CN101060076A - 一种GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高晶体质量的GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法,该方法是以Al2O3、SiC或Si为衬底,在衬底经高温氮化后,依次于750~780℃下高温生长AlN成核层,于720~730℃下低温三维生长GaN成核层,再于750~780℃下高温二维生长GaN外延层,继续外延生长GaN的同时,实行原位金属Fe、Cr或Mg掺杂,制备出高位错密度、相对粗糙的GaN绝缘层。此后采用AlGaN/GaN超晶格或多周期间歇式原子层脉冲沉积法,生长GaN过渡层,最后在720~730℃、高III/V比条件下生长出高晶体质量、表面光滑的GaN外延层。以用本发明方法制备的这种GaN绝缘或半绝缘外延层为衬底材料,可生长微波器件结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法。
背景技术
氮化镓(GaN)是继Si、GaAs之后的第三代半导体,具有宽禁带(3.5eV)、高击穿场强(3×106V/cm)、高电子饱和漂移速率(3×107cm/s)、高热导率。此外,GaN材料非常坚硬,有稳定的化学性质,耐高温、耐腐蚀,导热性好,具有良好的抗辐射特性和优异的高温工作特性。这使得GaN成为能在恶劣环境下工作的大功率、高速、高频(微波)、高温电子器件的良好基材。但绝缘GaN材料生长有个难点,通常GaN材料背底电子浓度很高,难以直接得到绝缘或半绝缘的GaN外延层。作为功率器件,GaN衬底绝缘性能不好容易造成击穿电压降低、高频漏电、引起器件失效。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能、高质量的GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法,本发明采用的制备方法是分子束外延原位掺杂法,用该方法制备的GaN绝缘或半绝缘外延层的性能参数可达到:载流子浓度≤1×1014cm-2,X射线衍射(002)面摇摆曲线的半高宽≤0.15°,5μm×5μm范围内表面平整度≤0.3nm。
实现本发明目的的技术方案是一种GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法,即采用分子束外延原位掺杂法,其具体步骤如下:
(1)在反应生长室中,以Al2O3、SiC或Si为衬底,于800~850℃温度下对衬底进行高温氮化10~30分钟;
(2)于750~780℃下高温生长10~20nm的AlN缓冲层。
(3)于720~730℃下低温生长20~40nm的的三维GaN成核层;
(4)于750~780℃下高温生长100~150nm的的二维GaN外延层;
(5)继续外延生长GaN的同时实施原位掺杂金属Fe、Cr或Mg,生长出相对粗糙、厚度为0.5~2μm的GaN绝缘层。
生长完GaN绝缘层后,采用AlGaN/GaN超晶格或多周期间歇式原子层脉冲沉积法,生长GaN过渡层,以调制GaN绝缘层的应力分布,阻止和减少绝缘层中的穿透位错延伸到外延层。然后在720~730℃、高III/V比条件下生长出高晶体质量、表面光滑的GaN外延层,其厚度不超过1μm。
AlN缓冲层采用脉冲原子层沉积生长法生长。这样可以减小衬底和GaN之间的晶格参数失配率,提高GaN外延层的晶体质量。而且,AlN缓冲层的生长是在高温氮化后的衬底上先生长单原子层Al调制极性,然后N、Al交替进入反应生长室生长AlN缓冲层。
上述所用脉冲原子层沉积生长法是Ga或Al金属源与N源分别以脉冲模式,先后进入反应生长室生长出GaN层或AlN层。
而且在实施原位掺杂时采用局部δ掺杂和/或间隔掺杂和/或连续掺杂的方法。优选的原位掺杂金属Fe、Cr或Mg是在500~730℃的循环温度状态下实施间隔循环原位掺杂,即温度降至500~600℃范围时掺杂,温度升至600~730℃范围时则停止掺杂,循环进行。
而且,在制备过程中,于720~730℃下生长三维GaN成核层后逐渐过渡到750~780℃下生长二维GaN外延层。
由上述技术方案可知,本发明在衬底经高温氮化后,依次高温生长AlN成核层,低温生长三维GaN成核层,再高温生长二维GaN外延层,继续外延生长GaN的同时,实施原位过渡金属(Fe和Cr)掺杂,制备高位错密度,相对粗糙的GaN绝缘外延层。然后采用AlGaN/GaN超晶格或多周期间歇式原子层脉冲沉积法,生长GaN过渡层。最后,在高III/V比条件下二维生长低位错密度、表面光滑的GaN外延层。且以这种GaN绝缘或半绝缘外延层为衬底,可生长微波器件结构。
在上述过程中用到的脉冲原子层沉积生长法,是Ga或Al金属源与N源分别以脉冲模式,先后进入反应生长室生长出GaN层或AlN层,这样可以增强III族金属原子在生长表面的迁移,在与N原子结合之前找到能量最低点,从而有利于薄膜的二维生长,有效提高每一层材料的晶体质量,同时还能既降低GaN绝缘外延层的应力,又阻挡位错延伸。
经测试,用本发明方法制备的GaN绝缘或半绝缘外延层的性能参数可达到:载流子浓度≤1×1014cm-2,XRD(002)摇摆曲线的半高宽(FWHM)≤0.15°,5μm×5μm范围内表面平整度(RMS)≤0.3nm的高质量GaN绝缘或半绝缘外延层。
附图说明
图1是用本发明方法制备的GaN绝缘或半绝缘外延层的示意图。
图2是原位掺杂Fe金属元素获得的GaN绝缘层的原子力显微镜图片。
图3是生长完GaN绝缘层后再采用AlGaN/GaN超晶格过渡,生长的高质量的GaN外延层的原子力显微镜图片。
