um/h，GaN盖层的生长厚度为50～80nm。
[0020]本专利技术的有益效果为：
[0021](1)本专利技术通过在氮化镓成核层上依次生长氮化镓模板层以及氮化镓缓冲层，相较于现有技术中采用一步法直接生长氮化镓缓冲层，一方面不会引入过多的杂质缺陷，另一方面能够保证氮化镓缓冲层的质量，均匀地覆盖在蓝宝石衬底表面，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将蓝宝石衬底放入LP-MOCVD设备生长室内，生长气氛为纯H2氛围，在纯N2氛围下高温高压处理10min，去除蓝宝石衬底表面的杂质与氧化物；(2)降低生长室温度，保持生长气氛为纯H2氛围不变，保持压力不变，通入TMG、TMIn和NH3进行氮化处理，在蓝宝石衬底上生长氮化镓成核层；(3)升高生长室温度，改变生长压力，保持10～15min，切换生长气氛为纯H2氛围，通入TMGa和TMIn，在氮化镓成核层上生长氮化镓模板层；(4)保持生长室温度、生长压力以及纯H2生长气氛不变，通入TMGa，在氮化镓模板层上生长氮化镓缓冲层；(5)降低生长室温度，改变生长压力，保持纯H2的生长气氛不变，通入TMGa和TMIn，在氮化镓缓冲层上生长多个多量子阱应力传递层，每层周期数为3～50个，其中，每个多量子阱应力传递层包括低Al组分AlxGa1-xN低迁移率过渡层、高Al组分AlxGa1-xN高迁移率过渡层、渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层以及低Al组分AlxGa1-xN势阱层，渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层中Al组分含量递减；(6)继续降低生长室温度，改变生长压力，保持纯H2的生长气氛不变，在多个多量子阱应力传递层上生长GaN盖层。2.根据权利要求1所述的一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，其特征在于，所述(1)步骤中生长室温度为1100
±
50℃，生长压力为20～40mbar，H2的流量为5500～8000sccm。3.根据权利要求1所述的一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，其特征在于，所述(2)步骤中生长室温度为750
±
50℃，H2的流量为5500～8000sccm，TMG的流量为0～4000sccm，TMIn的流量为0～8000sccm，NH3的流量为0～5000sccm，氮化镓成核层的生长厚度为20～25nm，生长速率为1.8～2um/h。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：尹宝堂，姚青，张容川，朱静，王伟华，
申请(专利权)人：辽宁百思特达半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：