用于氮化镓高温退火的保护结构及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种用于氮化镓高温退火的保护结构及其应用。所述用于氮化镓高温退火的保护结构包括：依次层叠设置在氮化镓材料表面的第一保护层、第二保护层和第三保护层，所述第一保护层、第二保护层和第三保护层的材质包括AlN。本发明专利技术实施例提供的一种氮化镓高温退火激活的方法，可以避免在GaN表面生长保护层而产生的应力问题。而产生的应力问题。而产生的应力问题。

【技术实现步骤摘要】
用于氮化镓高温退火的保护结构及其应用


[0001]本专利技术涉及一种氮化镓高温退火激活的方法，特别涉及一种用于氮化镓高温退火的保护结构及其应用，属于半导体


技术介绍

[0002]近些年来，GaN为代表的第三代半导体的代表成为下一代半导体功率器件材料的选择；GaN有着大禁带宽度3.39eV，意味着其可以耐高温，耐高压；高的电子迁移率2000(2DEG)μ(cm2/V
·
s)，说明其器件的应用有着较高的工作频率；良好的热导率说明器件工作时便于散热；较小的介电常数εr＝9，说明有较小的寄生电容；同时，第三代半导体材料比第一代和第二代材料还具有更稳定的化学性质和抗辐射等特性，理论上可以在高达700～800℃的高温环境下工作。
[0003]GaN器件主要分为平面型器件和垂直型器件，目前高耐压的垂直型器件成为研发的主流。在这种基于GaN的半导体的垂直型器件的制造中，离子注入是一项非常有吸引力并便捷的技术，例如电和光选择区域掺杂，干蚀刻，电隔离，量子阱混合和离子切割。作为常用的半导体器件加工工艺，离子注入起初推动着产业中Si基CMOS工艺方面的发展。这种方式能够引入周期表中几乎全部元素以及精确控制掺杂剂的浓度和深度，可以在一定程度上达到与外延GaN掺杂工艺所需的效果,并且比外延掺杂要灵活，因而离子注入对GaN材料的光学和电学特性有着较大的影响。因此，研究离子注入对GaN材料各个方面的影响，对于快速发展的GaN产业也是必不可少的。
[0004]然而，离子注入会造成对GaN材料的损伤，这是无法避免的，同时注入到材料中的离子也存在着一定的激活问题，因此，通常采用高温退火的方式来解决离子注入后的这些无法避免的副作用；尤其是在如今的Mg离子注入实现P型GaN实验中，由于Mg在GaN中的激活能较大，国际上(主要是美国和日本)需要高温高压的条件退火，在退火前需要在GaN上加上条件非常苛刻的保护层，以防止在高温退火下GaN材料或者器件发生分解。
[0005]现有实现GaN高温退火的方案包括：1)在GaN上MOCVD外延一层AlN，之后在2.0MPa的大气压下，进行从900℃～1400℃的快速升降温(30s)的脉冲式退火，可以保护住GaN在退火激活的过程中不分解。该方法可以做到保护住GaN在如此苛刻的条件下不分解，同时退火激活GaN中注入后的P型杂质，但是全世界也仅有美国海军实验室和日本的名古屋大学有这种高难度并带有危险性的条件，难以重复；2)在3MPa～1GPa的高压下，外延或者溅射AlN，进行1300℃～1500℃的半小时左右的恒定温度的高温退火，可以保护住GaN在退火激活的过程中不分解。虽然AlN是可以耐高温的半导体材料，但是在GaN上生长AlN是无法避免由于晶格失配而造成的应力问题，同时退火也是一个应力释放的过程，必须要多种条件并行才能保住GaN不分解同时退火过程中不因应力问题而导致膜破裂，同时保护住GaN。
[0006]实现GaN高温退火的方案包括，采用ALD方式生长的SiN/SiO2可以保护住GaN在常压的氮气氛围下，1100℃的条件下保护住GaN不分解。在GaN上生长一层GaON，可以保护住GaN在1150℃的条件下，2
‑
3min之内不分解。采用PECVD方式生长的SiO2/SiN可以保护住GaN
在1000℃～1100℃的条件下不分解。然而基于以上方法形成的保护层不仅难以去除，且可靠性难以保证，最重要的是能够保护住GaN的温度较低(<1200℃)，且SiO2膜基本在1100℃的温度左右就会发生分解，这对于Mg离子注入GaN的激活是远远达不到要求的，目前报道的外延质量最好的SiO2最高在1200℃左右的常压氛围下保护住GaN不分解。

