專利名稱：生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵外延膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別指氮化鎵外延膜的外延生長(zhǎng)方法。
背景技術(shù)：
III-V族氮化鎵材料作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，由于具有獨(dú)特的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，在光電子和微電子領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。氮化鎵材料可用于制備HEMT、HFET、HBT、JFET、MOSFET、SAW等器件。遷移率是表征材料質(zhì)量的重要參數(shù)，高遷移率材料的獲得對(duì)材料研究和器件研制具有很大的益處。但是由于缺少與氮化鎵材料相匹配的異質(zhì)襯底材料，材料的純度難以提高，因此難以獲得高遷移率的GaN材料。
在本發(fā)明以前，經(jīng)常采用的高遷移率氮化鎵材料的生長(zhǎng)方法是先在襯底藍(lán)寶石(0001)或其它適于生長(zhǎng)氮化物的襯底的晶面上采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長(zhǎng)一層低溫氮化鎵成核層，然后升高襯底溫度，生長(zhǎng)不摻雜或者Si摻雜的氮化鎵層以提高遷移率。如果使用摻雜的方法，摻雜的原子雖然能提高GaN材料的遷移率，但是摻雜的原子破壞了GaN原本的晶格，導(dǎo)致GaN材料的晶體質(zhì)量下降。因此這種方法會(huì)影響材料本身和由其制備的器件性能。對(duì)于非摻雜直接生長(zhǎng)本征GaN的方法，目前遷移率大多在200～500cm2/V.s范圍。因此如何進(jìn)一步提高非摻雜的GaN材料的遷移率，是氮化物材料發(fā)展的一個(gè)重要問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵外延膜的方法，其方法是通過非有意摻雜，通過控制生長(zhǎng)條件，如溫度、壓力以及加入氮化鎵恢復(fù)層的新結(jié)構(gòu)，有效緩解了晶格失配帶來的應(yīng)力，提高了晶體質(zhì)量。生長(zhǎng)出了高遷移率的本征氮化鎵材料。本發(fā)明還提高了樣品表面的平整度。
本發(fā)明一種生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵外延膜的方法，其特征在于，包括如下步驟選擇一襯底；在襯底上采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)一層低溫氮化鎵成核層；隨后升高襯底的溫度，在低溫氮化鎵成核層上生長(zhǎng)氮化鎵恢復(fù)層；最后改變生長(zhǎng)室壓力，在氮化鎵恢復(fù)層上生長(zhǎng)非有意摻雜高遷移率氮化鎵層。
其中所述的襯底為藍(lán)寶石或硅或碳化硅或GaLiO3、ZnO。
其中在襯底上生長(zhǎng)低溫氮化鎵成核層時(shí)，生長(zhǎng)溫度為500-600℃，生長(zhǎng)壓力為400-600torr，生長(zhǎng)厚度為0.01-0.06μm。
其中在低溫氮化鎵成核層上生長(zhǎng)氮化鎵恢復(fù)層時(shí)，生長(zhǎng)溫度在1000-1100℃之間，生長(zhǎng)壓力100-300torr，生長(zhǎng)厚度為0.1-0.3μm。
其中在氮化鎵恢復(fù)層上生長(zhǎng)非有意摻雜高遷移率氮化鎵層時(shí)，生長(zhǎng)溫度1000-1100℃之間，生長(zhǎng)壓力約為400-600torr，氮化鎵膜厚為0.5-6μm。
用此方法生長(zhǎng)的氮化鎵為高遷移率氮化鎵，其室溫遷移率不小于400cm2/V.s。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作一詳細(xì)的描述，其中圖1是本發(fā)明的高遷移率GaN材料生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的高遷移率GaN材料的遷移率及載流子濃度隨溫度的變化曲線圖；圖3是本發(fā)明的高遷移率GaN X射線搖擺曲線半峰寬測(cè)試結(jié)果圖；圖4是本發(fā)明的高遷移率GaN表面粗糙度RMS測(cè)試結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明關(guān)鍵在于加入氮化鎵恢復(fù)層的新結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)了非有意摻雜的高遷移率氮化鎵外延膜。通過控制生長(zhǎng)條件，如溫度、壓力到最佳的條件，配合加入的氮化鎵恢復(fù)層新結(jié)構(gòu)，最大限度的消除了晶格與襯底失配帶來的應(yīng)力，而應(yīng)力正是產(chǎn)生晶體位錯(cuò)的主要原因。另一方面，非有意摻雜的氮化鎵外延層有效降低了由于摻雜而引起的電離雜質(zhì)，從而提高了晶體質(zhì)量，生長(zhǎng)出了高遷移率的本征氮化鎵材料。本發(fā)明還提高了樣品表面的平整度。
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明一種生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵外延膜的方法，包括如下步驟先在襯底10上采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)一層低溫氮化鎵成核層20；其中所述的襯底10為藍(lán)寶石或硅或碳化硅或GaLiO3、ZnO；其中在襯底10上生長(zhǎng)低溫氮化鎵成核層20時(shí)，生長(zhǎng)溫度為500-600℃，生長(zhǎng)壓力為400-600torr，生長(zhǎng)厚度為0.01-0.06μm；隨后升高襯底10的溫度，在低溫氮化鎵成核層20上生長(zhǎng)氮化鎵恢復(fù)層30；其中氮化鎵恢復(fù)層30的生長(zhǎng)溫度在1000-1100℃之間，生長(zhǎng)壓力100-300torr，生長(zhǎng)厚度為0.1-0.3μm；最后改變生長(zhǎng)室壓力，在氮化鎵恢復(fù)層30上生長(zhǎng)非有意摻雜高遷移率氮化鎵層40；其中非有意摻雜高遷移率氮化鎵層40生長(zhǎng)溫度在1000-1100℃之間，生長(zhǎng)壓力約為400-600torr，氮化鎵膜厚約0.5-6μm。
