一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法，所述制备方法包括：提供一碳化硅衬底，并对其进行表面清洁处理及辅助硅束流的表面重构；对所述碳化硅衬底进行退火处理以在重构表面产生石墨烯薄膜；接着在所述石墨烯薄膜上依次生长氮化铝缓冲层、氮化镓高阻缓冲层、氮化镓沟道层、InGaN/AlGaN势垒层及氮化硅帽层。将本发明专利技术的外延结构应用于高频射频器件中，可改善器件的射频损耗。可改善器件的射频损耗。可改善器件的射频损耗。

【技术实现步骤摘要】
一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]氮化镓(GaN)材料因其宽的禁带宽度(3.4ev)、高热导率、高电子饱和漂移速度、高击穿电场耐腐蚀及抗辐射等良好的热学和电学性能和化学稳定性，在高频、高温、高压、大功率射频器件等领域被广泛应用。
[0003]近几年来，碳化硅衬底及硅衬底上GaN外延材料及器件的工程化和商业化进度加快，已经被应用于相控阵雷达、5G基站等方面。而目前我国的5G基站建设的频率，在中频2.5～3.7GHz范围；未来需要发展和建设高频段25～39GHz通信基站。为了发展频率为25～39GHz频段的毫米波通信，必须开发具有高效率、高可靠性的宽禁带材料和器件，氮化镓基异质结材料是制造高频率器件的首选，通常利用氮化镓和铝镓氮异质结的极化诱导在界面处产生高速的二位电子气，可满足射频器件的高功率高频率的特性需求。但是随着器件频率从Sub6GHz器件发展成为大于25GHz的高频器件，需要满足更低的射频损耗，更低的电流坍塌量，更高的工作效率等需求。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的不足与缺陷，本专利技术提供一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法，用于改善氮化镓基射频材料在高频条件下的射频损耗。
[0005]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种用于氮化镓基射频器件的外延结构的制备方法，至少包括以下步骤：
[0006]提供一碳化硅(SiC)衬底，并对其进行表面清洁处理；
[0007]在所述SiC衬底上进行辅助硅束流的表面重构；
[0008]对所述SiC衬底进行退火处理以在衬底表面产生石墨烯薄膜；
[0009]在所述石墨烯薄膜上生长氮化铝(AlN)缓冲层；
[0010]在所述AlN缓冲层上生长氮化镓(GaN)高阻缓冲层
[0011]在所述GaN高阻缓冲层上生长GaN沟道层；
[0012]在所述GaN沟道层上生长InGaN/AlGaN势垒层；
[0013]在所述InGaN/AlGaN势垒层上生长SiN帽层。
[0014]于本专利技术的一实施例中，在所述石墨烯薄膜上生长AlN缓冲层包括：
[0015]采用辅助硅束流方法对所述石墨烯薄膜的表面进行硅化处理以形成C
‑
Si悬挂键；
[0016]通入氨气对所述石墨烯薄膜的表面进行氮化处理以形成Si
‑
N键；
[0017]预通铝源在所述石墨烯薄膜的表面形成N
‑
Al键；
[0018]继续通入氮源和铝源，生长30～80nm的AlN缓冲层。
[0019]于本专利技术的一实施例中，对所述石墨烯薄膜的表面进行硅化处理的条件包括：保
持所述SiC衬底的温度为1000～1100℃，硅束流蒸发速率为0.3～0.5nm/min，处理时间为1～2min。
[0020]于本专利技术的一实施例中，对所述石墨烯薄膜的表面进行氮化处理的条件包括：保持所述SiC衬底的温度为1000～1100℃，向反应室内通入流量为1000～3000sccm的氨气(NH3)。
[0021]于本专利技术的一实施例中，生长30～80nm的AlN缓冲层的条件包括：将反应室的温度调节至1200～1250℃，反应室的压力调节至50～100mbar；在氢气气氛下，向反应室内通入三甲基铝(TMAl)及NH3，其中，NH3采用间隔通气的方式，每通气5～10秒后暂停5～10秒，如此循环，NH3的合计流量为1500sccm，TMAl采取持续通气的方式，TMAl的流量为150～200sccm。
[0022]于本专利技术的一实施例中，在所述AlN缓冲层上生长GaN高阻缓冲层包括：在所述氮化铝缓冲层上生长200～300nm自掺碳氮化镓高阻层；及在所述自掺碳氮化镓高阻层上生长1000～1500nm的外掺碳氮化镓高阻层，其中，自掺碳原子的掺杂浓度为5E+17～1E+18cm
‑3，外掺碳原子的掺杂浓度为1E+18～5E+18cm
‑3；碳掺杂GaN高阻层可避免Fe原子的延迟效应进入沟道层，引起器件的电流坍塌问题。
[0023]于本专利技术的一实施例中，生长自掺碳氮化镓高阻层的步骤包括：将反应室的温度调节至900～950℃，压力调节至100mbar，通入TMGa和NH3生长GaN，生长速率保持30～40nm/min，该层碳通过控制生长温度控制镓源TMGa里碳原子含量方法，实现自掺杂。
