硅上氮化镓的外延层及HEMT器件的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硅上氮化镓的外延层及HEMT器件的制备方法，其可通过MOCVD设备进行制备，所述硅上氮化镓的外延层的制备方法包括：步骤S1、提供一衬底，所述衬底为Si衬底；步骤S2、在所述衬底上至少形成一AlN层；步骤S3、在所述AlN层上直接进行氮化镓的外延层生长，所述外延层为Ga

【技术实现步骤摘要】
硅上氮化镓的外延层及HEMT器件的制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体器件制造领域，特别涉及一种硅上氮化镓的外延层及HEMT器件的制备方法。

技术介绍

[0002]氮化镓(GaN)具有大禁带宽度、高电子饱和速度、高击穿场强、高电子迁移率、强自发极化和压电极化等优异特性，因此GaN基电子器件在大电流、高功率、高温、高频和高效率的应用中具有很广阔的前景。氮化镓是制造HEMT(High Electron Mobility Transistor,高电子迁移率晶体管)器件的绝佳选择。
[0003]如图1所示，在Si衬底10上形成GaN外延层13时，一般依次包括Si衬底10、AlN成核层11、缓冲层12、GaN外延层13、势垒层14和器件层(包括栅极G，源极S和漏极D)，该缓冲层12通常采用AlxGa(1
‑
x)N的形式做渐变缓冲处理，以提高AlN成核层11和GaN外延层13的晶格适配率、减小边缘位错密度，进而提高在后续的工艺中GaN外延层13质量和减小半导体层的翘曲或者断裂风险。
[0004]具体的，缓冲层12主要为AlxGa(1
‑
x)N的Al成分x从1
‑
0的渐变生长层(step
‑
graded)，或者为AlxGa(1
‑
x)N和AlyGa(1
‑
y)N交错生长的超晶格层，或者两者同时存在。
[0005]但是，该缓冲层12实质上是一种高热阻的材料，AlGaN是AlN和GaN的合金材料，其混合的Al和Ga原子会导致声子散射加剧，造成热量传递的阻碍，即其会带来很大的热阻，在使用该半导体层制造器件时，特别是高频器件时(比如RF HEMT)，其散热会很差，较大的热阻导致此半导体器件会因散热问题而无法充分发挥其性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种硅上氮化镓的外延层及HEMT器件的制备方法，既能减小边缘位错密度提高在后续的工艺中GaN外延层质量，又能提高器件散热性能。
[0007]为了实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0008]一种硅上氮化镓的外延层的制备方法，其可通过MOCVD设备进行制备，包括：步骤S1、提供一衬底，所述衬底为Si衬底；步骤S2、在所述衬底上至少形成一AlN层；步骤S3、在所述AlN层上直接进行氮化镓的外延层生长，所述外延层为Ga
x
N
y
外延层，其中x小于y。
[0009]可选地，所述步骤S3中生长所述Ga
x
N
y
外延层的方法包括：向所述MOCVD设备通入N源和Ga源，其中N源持续供应，Ga源间歇式供应。
[0010]可选地，所述Ga源间歇式供应方法包括，每生长不超过第一厚度a的GaN层，至少对所述Ga源断流一次，所述第一厚度a不大于10nm。
[0011]可选地，所述Ga源间歇式供应方法包括，每生长第二厚度b的GaN层，对所述Ga源断流一次；所述第二厚度b的GaN层的生长时间为t1，断流时间为t2，t2不小于t1。
[0012]可选地，生长所述第一厚度a的GaN层的断流时间为t3，b/a大于t2/t3。
[0013]可选地，所述Ga源间歇式供应方法包括，每生长t1时间的GaN层或每通入T1时间的
Ga源，对所述Ga源断流t2时间；在其他条件不变的情况下，所述t1或T1为5s，所述t2为5s
‑
10s。
[0014]可选地，Ga源通入情况下，GaN缓冲层的生长速度为0.5nm/s，V
‑
III比保持为1000～2500；所述Ga源间歇式供应方法包括，每生长2.5nm的GaN层，对Ga源进行至少一次断流。
[0015]可选地，所述步骤3中的所述Ga
x
N
y
外延层的厚度不小于2um。
[0016]可选地，x/y大于0.99且小于1。