图4是本发明方法制备的高晶体质量绝缘GaN外延层的截面透射电镜(TEM)图片。
图5是本发明方法制备的高晶体质量绝缘GaN外延层的截面高分辨透射电镜(HRTEM)图片。
具体实施方式
选择两英寸的Al2O3、SiC或Si作为衬底,在生长之前衬底在810℃下清洁10分钟。将衬底置于反应生长室中,衬底在800~850℃温度范围内的任一温度下高温氮化10~30分钟,本实施例具体为810℃,然后在750~780℃温度范围内的任一温度下高温生长10~20nm的AlN(Al/N>1)缓冲层,本实施例是在765℃下生长了10nm AlN缓冲层,再在720~730℃温度范围内的任一温度下低温生长20~40nm的三维GaN成核层,本实施例是在720℃下生长了20nm的GaN成核层,然后将温度逐渐升高到750~780℃温度范围内的任一温度下高温生长100~150nm的二维GaN外延层,本实施例是逐渐升高到760℃生长了100nm的二维GaN外延层。接着继续外延生长GaN的同时实施原位掺杂金属Fe、Cr或Mg(本实施例以Fe为例),生长出相对粗糙、厚度为0.5~2μm(实施例生长了1μm)的GaN绝缘层(参见图2),在实施原位掺杂时可采用局部6掺杂和/或间隔掺杂和/或连续掺杂的方法。本实施例中是在550℃实行连续原位掺杂。通过实验,也可以在500~730℃的循环温度状态下实行间隔循环原位掺杂,即温度降至500~600℃范围时掺杂,温度升至600~730℃范围时则停止掺杂,循环进行。生长完GaN绝缘层后,采用AlGaN/GaN超品格或多周期间歇式原子层脉冲沉积法,生长得GaN过渡层,以阻止和减少绝缘层中的穿透位错延伸到外延层(实施例采用了AlGaN/GaN超晶格结构)。最后,在720~730℃、高III/V比条件下生长出高晶体质量、表面光滑的GaN外延层(参见图3,RMS=0.2nm,现有技术一般在0.3nm左右),其厚度不超过1μm。采用本发明所制备的GaN绝缘或半绝缘外延层的示意图见图1,图1中从下至上各层分别为衬底7,AlN缓冲层6,低温生长的三维GaN成核层5,高温生长的二维GaN外延层4,GaN绝缘层3,AlGaN/GaN超晶格2,高晶体质量、表面光滑的GaN外延层1。图4、图5分别是本发明方法制备的高晶体质量绝缘GaN外延层的截面透射电镜(TEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)图片,图片显示用本发明的制备方法可得到高晶体质量、表面光滑的GaN绝缘或半绝缘外延层。
Claims (8)
1.一种GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法,其特征在于:采用分子束外延原位掺杂方法制备,具体步骤如下:
(1)在反应生长室中,以Al2O3、SiC或Si为衬底,于800~850℃温度下对衬底进行高温氮化10~30分钟;
(2)于750~780℃下高温生长10~20nm的AlN缓冲层;
(3)于720~730℃下低温生长20~40nm的的三维GaN成核层;
(4)于750~780℃下高温生长100~150nm的的二维GaN外延层;
(5)继续外延生长GaN的同时实施原位掺杂金属Fe、Cr或Mg,生长出相对粗糙、厚度为0.5~2μm的GaN绝缘层。
2.根据权利要求1所述的GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法,其特征在于:生长完GaN绝缘层后,采用AlGaN/GaN超晶格或多周期间歇式原子层脉冲沉积法,生长GaN过渡层,然后在720~730℃、高III/V比条件下生长出高晶体质量、表面光滑的GaN外延层,其厚度不超过1μm。
3.根据权利要求1所述的GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法,其特征在于:AlN缓冲层采用脉冲原子层沉积生长法生长。
4.根据权利要求3所述的GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法,其特征在于:AlN缓冲层的生长是在高温氮化后的衬底上先生长单原子层Al调制极性,然后N、Al交替进入反应生长室生长AlN缓冲层。
5.根据权利要求2或3或4所述的GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法,其特征在于:所用脉冲原子层沉积生长法是Ga或Al金属源与N源分别以脉冲模式,先后进入反应生长室生长出GaN层或AlN层。
6.根据权利要求1所述的GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法,其特征在于:在实施原位掺杂时采用局部δ掺杂和/或间隔掺杂和/或连续掺杂的方法。
7.根据权利要求6所述的GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法,其特征在于:其中原位掺杂金属Fe、Cr或Mg是在500~730℃的循环温度状态下实施间隔循环原位掺杂,即温度降至500~600℃范围时掺杂,温度升至600~730℃范围时则停止掺杂,循环进行。
8.根据权利要求1所述的GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法,其特征在于:于720~730℃下生长三维GaN成核层后逐渐过渡到750~780℃下生长二维GaN外延层。
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