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CN105006427B - 一种利用低温过渡层生长高质量氮化镓外延结构的方法 - Google Patents

一种利用低温过渡层生长高质量氮化镓外延结构的方法 Download PDF

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CN105006427B
CN105006427B CN201510470018.2A CN201510470018A CN105006427B CN 105006427 B CN105006427 B CN 105006427B CN 201510470018 A CN201510470018 A CN 201510470018A CN 105006427 B CN105006427 B CN 105006427B
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尹甲运
房玉龙
芦伟立
冯志红
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CETC 13 Research Institute
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Abstract

本发明公开了一种利用低温过渡层生长高质量氮化镓外延结构的方法，涉及半导体技术领域。该方法包括以下步骤：1）采用MOCVD技术，对衬底在高温下热处理后，降温；2）在衬底上生长一层低温氮化物形核层；3）退火，实现形核层结晶；4）升高温度，在退火后的形核层上生长一层氮化镓；5）停止通入镓源，停止生长氮化镓，降温；6）继续通入镓源生长氮化镓，并升高温度；7）在氮化镓层上依次生长插入层，沟道层，盖帽层以及钝化层，得到完成的外延结构。本发明利用低温过渡层有效降低氮化镓外延层位错密度，提高氮化镓晶体质量，进而提高氮化镓基器件的使用寿命及效率。

Description

一种利用低温过渡层生长高质量氮化镓外延结构的方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种利用低温过渡层生长高质量氮化镓外延结构的方法。
背景技术
作为第三代半导体的典型代表，氮化镓材料由于具有宽的禁带宽度，高电子速度等特点，氮化镓基器件在微波、毫米波频段广泛应用于无线通信、雷达等电子系统，在光电子和微电子领域发展前景十分广阔。
目前，获得氮化镓外延材料的主要方法是通过在衬底上外延生长，衬底包括氮化镓、蓝宝石、碳化硅、氮化铝以及硅基衬底等。但是由于氮化镓材料与衬底之间存在较大的晶格失配和热膨胀失配，（如与蓝宝石失配为16%，与碳化硅失配为3.4%，与硅基失配为17%），使得生长的氮化镓外延材料引入了大量的位错和缺陷，缺陷密度高达108~1010 cm-2，进而影响了氮化镓基器件的使用寿命和使用效率。
传统的生长氮化镓外延材料的方法是，首先在衬底上生长一层氮化物形核层，然后在退火结晶后的形核层上持续高温生长氮化镓外延材料。由于低温生长的氮化物形核层存在大量的位错和缺陷，晶核质量较差，在此基础上高温生长氮化镓外延材料时，由于晶格不匹配和热膨胀不匹配导致的位错和缺陷继续延伸，氮化镓外延材料的位错和缺陷仍然很多，外延材料晶体质量依然很差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用低温过渡层生长高质量氮化镓外延结构的方法，其通过在生长氮化镓的过程中，插入生长一层低温过渡层，进一步提升氮化镓的晶体质量，提高器件的效率和使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种利用低温过渡层生长高质量氮化镓外延结构的方法，该方法包括以下步骤：
1）采用MOCVD技术，对衬底在高温下热处理后，降温；
2）在衬底上生长一层低温氮化物形核层；
3）退火，实现形核层结晶；
4）升高温度，在退火后的形核层上生长一层氮化镓；
5）停止通入镓源，停止生长氮化镓，降温；
6）继续通入镓源生长氮化镓，并升高温度；
7）在氮化镓层上依次生长插入层，沟道层，盖帽层以及钝化层，得到完成的外延结构。
优选的，所述步骤1）中的衬底为氮化镓、蓝宝石、SiC、Si、AlN、SiO2、金刚石、石墨烯中的任意一种。
优选的，所述步骤1）中采用的MOCVD技术，是利用氨气作为氮源，氮气或者氢气作为载气，三甲基镓或三乙基镓、三甲基铝、三甲基铟分别作为镓源、铝源和铟源，硅烷作为硅源。
优选的，所述步骤2）中生长氮化物形核层的温度为室温20℃～1000℃，形核层厚度为0～100nm。
优选的，所述步骤3）中退火温度为600℃～1200℃，退火时间为0～1000s。
优选的，所述步骤4）在退火后的形核层上生长一层氮化镓的生长温度为800℃～1300℃，厚度为0～1μm；
优选的，所述步骤5）中降温速率为0～1000℃/s，温度为20℃～1000℃。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明在蓝宝石、或碳化硅、或硅基等异质衬底上，低温生长一层氮化物形核层，随后在对形核层退火结晶后，高温生长一层较薄的氮化镓，随后停止通入镓源并降温，形成低温过渡层，即“空层”，然后升高温度继续生长氮化镓外延材料；“空层”的存在，释放了应力，阻挡了一部分位错继续延伸，降低了氮化镓外延材料的位错密度，提高了氮化镓外延材料的晶体质量。本发明能利用低温“空层”有效降低氮化镓外延层位错密度，提高氮化镓晶体质量，进而提高氮化镓基器件的使用寿命及效率，同时本发明有较宽的生长工艺窗口。
附图说明
图1是本发明流程图；
图2是传统的蓝宝石衬底上生长氮化镓外延的温度曲线；
图3是本发明在蓝宝石衬底上生长氮化镓外延的温度曲线；
图4是本例的氮化镓样品的（102）X射线双晶衍射曲线，横坐标为ω方向扫描角度（弧s），纵坐标为相对强度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种利用低温过渡层生长高质量氮化镓外延结构的方法，以蓝宝石衬底为例，包括以下步骤：
1）采用MOCVD技术，在MOCVD反应室内将蓝宝石衬底热处理：在氢气气氛下，温度维持在800 ℃～1300 ℃，持续300 s到2000s；然后降温，其中的MOCVD技术，是利用氨气作为氮源，氮气或者氢气作为载气，三甲基镓或三乙基镓、三甲基铝、三甲基铟分别作为镓源、铝源和铟源，硅烷作为硅源。
2）在衬底上生长一层低温氮化物形核层：其中形核层的生长温度为20℃～1000℃，反应室压力为50～500mbar，Ⅴ/Ⅲ约300～3000，形核层厚度为,0～100nm。
3）退火，实现形核层结晶：反应室温度升高到退火温度：600℃～1200℃，退火时间为0～1000s，使氮化物形核层在退火后剩余少量晶核。
4）升高温度在退火后的形核层上生长一层氮化镓：其中生长温度在800℃～1300℃，反应室压力为100 mbar～1000 mbar，Ⅴ/Ⅲ约300～400。
5）停止生长氮化镓，降温：在NH3气氛保护下，停止通入三甲基镓，降温速率为0～1000℃/s，温度为20℃～1000℃，反应室压力不变，如图3所示。
6）升温，继续生长氮化镓：通入三甲基镓源，升温，其中生长温度在800℃～1300℃，反应室压力为100 mbar～1000 mbar，Ⅴ/Ⅲ约300～400。
7）在氮化镓层依次生长插入层，沟道层，盖帽层以及钝化层，得到完整外延结构。
如图4所示，本发明实施案例的氮化镓样品的（102）X射线衍射双晶曲线，其中横坐标为ω方向扫描角度（弧秒），纵坐标为相对强度；X射线衍射双晶曲线半高宽度很小，约300弧秒，说明本发明得到的氮化镓晶体质量有提高，进而提高器件的使用寿命和效率，同时该方法生长氮化镓外延结构有很宽的生长工艺窗口。

