CN110211865A - 一种降低氮化镓高电子迁移率场效应管界面热阻的外延生长方法 - Google Patents
一种降低氮化镓高电子迁移率场效应管界面热阻的外延生长方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种降低氮化镓高电子迁移率场效应管界面热阻的外延生长方法，外延材料的生长采用金属有机物化学气相淀积等气相外延生长方法，氮化镓外延片自下而上依次包括衬底、下层氮化铝成核层、上层氮化铝成核层氮化铝成核层、氮化镓层过渡层、氮化镓层缓冲层、势垒层和帽层，下层氮化铝成核层和上层氮化铝成核层生长过程使用的载气分别为氢气和氮气，氮化镓层过渡层生长过程中使用的载气为氮气，氮化镓层缓冲层生长过程使用的载气为氢气或者氢气和氮气的混合气。本发明通过载气转换工艺，降低氮化铝成核层和氮化镓层内的缺陷密度，及改善氮化铝成核层、氮化镓层界面的质量，有效降低了氮化镓高电子迁移率场效应管的界面热阻。
Description
技术领域
本发明属于半导体外延材料技术领域，具体而言，涉及一种降低氮化镓高电子迁移率场效应管界面热阻的外延生长方法。
背景技术
氮化镓高电子迁移率场效应管具有输出功率密度大、工作频率高、抗辐照等优点，在微波功率器件应用中有着独特的优势，且正朝着毫米波和大功率方向迅速发展，其中截止频率已达到450GHz，Ka波段的输出功率达到40W以上。但在射频状态下，器件沟道附近产生大量的热能，这对器件的热管理能力提出了严苛的要求。而当前微波功率器件性能正受限于内部的热传输能力，即在外延材料界面处存在较为明显的热阻，导致器件的本征大功率优势未得到充分发挥。为了保证器件的可靠性，实际工作时器件的输出功率密度仅为5-7W/mm，远低于实验室水平。因此，提升器件散热性能、降低界面热阻成为微波功率器件亟需解决的问题。
经研究，降低界面热阻、提升器件的热传输能力，关键是在改善氮化铝成核层、氮化镓层材料质量及氮化铝成核层、氮化镓层界面质量的基础上，同步减小氮化铝成核层和氮化镓层的厚度，尤其是减小成核层的厚度。然而在常规氮化铝成核层工艺下，铝原子横向迁移长度低而不利于成核层岛间的侧向合并，这导致了成核层内失配缺陷多、表面形貌差，并且氮化铝成核层内高密度的失配缺陷会延伸至氮化镓层致使氮化镓层内的穿透位错密度较高。另外，氮化镓属于大失配异质外延，减薄氮化镓层厚度也会使自身材料质量恶化。目前除外延材料的结构设计以外，通过外延工艺控制进一步改善氮化镓异质外延的材料特性，降低界面热阻，对于提升微波功率器件的性能有着极为重要的意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种降低氮化镓高电子迁移率场效应管界面热阻的外延生长方法，在不改变外延材料结构的前提下，通过降低氮化铝成核层和氮化镓层内的缺陷密度，及改善氮化铝成核层、氮化镓层界面的质量，有效降低了氮化镓高电子迁移率场效应管的界面热阻。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种降低氮化镓高电子迁移率场效应管界面热阻的外延生长方法，包括以下步骤：
(1)将衬底置于用于外延材料生长的化学气相淀积设备的基座上，在反应室中通入氢气，升压升温烘烤衬底，去除表面沾污；
(2)保持反应室压力和氢气流量不变，继续升温，通入氨气并保持一定时间，对衬底进行氮化；
(3)保持反应室压力、氢气流量、氨气流量和温度不变，通入铝源，生长下层氮化铝成核层，关闭铝源；
