一種利用低溫過渡層生長高質(zhì)量氮化鎵外延結(jié)構(gòu)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用低溫過渡層生長高質(zhì)量氮化鎵外延結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為第三代半導(dǎo)體的典型代表，氮化鎵材料由于具有寬的禁帶寬度，高電子速度等特點(diǎn)，氮化鎵基器件在微波、毫米波頻段廣泛應(yīng)用于無線通信、雷達(dá)等電子系統(tǒng)，在光電子和微電子領(lǐng)域發(fā)展前景十分廣闊。
[0003]目前，獲得氮化鎵外延材料的主要方法是通過在襯底上外延生長，襯底包括氮化鎵、藍(lán)寶石、碳化硅、氮化鋁以及硅基襯底等。但是由于氮化鎵材料與襯底之間存在較大的晶格失配和熱膨脹失配，(如與藍(lán)寶石失配為16%，與碳化硅失配為3.4%，與硅基失配為17%)，使得生長的氮化鎵外延材料引入了大量的位錯和缺陷，缺陷密度高達(dá)1()1101° cm2,進(jìn)而影響了氮化鎵基器件的使用壽命和使用效率。
[0004]傳統(tǒng)的生長氮化鎵外延材料的方法是，首先在襯底上生長一層氮化物形核層，然后在退火結(jié)晶后的形核層上持續(xù)高溫生長氮化鎵外延材料。由于低溫生長的氮化物形核層存在大量的位錯和缺陷，晶核質(zhì)量較差，在此基礎(chǔ)上高溫生長氮化鎵外延材料時，由于晶格不匹配和熱膨脹不匹配導(dǎo)致的位錯和缺陷繼續(xù)延伸，氮化鎵外延材料的位錯和缺陷仍然很多，外延材料晶體質(zhì)量依然很差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種利用低溫過渡層生長高質(zhì)量氮化鎵外延結(jié)構(gòu)的方法，其通過在生長氮化鎵的過程中，插入生長一層低溫過渡層，進(jìn)一步提升氮化鎵的晶體質(zhì)量，提高器件的效率和使用壽命。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:一種利用低溫過渡層生長高質(zhì)量氮化鎵外延結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括以下步驟:
1)采用MOCVD技術(shù)，對襯底在高溫下熱處理后，降溫；
2)在襯底上生長一層低溫氮化物形核層；
3)退火，實(shí)現(xiàn)形核層結(jié)晶；
4)升高溫度，在退火后的形核層上生長一層氮化鎵；
5)停止通入鎵源，停止生長氮化鎵，降溫；
6)繼續(xù)通入鎵源生長氮化鎵，并升高溫度；
7)在氮化鎵層上依次生長插入層，溝道層，蓋帽層以及鈍化層，得到完成的外延結(jié)構(gòu)。
[0007]優(yōu)選的，所述步驟I)中的襯底為氮化鎵、藍(lán)寶石、SiC、S1、A1N、S12、金剛石、石墨稀中的任意一種。
[0008]優(yōu)選的，所述步驟I)中采用的MOCVD技術(shù)，是利用氨氣作為氮源，氮?dú)饣蛘邭錃庾鳛檩d氣，三甲基鎵或三乙基鎵、三甲基鋁、三甲基銦分別作為鎵源、鋁源和銦源，硅烷作為硅源。
[0009]優(yōu)選的，所述步驟2)中生長氮化物形核層的溫度為室溫20°C?1000°C，形核層厚度為O?lOOnm。
[0010]優(yōu)選的，所述步驟3)中退火溫度為600°C?1200°C，退火時間為O?1000s。
[0011]優(yōu)選的，所述步驟4)在退火后的形核層上生長一層氮化鎵的生長溫度為800°C?1300°C，厚度為 O ?I μπι ；
優(yōu)選的，所述步驟5)中降溫速率為O?1000°C /s，溫度為20°C?1000°C。
[0012]采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:本發(fā)明在藍(lán)寶石、或碳化硅、或硅基等異質(zhì)襯底上，低溫生長一層氮化物形核層，隨后在對形核層退火結(jié)晶后，高溫生長一層較薄的氮化鎵，隨后停止通入鎵源并降溫，形成低溫過渡層，即“空層”，然后升高溫度繼續(xù)生長氮化鎵外延材料；“空層”的存在，釋放了應(yīng)力，阻擋了一部分位錯繼續(xù)延伸，降低了氮化鎵外延材料的位錯密度，提高了氮化鎵外延材料的晶體質(zhì)量。本發(fā)明能利用低溫“空層”有效降低氮化鎵外延層位錯密度，提高氮化鎵晶體質(zhì)量，進(jìn)而提高氮化鎵基器件的使用壽命及效率，同時本發(fā)明有較寬的生長工藝窗口。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明流程圖；
圖2是傳統(tǒng)的藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵外延的溫度曲線；
圖3是本發(fā)明在藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵外延的溫度曲線；
圖4是本例的氮化鎵樣品的(102)X射線雙晶衍射曲線，橫坐標(biāo)為ω方向掃描角度(弧s )，縱坐標(biāo)為相對強(qiáng)度。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0015]如圖1所示，本發(fā)明提供一種利用低溫過渡層生長高質(zhì)量氮化鎵外延結(jié)構(gòu)的方法，以藍(lán)寶石襯底為例，包括以下步驟:
I)采用MOCVD技術(shù)，在MOCVD反應(yīng)室內(nèi)將藍(lán)寶石襯底熱處理:在氫氣氣氛下，溫度維持在800 °C? 1300 °C，持續(xù)300 s到2000s ;然后降溫，其中的MOCVD技術(shù)，是利用氨氣作為氮源，氮?dú)饣蛘邭錃庾鳛檩d氣，三甲基鎵或三乙基鎵、三甲基鋁、三甲基銦分別作為鎵源、鋁源和銦源，硅烷作為硅源。
[0016]2)在襯底上生長一層低溫氮化物形核層:其中形核層的生長溫度為20°C?1000C，反應(yīng)室壓力為50?500mbar，V / III約300?3000，形核層厚度為，O?lOOnm。
