【技术实现步骤摘要】
本申请涉及半导体材料与器件，特别是涉及一种薄外延层氮化镓高电子迁移率晶体管材料的外延方法。
技术介绍
1、氮化物材料具有高电子迁移率、高击穿、高散热等特性,能满足微波功率器件和光电器件高功率密度、高工作频率、小体积和适应恶劣环境等应用要求，被广泛用于5g、星间通信、紫外探测器及光学照明等领域。由于大尺寸的氮化物同质衬底不够成熟，成本较高，因此，当前氮化物材料的外延生长一般都在异质衬底上进行，比如sic、si、蓝宝石等。其中，sic具有与氮化物材料相似的纤锌矿结构和优异的热导率，使其成为氮化物场效应管材料的首选衬底。为了在sic上生长高质量的氮化物场效应管材料，通常选用氮化铝作为成核层，利用氮化铝高浸润性的特点实现氮化镓的二维生长。此外，氮化铝的晶格常数和热膨胀系数介于氮化镓和sic之间，也有助于减少氮化镓缓冲层及后续铝镓氮势垒层中位错等缺陷。
2、然而，由于氮化铝与碳化硅之间较大的晶格失配及铝-氮键能大，氮化铝通常呈岛状生长，岛间合并时会引入了大量的晶格缺陷，造成氮化铝成核层的热导率远低于理论值，甚至低于其它功能层，器件性能由于自热效应下降。为了提高氮化铝成核层及氮化镓/氮化铝界面区域的质量，研究人员对氮化铝成核层的生长条件进行了大量的研究，如温度、压力、v/iii比、应变等。但是在文献报道中，氮化铝成核层通常生长的较厚(典型值：50至150nm)，而这不利于降低材料热阻，材料质量也没有明显提升。
3、此外，有报道称降低氮化物高电子迁移率晶体管材料的外延厚度有助于提升材料耐压能力及降低材料热阻，同时每炉外
4、中国专利cn 107919392 a公开了一种氮化镓基氮化物高电子迁移率晶体管外延结构及生长方法，aln成核层采用原位退火的方法使其呈现图形化的形貌，aln成核层厚度为60～100nm，而本申请采用间歇供氨和al源流量调制的方法生长aln成核层，aln厚度仅为8～25nm，即可实现较高的成核质量；此外现有技术的gan缓冲层厚度1.5～2.5um，而本申请gan缓冲层厚度减薄到150～600nm，且采用多步生长工艺，有助于降低材料热阻，提升材料耐压能力，具有明显的创新性。
5、中国专利cn 112687525 b公开了一种提高超薄氮化镓场效应管晶体质量的外延方法，aln成核层采用常规工艺生长，厚度20～60nm，而本申请采用间歇供氨和al源流量调制的方法生长aln成核层，aln厚度仅为8～25nm，在更薄的aln成核层条件下，实现了更优的质量；现有技术的gan缓冲层生长之前采用浸润处理提升gan/aln界面质量，之后采用生长缓冲层-退火-沟道层的三步法获得薄层gan，而本申请依赖于较好的aln成核层表面质量，直接生长gan即可实现较好的gan/aln界面质量，无需浸润处理步骤，而且gan生长分为五步，分别是三维岛状层-退火-平铺层-退火-沟道层，相比于该现有技术，可以实现更优的晶体质量。
6、现有文献1、kapil narang,vikash k.singh,et al.suitability ofthin-ganfor algan/gan hemt material and device,j mater sci(2022)57:5913-5923.和2、kaichen,yachao zhang,et al.ultrathin gan film and algan/gan heterostructuregrown on thick aln buffer by mocvd,ceramics international 48(2022)36193-36200.中aln成核层采用常规方法生长，虽然也实现了较高质量，但是aln厚度较厚，在100nm以上，而本申请采用氨气脉冲与高、低流量三甲基铝脉冲调制相结合的方法生长氮化铝成核层，较薄的aln即可实现较高质量；另外不同于现有公开文献中的单步生长工艺，本申请gan分为三层，并引入退火重结晶工艺，具有更快的合并速度和更优的晶体质量。
技术实现思路
1、解决的技术问题：
2、本申请需要解决的技术问题是减薄氮化镓高电子迁移率晶体管材料的外延厚度有助于提升材料耐压能力及降低材料热阻，同时每炉外延片所消耗的mo源和时间也同步减少，可以有效提升外延效率，降低外延成本。但是材料外延厚度减薄后，存在着材料晶体质量变差，合并困难的问题，此外常规方法的氮化铝成核层表面存在着较多的pits坑，减薄后容易导致缓冲层漏电等问题，本申请提供一种薄外延层氮化镓高电子迁移率晶体管材料的外延方法，为了提升氮化铝成核层及氮化镓/氮化铝界面的晶体质量，采用氨气脉冲和铝源流量调制的方法生长氮化铝成核层，当反应腔通入氨气时，同时通入高流量三甲基铝，降低v/iii比，改善氮化铝质量，反应腔不通入氨气时，通入低流量三甲基铝，提升al原子的迁移效率，改善氮化铝的结晶质量和表面形貌。相比于常规脉冲工艺，在不通入氨气时，仅通入少量的三甲基铝有助于防止过量的铝原子积聚形成团簇，增加工艺稳定性和重复性。为了提升氮化镓缓冲层晶体质量并使其快速合并，本申请先利用低温高压的外延工艺生长氮化镓三维岛状层，然后对其进行升温退火重结晶，使氮化镓岛间合并，释放氮化镓与氮化铝之间由于晶格失配引入的较大压应力，降低晶格缺陷密度，之后生长氮化镓平铺层并再次退火重结晶，使氮化镓进一步合并，实现后续氮化镓沟道层的(准)二维层状生长，最后在氮化镓沟道层上生长插入层、势垒层及帽层，获得高质量薄外延层氮化镓高电子迁移率晶体管材料。