(4)将载气由氢气切换为氮气，气流稳定后，通入铝源，生长上层氮化铝成核层，直至达到氮化铝成核层的总厚度，关闭铝源；
(5)保持氮气的流量不变，在氨气的氛围中降温升压，待气流稳定后，通入镓源，生长氮化镓过渡层，关闭镓源；
(6)保持温度和氨气流量不变，将载气由氮气切换为氢气或者氢气和氮气的混合气，待气流稳定后，通入镓源，生长氮化镓缓冲层，关闭镓源；
(7)保持反应室温度不变，载气为氢气，在氨气的氛围中降压，待气流稳定后，通入镓源和铝源，生长铝镓氮AlxGa1-xN势垒层，其中铝组分0＜x≤1，关闭镓源和铝源；
(8)保持反应室温度、压力和氢气流量不变，通入镓源，生长氮化镓帽层，关闭镓源；
(9)外延生长完成之后，在氨气气氛中降温，取出氮化镓外延片。
在步骤(1)中，衬底为碳化硅衬底、硅衬底和蓝宝石衬底中的一种，反应室的压力为50～150torr，温度为1050～1100℃，氢气的流量为50～200slm，烘烤时间为5～15分钟。
在步骤(2)中，反应室的温度为1100～1250℃，氨气的流量为1～10slm，氮化时间为0.5～3分钟。
在步骤(3)中，铝源是流量为50～800sccm的三甲基铝,下层氮化铝成核层是氮化铝成核层总厚度的0.5～0.8,氮化铝成核层总厚度为35～80nm。
在步骤(4)中，氮气的流量为20～150slm，气流过渡时长为0.5～2分钟，铝源是流量为50～800sccm的三甲基铝，上层氮化铝成核层是氮化铝成核层总厚度的0.2～0.5。
在步骤(5)中，反应室的温度为1000～1100℃，压力为150～350torr，镓源是流量为50～800sccm的三甲基镓，氨气的流量为15～150slm，氮化镓过渡层的生长厚度为20～100nm。
在步骤(6)中，载气切换为50～200slm的氢气，或者20～150slm的氮气和50～200slm的氢气的混合气，镓源是流量为50～800sccm的三甲基镓，氮化镓缓冲层的生长厚度为1.0～3.0μm。
在步骤(7)中，载气为50～200slm的氢气，氨气流量为1～20slm，镓源是流量为20～100sccm的三甲基镓，铝源是流量为20～150sccm的三甲基铝，反应室的压力为30～150torr，铝镓氮势垒层厚度为5～30nm。
在步骤(8)中，氨气流量为10～40slm，镓源是流量为20～100sccm的三甲基镓，氮化镓帽层厚度为2～5nm。
本技术方案中，通过在氮化铝成核层和氮化镓层生长过程中，采用载气转化工艺，在保证氮化铝成核层厚度较薄的同时，降低了氮化铝成核层和氮化镓层内的缺陷密度，改善了氮化铝成核层和氮化镓层的界面质量，有利于减小氮化镓高电子迁移率场效应管的界面热阻，进而提升微波功率器件的热稳定性。
本技术方案中，步骤(3)和步骤(4)中的氮化铝成核层采用载气转换工艺，即下层氮化铝成核层载气为氢气，上层氮化铝成核层载气转换为氮气。而在氮化铝成核层常规工艺中，载气采用的是单一的氢气或者氮气。若载气为氢气，基于铝源在氢气氛围内流动性强的特性，这利于提升铝原子的横向迁移长度，改善成核岛的侧向合并，但氢气刻蚀性强，会破坏生长表面，造成成核层坑状缺陷密度较高和表面质量差；若载气为氮气，基于氮气黏着性强的特性，会保护生长表面，抑制因载气刻蚀产生的坑状缺陷，但铝原子在氮气氛围下流动性弱，导致其横向迁移长度偏低，不利于制备高质量氮化铝成核层。本发明采用载气转换工艺，其中下层采用氢气做载气，保证成核岛的侧向合并，上层采用氮气做载气，降低表面坑状缺陷的密度，载气转换工艺能有效整合氢气、氮气载气的优势，利于制备高质量氮化铝成核层材料。
