CN103578986A - 一种高阻GaN薄膜的制备方法 - Google Patents

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赵德刚
江德生
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    • H10D30/01—Manufacture or treatment
    • H10D30/015—Manufacture or treatment of FETs having heterojunction interface channels or heterojunction gate electrodes, e.g. HEMT
    • H01L21/2056—

Abstract

本发明公开了一种高阻GaN薄膜及其制作方法。该高阻GaN薄膜包括：衬底；GaN低温成核层，其制作在衬底上；GaN高阻层，其制作在GaN低温成核层上。该高阻GaN薄膜利用MOCVD设备，并用三甲基镓和氨气作为镓源和氮源，以氢气为载气进行生长，所述GaN低温成核层的生长温度为550℃，反应室压强为200Torr，厚度为0.2～0.3μm；GaN高阻层的生长温度为1040℃，反应室压强为50Torr，厚度为2μm。本发明提出的上述高阻GaN薄膜是通过控制材料生长时的反应室压强，控制反应前驱物TMGa中碳原子的并入，从而在不单独添加碳源的情况下引入碳杂质得到受主能级，使背景载流子浓度得到补偿。

Description

一种高阻GaN薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，尤其涉及一种高祖GaH的制备方法。
背景技术
近年来，随着第三代无线通讯和军用相控阵雷达的兴起和高速发展，大功率微波器件如高电子迁移率晶体管(HEMT)得到广泛关注和研究。GaN具有禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优异特性；而且可以与AlGaN材料构成异质结，其异质结界面上的压电极化和自发极化可产生高浓度的二维电子气(2DEG)，是制造HEMT器件的绝佳选择。
一个最基本的HEMT器件，应该具备如下几层结构：衬底、成核层、高阻层、沟道层、势垒层。高阻层的作用是阻止沟道层中的电子向下层材料泄漏产生漏电流，因此需要较高的电阻率和较低的载流子浓度。然而MBE和MOCVD技术生长的GaN薄膜通常呈现N型，背景电子浓度很高，电阻率很低。一般采用补偿的办法降低背景电子浓度，得到高阻GaN外延膜，目前常用的补偿方法有故意掺杂Fe、C等杂质引入深能级受主、控制成核层生长参数引入位错等。但是这些技术都有各自的不足，比如造成反应室污染、使工艺复杂化、降低材料质量和电学特性等。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高阻GaN外延膜的制备方法，通过控制生长压强，实现非故意可控碳掺杂，从而达到补偿背景载流子，提高材料电阻率的目的。
根据本发明的一个方面，其提供了一种高阻GaN薄膜，包括：
一衬底；
一GaN低温成核层，其制作在衬底上；
一GaN高阻层，其制作在GaN低温成核层上。
其中衬底1的材料为蓝宝石。
其中该高阻GaN薄膜利用MOCVD设备，并用三甲基镓和氨气作为镓源和氮源，以氢气为载气进行生长。
其中所述GaN低温成核层的生长温度为550℃，反应室压强为200Torr，厚度为0.2～0.3μm；GaN高阻层的生长温度为1040℃，反应室压强为50Torr，厚度为2μm。
根据本发明另一方面，其还提供了一种高阻GaN薄膜的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：将衬底在反应室中热处理；
步骤2：在温度550℃，压强200Torr的条件下生长一层厚度为0.2～0.3μm的GaN低温成核层；
步骤3：升温至1040℃，降低压强至50Torr，生长一层厚度约为2μm的高温GaN层。
其中该方法利用MOCVD设备，并用三甲基镓和氨气作为镓源和氮源，以氢气为载气进行高阻GaN薄膜的生长。
本发明的关键在于通过低压生长引入高浓度的碳杂质，从而引入受主能级补偿背景载流子浓度，使得GaN外延膜的电阻率大大提高，得到了GaN高阻层。其优点是工艺简单，利用MOCVD气源中金属有机化合物中的碳作为碳源，不需要另外引入新的掺杂材料，而且保证了外延膜的质量。
附图说明
图1是本发明提出的高阻GaN薄膜的生长结构示意图；
图2是本发明的GaN样品二次离子质谱测量结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。图1示出了本发明提出的一种高阻GaN薄膜的生长结构示意图。如图1所示，该高阻GaN薄膜由下到上依次包括：
一衬底1，可选地，其材料为蓝宝石；
一GaN低温成核层2，其制作在衬底1上；
一GaN高阻层3，该GaN高阻层3制作在GaN低温成核层2上。
其中，上述高阻GaN薄膜是利用MOCVD设备进行生长，用三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)作为镓源和氮源，以氢气(H2)为载气，其中GaN低温成核层2的生长温度为550℃左右，反应室压强为200Torr，厚度为0.2～0.3μm；GaN高阻层3的生长温度为1040℃，反应室压强为50Torr，厚度为2μm。
本发明还提供了一种高阻GaN薄膜的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：将衬底1在MOCVD设备的反应室中热处理；
步骤2：用三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)作为镓源和氮源，以氢气为载气，在温度550℃，压强200Torr的条件下生长一层厚度为0.2～0.3μm的GaN低温成核层2；
步骤3：升温至1040℃，降低压强至50Torr，生长一层厚度约为2μm的GaN高阻层。
本发明提出的上述高阻GaN薄膜是通过控制材料生长时的反应室压强，控制反应前驱物TMGa中碳原子的并入，从而在不单独添加碳源的情况下引入碳杂质得到受主能级，使背景载流子浓度得到补偿，获得高阻GaN薄膜。用MOCVD设备，用三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)作为镓源和氮源，以氢气为载气，以c面蓝宝石作衬底进行异质外延。生长材料之前先将衬底在反应室中热处理，然后采用两步生长法，先在550℃，200Torr的条件下生长一层较薄的GaN低温成核层1(约0.2～0.3μm)，然后升温至1040℃，降低压强至50Torr，生长一层2μm的非故意掺杂的GaN高温低压层2。
图2示出了本发明提出的上述高阻GaN薄膜样品的二次离子质谱测量结果。如图2所示，该样品的电阻率很高，为2.5×109Ωcm，这表明该样品已经是很好的高阻材料。二次离子质谱测试显示，样品有较高的碳杂质含量(～1018cm-2)，正是碳杂质对背景载流子的补偿使样品呈现高阻特性。双晶X射线衍射测得样品的(002)面和(102)面摇摆曲线半高宽分别为334.8”和583.2”。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高阻GaN薄膜，包括：
一衬底；
一GaN低温成核层，其制作在衬底上；
一GaN高阻层，其制作在GaN低温成核层上。
2.根据权利要求1所述的高阻GaN薄膜，其中衬底1的材料为蓝宝石。
3.根据权利要求1所述的高阻GaN薄膜，其中该高阻GaN薄膜利用MOCVD设备，并用三甲基镓和氨气作为镓源和氮源，以氢气为载气进行生长。
4.根据权利要求1所述的高阻GaN薄膜，其中所述GaN低温成核层的生长温度为550℃，反应室压强为200Torr，厚度为0.2～0.3μm；GaN高阻层的生长温度为1040℃，反应室压强为50Torr，厚度为2μm。
5.一种高阻GaN薄膜的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：将衬底在反应室中热处理；
步骤2：在温度550℃，压强200Torr的条件下生长一层厚度为0.2～0.3μm的GaN低温成核层；
步骤3：升温至1040℃，降低压强至50Torr，生长一层厚度约为2μm的高温GaN层。
6.如权利要求1所述的制作方法，其中该方法利用MOCVD设备，并用三甲基镓和氨气作为镓源和氮源，以氢气为载气进行高阻GaN薄膜的生长。
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