技术实现思路

[0007]本专利技术的主要目的在于提供一种用于氮化镓高温退火的保护结构及其应用，以克服现有技术中的不足。
[0008]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0009]本专利技术实施例提供了一种用于氮化镓高温退火的保护结构，包括依次层叠设置在氮化镓材料表面的第一保护层、第二保护层和第三保护层，所述第一保护层、第二保护层和第三保护层的材质包括AlN。
[0010]本专利技术实施例还提供了一种氮化镓高温退火激活的方法，包括：在氮化镓材料表面形成所述的保护结构，之后在常压、1200℃以上的温度条件下对所述氮化镓材料进行退火。
[0011]本专利技术实施例还提供了一种P型氮化镓材料的制备方法，包括：
[0012]在氮化镓材料内掺入受主杂质；
[0013]采用物理和/或化学气相沉积方式在所述氮化镓材料上依次生长第一保护层、第二保护层和第三保护层，制得保护结构，其中，所述第二保护层的生长温度低于所述第一保护层的生长温度，所述第一保护层、第二保护层和第三保护层均为AlN层；
[0014]将表面覆盖有所述保护结构的氮化镓材料在常压、1200℃以上条件下退火，以将氮化镓材料中的受主杂质激活，制得P型氮化镓材料。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的优点包括：
[0016]1)本专利技术实施例提供的一种氮化镓高温退火激活的方法，不需要高压环境也可以保护GaN在1250℃以下的温度不分解；
[0017]2)本专利技术实施例提供的一种氮化镓高温退火激活的方法，可以避免在GaN表面生长保护层而产生的应力问题；
[0018]3)本专利技术实施例提供的一种氮化镓高温退火激活的方法，克服了退火过程中保护结构的破裂问题。
附图说明
[0019]图1是本专利技术一典型实施案例中提供的一种氮化镓高温退火激活的方法的流程示意图；
[0020]图2a、图2b分别是本专利技术实施例1中退火前后的氮化镓样品表面形貌图；
[0021]图3a、图3b分别是本专利技术实施例1中退火结束，除去保护结构前后氮化镓样品表面的AFM形貌照片；
[0022]图4分别是本专利技术对比例3中退火后的氮化镓样品表面的光学显微镜照片；
[0023]图5分别是本专利技术对比例4中退火后的氮化镓样品表面的光学显微镜照片；
[0024]图6分别是本专利技术对比例5中退火后的氮化镓样品表面的光学显微镜照片。
具体实施方式
[0025]鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
[0026]本案专利技术人研究发现，目前在对氮化镓进行高温退火激活的处理中存在的缺陷主要是：由于GaN高温下(不加保护的情况下>800℃)分解，同时晶体质量好又致密的AlN也需要在高温下生长(>1200℃)，而且AlN又不能长厚，因为有应力的问题，但AlN长薄了又无法在高温下保护GaN。
[0027]本专利技术先在1100～1200℃温度条件在GaN表面进行第一AlN层的生长，生长时间控制在1～3min，同时提供氮气等保护气体氛围保护，这样可以保护GaN在该生长时间内本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于氮化镓高温退火的保护结构，其特征在于包括：依次层叠设置在氮化镓材料表面的第一保护层、第二保护层和第三保护层，所述第一保护层、第二保护层和第三保护层的材质包括AlN。2.根据权利要求1所述的保护结构，其特征在于：所述第一保护层和第二保护层是采用物理和/或化学气相沉积方式生长形成的，并且所述第二保护层的生长温度低于所述第一保护层的生长温度；优选的，所述第一保护层的生长温度为1100～1200℃，生长时间为1～3min，所述第二保护层的生长温度为600～800℃，生长时间为4～10min；优选的，所述第一保护层是在保护气体气氛下生长形成的；优选的，所述保护气体气氛包括氮气气氛。3.根据权利要求1所述的保护结构，其特征在于：所述第一保护层的厚度为1～10nm，所述第二保护层的厚度为5～25nm。4.根据权利要求1所述的保护结构，其特征在于：所述第三保护层为低应力AlN；优选的，所述第三保护层的厚度为120～270nm；和/或，所述第三保护层是采用物理和/或化学气相沉积方式生长形成的；优选的，所述第三保护层是采用溅射方式形成的；所述第三保护层的生长温度为200～400℃。5.一种氮化镓高温退火激活的方法，其特征在于包括：在氮化镓材料表面形成如权利要求1
‑
4中任一项所述的保护结构，之后在常压、1200℃以上的温度条件下对所述氮化镓材料进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：王哲明，张璇，于国浩，张宝顺，邓旭光，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：