本技术方案中，氮化铝成核层的总厚度为35～80nm，其中下层氮化铝成核层厚度为总厚度的0.5～0.8，这是由于氮化铝成核层的总厚度较小，为保证氮化铝成核岛的侧向合并，实现氮化铝成核层较高的晶体质量，因此采用氢气做载气的下层氮化铝成核层要足够厚，即下层氮化铝成核层厚度不低于总厚度的50％；而上层氮化铝成核层厚度为总厚度的0.2～0.5，是为降低表面坑状缺陷的密度，实现成核层较高的表面质量，因此采用氮气做载气的上层氮化铝成核层也要保证一定厚度，即上层氮化铝厚度不低于总厚度的20％。
本技术方案中，下层氮化铝成核层和上层氮化铝成核层的载气由氢气切换为氮气的过渡时长为0.5～2分钟。在载气切换期间，氮化铝成核层处于高温外延中断状态，长时间处于该状态会恶化生长表面，进而影响到氮化铝成核层的整体材料质量，因此，载气切换时长应保持在0.5～2分钟范围内。
本技术方案中，步骤(5)和步骤(6)中，氮化镓层包括厚度为20-100nm的氮化镓过渡层和厚度为1.0～3.0μm的氮化镓缓冲层，即在氮化铝成核层和氮化镓缓冲层间引入载气为氮气的氮化镓过渡层。氮化镓的初期生长分为：初始成核形成三维岛状结构和岛间侧向合并成膜阶段，而上述两个阶段累计外延厚度的典型范围为20-100nm。在此期间氮化镓的生长晶向较为分散且生长界面表层面积较大，若载气气氛中存在刻蚀性气体，会增加氮化镓初期生长阶段的缺陷密度，不利于实现高质量的氮化铝成核层/氮化镓层界面。因此，在氮化铝成核层和氮化镓缓冲层间引入载气为氮气的氮化镓过渡层，基于氮气黏着性强的特性，保护氮化镓初期阶段的生长界面，进而改善氮化铝成核层和氮化镓层的界面质量。氮化镓缓冲层则沿用了氢气或氮气和氢气混合气作为载气的常规工艺。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明中氮化镓外延片的结构示意图。
图2是本发明实施例中氮化铝成核层的表面形貌图。
图3是本发明实施例中氮化镓层的X射线衍射图。
附图中：
1、衬底 201、下层氮化铝成核层 202、上层氮化铝成核层
301、氮化镓过渡层 302、氮化镓缓冲层 4、势垒层
5、帽层
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
一种降低氮化镓高电子迁移率场效应管界面热阻的外延生长方法，包括以下步骤：
(1)将3英寸的碳化硅单晶衬底置于用于外延材料生长的金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)设备的基座上，设置反应室压力80torr，氢气的流量为80slm，系统升温至1070℃并维持该温度至8分钟，去除衬底表面沾污；
(2)保持反应室压力和氢气流量不变，继续升温至1140℃，通入流量为4slm的氨气并保持1分钟，对衬底进行氮化；
(3)保持反应室压力、氢气流量、氨气流量和温度不变，通入流量为200sccm的三甲基铝，生长下层氮化铝成核层，直至厚度达到36nm，关闭三甲基铝；
(4)将载气由氢气切换为氮气，氮气的流量为60slm，气流过渡时长为1分钟，气流稳定后，通入流量为200sccm的三甲基铝，生长上层氮化铝成核层，直至达到氮化铝成核层的总厚度60nm，关闭三甲基铝；
(5)保持氮气的流量不变，在氨气氛围中将温度降至1070℃、压力升至200torr、氨气流量升至30slm，待气流稳定后，通入流量为100sccm三甲基镓，生长厚度为50nm的氮化镓过渡层，关闭三甲基镓；