[0017]可选地，所述Ga
x
N
y
外延层的生长温度为950℃～1050℃，生长压力为100mbar～200mbar。
[0018]可选地，在所述步骤S3之后还包括步骤S4，所述步骤S4包括在所述步骤S3的膜层基础上沉积第二GaN外延层；其中，沉积所述第二GaN外延层的方法包括，保持1500
‑
2000的V
‑
III比并持续供应N源与Ga源以生长所述第二GaN外延层。
[0019]另一方面，本专利技术还提供一种HEMT器件的制备方法，包括：采用如上文所述的硅上氮化镓的外延层的制备方法制备的Ga
x
N
y
外延层；在所述Ga
x
N
y
外延层上制备GaN沟道层；依次在所述GaN沟道层上形成势垒层和器件层。
[0020]本专利技术与现有技术相比至少具有以下技术效果之一：
[0021]本专利技术提供的Ga
x
N
y
外延层，其中x小于y，由此可知此Ga
x
N
y
外延层可以存在足够多的Ga空位，且此足够多的Ga空位的存在能够促使既有形成了的位错发生弯曲，两个弯曲的位错相遇能够发生位错的湮灭，从而使得位错密度降低，生长得到高晶体质量的GaN外延层。本专利技术通过形成Ga
x
N
y
外延层替代了传统的AlxGa(1
‑
x)N的过渡层，由于该外延层中不存在大量的Al和Ga的合金态，不会对热量的传递产生较多阻碍，可以有效提高该外延层的散热性能。
[0022]本专利技术提供的Ga
x
N
y
外延层的厚度不小于2um，由于Ga
x
N
y
外延层中存在大量Ga空位，足够多的Ga空位的存在可以促使既有位错弯曲发生湮灭时优先消耗Ga空位，使得氮化镓外延层中的压应力得以保留，进而能够在AlN层上直接外延生长超过2um的氮化镓外延层时，能够保证生长出的氮化镓外延层的表面不发生开裂，即得到具有足够的厚度和高晶体质量的氮化镓外延层。
[0023]本专利技术通过在硅衬底上依次制备AlN层、Ga
x
N
y
外延层、GaN沟道层、势垒层和器件层从而制备出HEMT器件，由于AlN层和Ga
x
N
y
外延层分别是单一相结构，不存在合金组分的声子散射，从而基于此AlN层和Ga
x
N
y
外延层所制成的半导体器件能够具有散热性能优异的特点。
附图说明
[0024]图1为现有技术提供的一种半导体器件的结构示意图；
[0025]图2为本专利技术一实施例提供的一种硅上氮化镓的外延层的制备方法流程示意图；
[0026]图3为本专利技术一实施例提供的一种Ga
x
N...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅上氮化镓的外延层的制备方法，其可通过MOCVD设备进行制备，其特征在于，包括：步骤S1、提供一衬底，所述衬底为Si衬底；步骤S2、在所述衬底上至少形成一AlN层；步骤S3、在所述AlN层上直接进行氮化镓的外延层生长，所述外延层为Ga
x
N
y
外延层，其中x小于y。2.如权利要求1所述的硅上氮化镓的外延层的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中生长所述Ga
x
N
y
外延层的方法包括，向所述MOCVD设备通入N源和Ga源，其中N源持续供应，Ga源间歇式供应。3.如权利要求2所述的硅上氮化镓的外延层的制备方法，其特征在于，所述Ga源间歇式供应方法包括，每生长不超过第一厚度a的GaN层，至少对所述Ga源断流一次，所述第一厚度a不大于10nm。4.如权利要求3所述的硅上氮化镓的外延层的制备方法，其特征在于，所述Ga源间歇式供应方法包括，每生长第二厚度b的GaN层，对所述Ga源断流一次；所述第二厚度b的GaN层的生长时间为t1，断流时间为t2，t2不小于t1。5.如权利要求4所述的硅上氮化镓的外延层的制备方法，其特征在于，生长所述第一厚度a的GaN层的断流时间为t3，b/a大于t2/t3。6.如权利要求2所述的硅上氮化镓的外延层的制备方法，其特征在于，所述Ga源间歇式供应方法包括，每生长t1时间的GaN层或每通入T1时间的Ga源，对所述Ga源断流t2时间；在其他条件不变的情况下，所述t1或T1为5s，所述t2为5s
‑
10s。7.如权利要求2所述的硅上氮化镓的外延层的制备方法，其特征在于，Ga源通...

【专利技术属性】
技术研发人员：请求不公布姓名，
申请(专利权)人：无锡先为科技有限公司，
类型：发明
国别省市：