[0024]于本专利技术的一实施例中，生长外掺碳氮化镓高阻层时，将温度调节至1050～1080℃，压力调节至200mbar，通入TMGa、乙烯(C2H4)气体和NH3，其中，TMGa和C2H4气体摩尔比为1:1.5～1:2，生长过程中V/III比为1000～3000，生长速率保持在35～50nm/min；该层采用C2H4气体提供碳源，采用高温生长，有利于提高氮化镓的晶体质量。
[0025]于本专利技术的一实施例中，在所述GaN高阻缓冲层上生长GaN沟道层包括将反应室的温度调节至1050～1080℃，压力调节至200mbar，通入TMGa和NH3，生长过程中V/III比为5000～8000，生长速率保持在15～20nm/min，生长的GaN沟道层为150nm。
[0026]于本专利技术的一实施例中，在所述GaN沟道层上生长InGaN/AlGaN势垒层时先将反应室的温度调节至700～800℃，在氮气(N2)气氛下生长5nm的In
x
Ga1‑
x
N，其中In组分x为10～20％；然后将温度调节至1000～1050℃，保持氮气气氛不变，生长15～20nm的Al
y
Ga1‑
y
N，其中，Al组分y为20～30％。
[0027]于本专利技术的一实施例中，在所述InGaN/AlGaN势垒层上生长SiN帽层包括：将反应室的温度保持1000～1050℃，反应室的压力保持50～150mbar；在N2气氛下，向反应室内通入SiH4和NH3生长2nm的SiN帽层。
[0028]本专利技术另一方面还提供一种采用本专利技术的方法制备的用于氮化镓基射频器件的外延结构。
[0029]如上所述，本专利技术通过对SiC衬底进行表面重构获取平整的SiC层状结构，经高温退火在衬底表面形成石墨烯薄膜，利用石墨烯的高热传导系数，改善界面热阻，提升器件在高功率、高频率条件下的可靠性；通过在氮化铝缓冲层依次生长碳自掺杂的氮化镓层和外掺杂碳的氮化镓层构成氮化镓高阻层，减少传统采用铁掺杂的氮化镓高阻层因铁原子的扩散效应，导致铁原子存在扩散到沟道层，引起器件电流坍塌的问题。本专利技术制备的外延结构用于高频射频器件可提高器件高频、高功率工作下的散热，实现较低的电流坍塌、较低的工
作结温。
附图说明
[0030]通过参考附图会更加清楚的理解本专利技术的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于氮化镓基射频器件的外延结构的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：提供一碳化硅衬底，并对其进行表面清洁处理；在所述碳化硅衬底上进行辅助硅束流的表面重构；对所述碳化硅衬底进行退火处理以在重构表面产生石墨烯薄膜；在所述石墨烯薄膜上生长氮化铝缓冲层；在所述氮化铝缓冲层上生长氮化镓高阻缓冲层；在所述氮化镓高阻缓冲层上生长氮化镓沟道层；在所述氮化镓沟道层上生长InGaN/AlGaN势垒层；在所述InGaN/AlGaN势垒层上生长氮化硅帽层。2.根据权利要求1所述的外延结构的制备方法，其特征在于，在所述石墨烯薄膜上生长氮化铝缓冲层包括：采用辅助硅束流方法对所述石墨烯薄膜的表面进行硅化处理以形成C
‑
Si悬挂键；通入氨气对所述石墨烯薄膜的表面进行氮化处理以形成Si
‑
N键；预通铝源在所述石墨烯薄膜的表面形成N
‑
Al键；继续通入氮源和铝源，生长30～80nm的氮化铝缓冲层。3.根据权利要求2所述的外延结构的制备方法，其特征在于，对所述石墨烯薄膜的表面进行硅化处理的条件包括：保持所述碳化硅衬底的温度为1000～1100℃，硅束流蒸发速率为0.3～0.5nm/min，处理时间为1～2min。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，对所述石墨烯薄膜的表面进行氮化处理的条件包括：保持所述碳化硅衬底的温度为1000～1100℃，向反应室内通入流量为1000～3000sccm的氨气。5.根据权利要求2所述的外延结构的制备方法，其特征在于，生长30～80nm的氮化铝缓冲层的条件包括：将反应室的温度调节至1200～1250℃，反应室的压力调节至50～100mbar；在氢气气氛下，向反应室内通入三甲基铝及氨气，其中，氨气采用间隔通气的方式，每通气5～10秒后暂停5～10秒，如此循环，氨气的合计流量为1500sccm，三甲基铝采取持续通气的方式，三甲基铝的流量为150～200sccm。6.根据权利要求1外延结构的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐军，冯欢欢，潘尧波，
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：