CN103811305B - 一种硅基半绝缘砷化镓衬底的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基半绝缘砷化镓衬底的制备方法，包括以下步骤：步骤1：在硅衬底上，采用超高真空化学气相沉积方法外延锗层；步骤2：经外延了锗层的硅衬底放入MOCVD反应室中，分别生长低温成核砷化镓层和高温砷化镓层；步骤3：生长半绝缘砷化镓层；步骤4：生长砷化镓盖层；步骤5：抛光、清洗、封装，完成衬底的制备。本发明提出的上述方法中采用超高真空化学气相沉积从硅衬底过渡到锗层，通过底层锗的弛豫来消除4％的应变，由于砷化镓与锗的晶格失配只有800ppm，利用超高真空化学气相外延从硅衬底到锗层，避免了失配位错的产生，采用高低温砷化镓层的配合来解决反向畴的问题。

Description

一种硅基半绝缘砷化镓衬底的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体衬底领域，尤其涉及一种硅基半绝缘砷化镓衬底的制备方法。

背景技术

半导体衬底按照电阻率大小一般可以分为p型低阻、n型低阻、高阻、半绝缘型。其中，半绝缘衬底(semi-insulating materials)为电阻率大于10⁷Ω·cm的半导体衬底，可以有效的实现电荷隔离、减少寄生电容效应，实现器件的高速、高频性能，广泛应用于微电子(HEMT、HBT、MISFET、MOSFET等)和光电子领域(高速光探测器)。例如，单片微波集成电路(MMIC，Monolithic Microwave Integrated Circuit)是在半绝缘半导体衬底上(SI-GaAs半绝缘砷化镓、SI-InP半绝缘磷化铟)，采用一系列的半导体工艺方法制造出无源和有源元器件，并连接起来构成应用于微波频段的功能电路；其关键部分是是半绝缘砷化镓(或半绝缘磷化铟)基高性能HEMT的制作。近年来，基于半绝缘氮化镓(或半绝缘碳化硅)的大功率GaN/AlGaN HEMT成为国内外研究的热点。

III-V族化合物半导体GaAs、InP、SiC、GaN等，可以通过引入本征缺陷(例如GaAs中的EL2)或者进行过渡金属元素掺杂(掺铁InP)来实现半绝缘的性能；但是，单纯的硅和锗衬底很难实现半绝缘的特性，其电阻率最大可以达到10³Ω·cm的量级。不过，通过注氧隔离技术制备的SOI也可以达实现集成电路中元器件的介质电荷隔离。

目前，砷化镓或者磷化铟衬底的尺寸一般是2、4、6英寸，硅衬底可以达到12英寸，并且III-V族化合物衬底价格远远大于硅衬底。同时广泛应用于III-V族化合物半导体材料与器件结构外延的MOCVD设备所能生产的外延片的尺寸已经达到了8英寸(例如AIXTRON MOCVD设备，http：//www.aixtron.com)，并且在逐步增大，性能也逐渐改进。因此将硅衬底和MOCVD技术结合来获得高质量、大尺寸的硅基半绝缘砷化镓衬底是进行III-V族化合物半导体器件、电路、系统的硅基集成的必要条件，也是实现大规模生产、降低能耗与成本的重要方向。

在Si衬底上外延高质量的III-V族半导体材料是制备Si基III-V族化合物半导体器件的基础，而制作出硅基半绝缘性能的砷化镓层可以实现基于半绝缘衬底的III-V族半导体器件的硅基集成。GaAs是研究较为成熟的III-V族材料，本方法采用GaAs作为III-V的代表来研究外延问题。Si和GaAs的晶格适配较大(4.1％)，热失配较大(Si和GaAs的热膨胀系数分别为2.59×10^-6K^-1，5.75×10^-6Kw1)，因此在异质外延时会产生大量的位错。同时，由于极性材料在非极性衬底上外延以及衬底台阶的存在，外延层中会产生大量的反相畴(Anti-phase domain，APD)，反相畴边界(Anti-phaseboundary，APB)是载流子的散射和复合中心，同时在禁带引入缺陷能级。这些位错和反相畴边界会一直延伸到外延层的表面，严重影响了外延层的质量。Si基III-V族材料的生长必须解决这两个问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种硅基半绝缘砷化镓衬底材料，为实现基于半绝缘砷化镓衬底的器件的硅基集成提供衬底平台。

本发明提供了一种硅基半绝缘砷化镓衬底的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在硅衬底上，采用超高真空化学气相沉积方法外延锗层；

步骤2：经外延了锗层的硅衬底放入MOCVD反应室中，分别生长低温成核砷化镓层和高温砷化镓层；

步骤3：生长半绝缘砷化镓层；

步骤4：生长砷化镓盖层；

步骤5：抛光、清洗、封装，完成衬底的制备。

本发明提出的上述方法中采用超高真空化学气相沉积从硅衬底过渡到锗层，通过底层锗的弛豫来消除4％的应变，由于砷化镓与锗的晶格失配只有800ppm，利用超高真空化学气相外延从硅衬底到锗层，避免了失配位错的产生，采用高低温砷化镓层的配合来解决反向畴的问题。同时为了达到隔断电荷的目的，采用掺铁的方法实现砷化镓的半绝缘特性，来解决高速微电子器件的寄生电容效应。最后通过抛光来获得高平整度的砷化镓表面。