用此方法生長(zhǎng)的氮化鎵為高遷移率氮化鎵，其室溫遷移率不小于400cm2/V.s。
實(shí)施例結(jié)合參閱圖1，本發(fā)明一種生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵外延膜的方法，包括如下步驟1、在襯底10藍(lán)寶石(0001)或硅(111)或碳化硅(0001)或其它適于生長(zhǎng)氮化物的襯底如GaLiO3、ZnO等的晶面上采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)一層低溫氮化鎵成核層20。生長(zhǎng)溫度為500-600℃，生長(zhǎng)壓力為400-600torr，生長(zhǎng)厚度為0.01-0.06μm。
2、之后升高襯底10溫度，生長(zhǎng)氮化鎵恢復(fù)層30，氮化鎵恢復(fù)層的生長(zhǎng)溫度在1000-1100℃之間，生長(zhǎng)壓力100-300torr，生長(zhǎng)厚度為0.1-0.3μm。
3、最后改變生長(zhǎng)室壓力，非有意摻雜高遷移率氮化鎵層40，生長(zhǎng)溫度1000-1100℃之間，生長(zhǎng)壓力約為400-600torr，氮化鎵膜厚約0.5-6μm。
對(duì)由以上步驟獲得的樣品進(jìn)行測(cè)試分析，證明用此方法生長(zhǎng)的氮化鎵為高遷移率氮化鎵材料。使用范德堡HALL測(cè)試方法證實(shí)在室溫300K時(shí)該材料遷移率大于730cm2/V.s，載流子濃度1.8×1016cm-3，77K時(shí)遷移率1580cm2/V.s，載流子濃度4.0×1015cm-3(圖2)；同時(shí)晶體質(zhì)量得到了改善，使用雙晶X射線衍射方法證實(shí)該材料的(0002)面的搖擺曲線半峰寬小于6arcmin.(圖3)；原子力顯微鏡(AFM)測(cè)試方法證實(shí)該材料表面粗糙度(RMS)小于0.2nm(圖4)。本發(fā)明降低了工藝難度，減少了工藝步驟，一次性地生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的本征高遷移率氮化鎵材料，優(yōu)化了生長(zhǎng)工藝。
權(quán)利要求
1.一種生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵外延膜的方法，其特征在于，包括如下步驟選擇一襯底；在襯底上采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)一層低溫氮化鎵成核層；隨后升高襯底的溫度，在低溫氮化鎵成核層上生長(zhǎng)氮化鎵恢復(fù)層；最后改變生長(zhǎng)室壓力，在氮化鎵恢復(fù)層上生長(zhǎng)非有意摻雜高遷移率氮化鎵層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵外延膜的方法，其特征在于，其中所述的襯底為藍(lán)寶石或硅或碳化硅或GaLiO3、ZnO。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵外延膜的方法，其特征在于，其中在襯底上生長(zhǎng)低溫氮化鎵成核層時(shí)，生長(zhǎng)溫度為500-600℃，生長(zhǎng)壓力為400-600torr，生長(zhǎng)厚度為0.01-0.06μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵外延膜的方法，其特征在于，其中在低溫氮化鎵成核層上生長(zhǎng)氮化鎵恢復(fù)層時(shí)，生長(zhǎng)溫度在1000-1100℃之間，生長(zhǎng)壓力100-300torr，生長(zhǎng)厚度為0.1-0.3μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵外延膜的方法，其特征在于，其中在氮化鎵恢復(fù)層上生長(zhǎng)非有意摻雜高遷移率氮化鎵層時(shí)，生長(zhǎng)溫度1000-1100℃之間，生長(zhǎng)壓力約為400-600torr，氮化鎵膜厚為0.5-6μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵外延膜的方法，其特征在于，用此方法生長(zhǎng)的氮化鎵為高遷移率氮化鎵，其室溫遷移率不小于400cm2/V.s。
全文摘要
一種生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵外延膜的方法，其特征在于，包括如下步驟選擇一襯底；在襯底上采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)一層低溫氮化鎵成核層；隨后升高襯底的溫度，在低溫氮化鎵成核層上生長(zhǎng)氮化鎵恢復(fù)層；最后改變生長(zhǎng)室壓力，在氮化鎵恢復(fù)層上生長(zhǎng)非有意摻雜高遷移率氮化鎵層。
文檔編號(hào)C30B25/02GK1704506SQ200410046040
公開日2005年12月7日 申請(qǐng)日期2004年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月2日
發(fā)明者王曉亮, 胡國(guó)新, 王軍喜, 李建平, 曾一平, 李晉閩 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所