3、技术方案：
4、一种薄外延层氮化镓高电子迁移率晶体管材料的外延方法，采包括以下步骤：
5、第一步：取一单晶衬底，置于金属有机物化学气相沉积设备内的反应室基座上；
6、第二步：通入氢气，设置反应室的压力为50～200torr，将衬底升温至1000～1100℃，烘烤衬底5～15分钟，去除衬底表面的粘污；
7、第三步：通入3～10slm氨气，同时设置反应室的压力为50～150torr，升温至1100～1200℃，氮化衬底表面；
8、第四步：采用氨气脉冲与铝源流量调制的方式生长第一层氮化铝，其中氨气通入反应腔时，通入高流量的三甲基铝，停止通入氨气时，通入低流量三甲基铝，生长厚度为8～25nm的氮化铝成核层；
9、第五步：保持氢气流量不变，关闭三甲基铝，氨气流量升至10～100slm，同时温度降至1000～1050℃、压力升至150～500torr，通入三甲基镓，生长厚度为50～150nm的三维氮化镓岛状生长层；
10、第六步：本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种薄外延层氮化镓高电子迁移率晶体管材料的外延方法，其特征在于，采包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种薄外延层氮化镓高电子迁移率晶体管材料的外延方法，其特征在于：第四步中氨气流量为2～10slm，高流量三甲基铝流量为300～1000sccm，低流量三甲基铝的流量为高流量三甲基铝的1/20～1/2，每个脉冲周期为3～10s同时通入高流量三甲基铝和氨气，10～60s仅通入低流量三甲基铝，共生长8～25nm的氮化铝成核层。
3.根据权利要求1所述的一种薄外延层氮化镓高电子迁移率晶体管材料的外延方法，其特征在于：所述第五步中，在1000～1050℃、压力150～500torr条件下，通入10～100slm的氨气和50-500sccm的三甲基镓，生长厚度为50～150nm的三维氮化镓岛状生长层。
4.根据权利要求1所述的一种薄外延层氮化镓高电子迁移率晶体管材料的外延方法，其特征在于：所述第六步中，进行退火即关闭三甲基镓源，在1-10分钟内温度升高30～100℃，压力维持在150～500torr范围内，促进氮化镓岛间合并，湮灭氮化镓中的位错，适
5.根据权利要求1所述的一种薄外延层氮化镓高电子迁移率晶体管材料的外延方法，其特征在于：所述第七步中，生长温度为1000～1100℃，压力为150～500torr，氨气流量为10～100slm，三甲基镓流量为50～500sccm，生长50～150nm的氮化镓平铺层。
6.根据权利要求1所述的一种薄外延层氮化镓高电子迁移率晶体管材料的外延方法，其特征在于：所述第八步中，对氮化镓平铺层进行退火即关闭三甲基镓源，在1-10分钟内温度升高30～100℃，使氮化镓薄外延层进一步合并。
7.根据权利要求1所述的一种薄外延层氮化镓高电子迁移率晶体管材料的外延方法，其特征在于：所述第五步、第七步、第九步中三层氮化镓总厚度为150～600nm，共进行两次退火重结晶，使氮化镓快速合并转为二维生长模式，并利用退火重结晶促进氮化镓缓冲层位错湮灭。
8.根据权利要求1所述的一种薄外延层氮化镓高电子迁移率晶体管材料的外延方法，其特征在于：所述第一步中单晶衬底为碳化硅单晶衬底、Si衬底、蓝宝石衬底、氮化铝单晶衬底中的一种或几种。
...【技术特征摘要】
1.一种薄外延层氮化镓高电子迁移率晶体管材料的外延方法，其特征在于，采包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种薄外延层氮化镓高电子迁移率晶体管材料的外延方法，其特征在于：第四步中氨气流量为2～10slm，高流量三甲基铝流量为300～1000sccm，低流量三甲基铝的流量为高流量三甲基铝的1/20～1/2，每个脉冲周期为3～10s同时通入高流量三甲基铝和氨气，10～60s仅通入低流量三甲基铝，共生长8～25nm的氮化铝成核层。
3.根据权利要求1所述的一种薄外延层氮化镓高电子迁移率晶体管材料的外延方法，其特征在于：所述第五步中，在1000～1050℃、压力150～500torr条件下，通入10～100slm的氨气和50-500sccm的三甲基镓，生长厚度为50～150nm的三维氮化镓岛状生长层。
4.根据权利要求1所述的一种薄外延层氮化镓高电子迁移率晶体管材料的外延方法，其特征在于：所述第六步中，进行退火即关闭三甲基镓源，在1-10分钟内温度升高30～100℃，压力维持在150～500torr范围内，促进氮化镓岛间合并，湮灭氮化镓中的位错，适当延长...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨乾坤，彭大青，李忠辉，张东国，李传皓，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：
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