本发明提出的上述方案的特点是：1、外延锗层实现硅衬底到砷化镓的过渡；

2、砷化镓掺铁来获得半绝缘层；

3、通过抛光实现了高平整度的砷化镓表面。

附图说明

图1是本发明提出的硅基半绝缘砷化镓衬底的结构示意图；

图2是本发明提出的硅基半绝缘砷化镓衬底的制备方法流程图；

图3是本发明中非故意掺杂(NID)和掺铁(Fe)砷化镓的I-V曲线图。

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硅基半绝缘砷化镓衬底。如图1所示，包括，硅衬底1、锗层2、低温成核砷化镓层3、高温砷化镓层4、半绝缘砷化镓层5、生砷化镓盖层6。

图2示出了本发明提出的硅基半绝缘砷化镓衬底的制备方法流程图。如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤1：在硅衬底1上，采用超高真空化学气相沉积方法外延锗层2；

步骤2：将其立即放入MOCVD反应室中，分别生长低温成核砷化镓层3和高温砷化镓层4；

步骤3：生长半绝缘砷化镓层5；

步骤4：生长砷化镓盖层6；

步骤5：抛光、清洗、封装，完成衬底的制备。

其中，硅衬底1为偏[011]方向3°至6°的(100)衬底，经过标准硅片清洗后放入反应室；锗层2需要达到小于1×106cm-2的缺陷密度以及小于1nm的表面粗糙度。

其中，生长高温砷化镓层4、半绝缘砷化镓层5、生砷化镓盖层6的温度相同，都是620～660℃之间，优选为640℃。

其中，生长半绝缘砷化镓层5的生长速率是0.2nm/s～0.4nm/s，V/III为20～40，最优值35。

其中，生长半绝缘砷化镓层5时掺杂剂为二茂铁，其流量与所用的III族源TMGa的流量的比大约为1：1000～1：10000，最优值在1：8000，数量级在1×10^-8～1×10^-9mol/min，最优值在5×10^-8mol/min，其厚度可以根据实际的需要进行调整。

其中，砷化镓盖层6厚度为50～100nm，最优值为80nm，取决于抛光层的控制精度。

其中，抛光时去除的砷化镓的厚度小于100nm，最后达到的粗糙度小于0.5nm。

III-V族化合物半导体掺铁可以实现其外延层的半绝缘性能。图1为外延结构，半绝缘砷化镓层5通过掺铁在禁带中间引入深能级，可以俘获载流子。

图3示出了非故意掺杂和掺铁(Fe)砷化镓的I-V曲线图(分别在目标层上下做电极，测试伏安特性)。如图3所示，非故意掺杂的载流子在1×10¹⁶cm^-3，通过计算电阻率得到3Ω·cm的数值；而掺铁可以极大的实现电阻率的提升，相同电压下降低7个数量级的电流，实现数量级在10⁸Ω·cm。

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 (7)

1.一种硅基半绝缘砷化镓衬底的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在硅衬底上，采用超高真空化学气相沉积方法外延锗层；

步骤2：经外延了锗层的硅衬底放入MOCVD反应室中，分别生长低温成核砷化镓层和高温砷化镓层；

步骤3：生长半绝缘砷化镓层；

步骤4：生长砷化镓盖层；

步骤5：抛光、清洗、封装，完成衬底的制备；

其中，生长半绝缘砷化镓层时掺杂剂为二茂铁，其流量所用的III族源TMGa的流量的比为1∶1000～1∶10000，数量级在1×10^-8～1×10^-9mol/min之间。

2.根据权利要求1所述的一种硅基半绝缘砷化镓衬底的制备方法，其中硅衬底为偏[011]方向3°至6°的(100)衬底，经过标准硅片清洗后放入反应室。

3.根据权利要求1所述的一种硅基半绝缘砷化镓衬底的制备方法，其中，锗层的缺陷密度小于1×10⁶cm^-2，表面粗糙度小于1nm。

4.根据权利要求1所述的一种硅基半绝缘砷化镓衬底的制备方法，生长高温砷化镓层、半绝缘砷化镓层、生砷化镓盖层的生长温度相同，均在620～660℃之间。

5.根据权利要求1所述的一种硅基半绝缘砷化镓衬底的制备方法，其中，半绝缘砷化镓层的生长速率是0.2nm/s～0.4nm/s，V/III为20～40。

6.根据权利要求1所述的一种硅基半绝缘砷化镓衬底的制备方法，其中砷化镓盖层厚度为50～100nm。

7.根据权利要求1所述的一种硅基半绝缘砷化镓衬底的制备方法，其中，抛光时所去除的砷化镓的厚度小于100nm，最后达到的粗糙度小于0.5nm。