Claims (6)

1.一种利用低温过渡层生长高质量氮化镓外延结构的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1）采用MOCVD技术，对衬底在高温下热处理后，降温；
2）在衬底上生长一层低温氮化物形核层；
3）退火，实现形核层结晶；
4）升高温度，在退火后的形核层上生长一层氮化镓；
5）停止通入镓源，停止生长氮化镓，降温；
6）继续通入镓源生长氮化镓，并升高温度；
7）在氮化镓层上依次生长插入层，沟道层，盖帽层以及钝化层，得到完成的外延结构；
所述步骤5）中降温速率为0～1000℃/s，温度为20℃～1000℃。
2.根据权利要求1所述的一种利用低温过渡层生长高质量氮化镓外延结构的方法，其特征在于：所述步骤1）中的衬底为氮化镓、蓝宝石、SiC、Si、AlN、SiO2、金刚石、石墨烯中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种利用低温过渡层生长高质量氮化镓外延结构的方法，其特征在于：所述步骤1）中采用的MOCVD技术，是利用氨气作为氮源，氮气或者氢气作为载气，三甲基镓或三乙基镓、三甲基铝、三甲基铟分别作为镓源、铝源和铟源，硅烷作为硅源。
4.根据权利要求1所述的一种利用低温过渡层生长高质量氮化镓外延结构的方法，其特征在于：所述步骤2）中生长氮化物形核层的温度为室温20℃～1000℃，形核层厚度为0～100nm。
5.根据权利要求1所述的一种利用低温过渡层生长高质量氮化镓外延结构的方法，其特征在于：所述步骤3）中退火温度为600℃～1200℃，退火时间为0～1000s。
6.根据权利要求1所述的一种利用低温过渡层生长高质量氮化镓外延结构的方法，其特征在于：所述步骤4）在退火后的形核层上生长一层氮化镓的生长温度为800℃～1300℃，厚度为0～1μm。
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