[0017]3)退火，實(shí)現(xiàn)形核層結(jié)晶:反應(yīng)室溫度升高到退火溫度:600°C?1200°C，退火時間為O?1000s，使氮化物形核層在退火后剩余少量晶核。
[0018]4)升高溫度在退火后的形核層上生長一層氮化鎵:其中生長溫度在800°C?l300°c，反應(yīng)室壓力為 100 mbar ?1000 mbar，V / III約 300 ?400。
[0019]5)停止生長氮化鎵，降溫:在NH3氣氛保護(hù)下，停止通入三甲基鎵，降溫速率為O?1000C /s，溫度為20°C?1000°C，反應(yīng)室壓力不變，如圖3所示。
[0020]6)升溫，繼續(xù)生長氮化鎵:通入三甲基鎵源，升溫，其中生長溫度在800 °C?1300°C，反應(yīng)室壓力為 100 mbar ?1000 mbar, V / III約 300 ?400。
[0021 ] 7 )在氮化鎵層依次生長插入層，溝道層，蓋帽層以及鈍化層，得到完整外延結(jié)構(gòu)。
[0022]如圖4所示，本發(fā)明實(shí)施案例的氮化鎵樣品的(102) X射線衍射雙晶曲線，其中橫坐標(biāo)為ω方向掃描角度(弧秒)，縱坐標(biāo)為相對強(qiáng)度；Χ射線衍射雙晶曲線半高寬度很小，約300弧秒，說明本發(fā)明得到的氮化鎵晶體質(zhì)量有提高，進(jìn)而提高器件的使用壽命和效率，同時該方法生長氮化鎵外延結(jié)構(gòu)有很寬的生長工藝窗口。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用低溫過渡層生長高質(zhì)量氮化鎵外延結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: 1)采用MOCVD技術(shù)，對襯底在高溫下熱處理后，降溫； 2)在襯底上生長一層低溫氮化物形核層； 3)退火，實(shí)現(xiàn)形核層結(jié)晶； 4)升高溫度，在退火后的形核層上生長一層氮化鎵； 5)停止通入鎵源，停止生長氮化鎵，降溫； 6)繼續(xù)通入鎵源生長氮化鎵，并升高溫度； 7)在氮化鎵層上依次生長插入層，溝道層，蓋帽層以及鈍化層，得到完成的外延結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用低溫過渡層生長高質(zhì)量氮化鎵外延結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述步驟I)中的襯底為氮化鎵、藍(lán)寶石、SiC、S1、A1N、S12、金剛石、石墨烯中的任意一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用低溫過渡層生長高質(zhì)量氮化鎵外延結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述步驟I)中采用的MOCVD技術(shù)，是利用氨氣作為氮源，氮?dú)饣蛘邭錃庾鳛檩d氣，三甲基鎵或三乙基鎵、三甲基鋁、三甲基銦分別作為鎵源、鋁源和銦源，硅烷作為硅源。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用低溫過渡層生長高質(zhì)量氮化鎵外延結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述步驟2)中生長氮化物形核層的溫度為室溫20°C?1000°C，形核層厚度為O ?10nm05.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用低溫過渡層生長高質(zhì)量氮化鎵外延結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述步驟3)中退火溫度為600°C?1200°C，退火時間為O?1000s。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用低溫過渡層生長高質(zhì)量氮化鎵外延結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述步驟4)在退火后的形核層上生長一層氮化鎵的生長溫度為800°C?1300°C，厚度為O?I μ m07.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用低溫過渡層生長高質(zhì)量氮化鎵外延結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述步驟5)中降溫速率為O?1000°C /s，溫度為20°C?1000°C。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用低溫過渡層生長高質(zhì)量氮化鎵外延結(jié)構(gòu)的方法，涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括以下步驟：1）采用MOCVD技術(shù)，對襯底在高溫下熱處理后，降溫；2）在襯底上生長一層低溫氮化物形核層；3）退火，實(shí)現(xiàn)形核層結(jié)晶；4）升高溫度，在退火后的形核層上生長一層氮化鎵；5）停止通入鎵源，停止生長氮化鎵，降溫；6）繼續(xù)通入鎵源生長氮化鎵，并升高溫度；7）在氮化鎵層上依次生長插入層，溝道層，蓋帽層以及鈍化層，得到完成的外延結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用低溫過渡層有效降低氮化鎵外延層位錯密度，提高氮化鎵晶體質(zhì)量，進(jìn)而提高氮化鎵基器件的使用壽命及效率。
【IPC分類】H01L21/02, H01L21/205
【公開號】CN105006427
【申請?zhí)枴緾N201510470018
【發(fā)明人】張志榮, 尹甲運(yùn), 房玉龍, 蘆偉立, 馮志紅
【申請人】中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年8月4日