(6)保持温度和氨气流量不变，将载气由氮气切换为氢气，氢气的流量为80slm，待气流稳定后，通入100sccm的三甲基镓镓源，生长厚度为1.85μm的氮化镓缓冲层，关闭三甲基镓；
(7)保持反应室温度不变，反应室降压至80torr，氨气流量为10slm，载气为80slm的氢气，待气流稳定后，通入流量为30sccm的三甲基镓和流量为90sccm的三甲基铝，生长Al0.3Ga0.7N势垒层，厚度为20nm，关闭三甲基镓和三甲基铝；
(8)保持反应室温度、压力和氢气流量不变，氨气流量为25slm，待气流稳定后，通入流量为30sccm的三甲基镓，生长厚度为3nm的氮化镓帽层；
(9)外延生长完成之后，在氨气气氛中降温，取出氮化镓外延片。
使用上述方法外延生长方法而成的氮化镓外延片，如图1所示，其结构自下而上依次包括衬底1、氮化铝成核层、氮化镓层、势垒层4和帽层5，氮化铝成核层自下而上包括下层氮化铝成核层201和上层氮化铝成核层202，下层氮化铝成核层201和上层氮化铝成核层202生长过程中使用的载气分别为氢气和氮气，氮化镓层自下而上包括氮化镓层过渡层301和氮化镓层缓冲层302，氮化镓层过渡层301生长过程中使用的载气为氮气，氮化镓层缓冲层302生长过程中使用的载气为氢气或者氢气和氮气的混合气。
氮化铝成核层表面形貌如附图2所示，其中图2(c)为本实施例中采用载气转换工艺制备的60nm氮化铝成核层的表面形貌图，图2(b)为采用载气为单一氮气工艺制备的60nm氮化铝成核层的表面形貌图，图2(a)为采用载气为单一氢气工艺制备的60nm氮化铝成核层的表面形貌图。图中部分参数如下表所示：
| 参数 | 5μm x 5μm表面粗糙度(RMS) | (004)面半高宽 | (105)面半高宽 |
| 附图2(a) | 0.71nm | 674″ | 1047″ |
| 附图2(b) | 0.44nm | 832″ | 1285″ |
| 附图2(c) | 0.41nm | 576″ | 892″ |
图2(c)与图2(a)采用载气为单一氢气工艺制备的氮化铝成核层相比，采用载气转换工艺后氮化铝成核层的坑状缺陷密度明显降低，且5μm x 5μm表面粗糙度(RMS)由0.71nm降至0.41nm；图2(c)与附图2(b)采用载气为单一氮气工艺制备的氮化铝成核相比，采用载气转换工艺后氮化铝成核层的(004)和(105)面半高宽分别由832″和1285″降至576″和892″，说明氮化铝成核层晶体质量得到较大改善。
氮化镓层的X射线衍射图如附图3所示，图中包括采用载气转换工艺制备的氮化铝成核层基础上后续生长的氮化镓层、采用载气为单一氢气工艺制备的氮化铝成核层基础上后续生长的氮化镓层、采用载气为单一氮气工艺制备的氮化铝成核层基础上后续生长的氮化镓层。图中部分参数如下表所示：
| 参数 | (102)面半峰宽(FWHM) | (002)面半峰宽(FWHM) |
| 载气为单一氮气 | 307弧秒 | 180弧秒 |
| 载气为单一氢气 | 282弧秒 | 200弧秒 |
| 载气转换 | 252弧秒 | 150弧秒 |
从上表可以看到，当氮化镓层厚度为1.9μm时，氮化铝成核层载气分别为单一氢气、单一氮气和本实施例的载气转换制备的氮化铝成核层工艺上后续生长的氮化镓层在(002)面半峰宽分别为180、200和150弧秒，(102)面半峰宽分别为282、307和降至252弧秒。由此可以看出，本实施例中氮化镓层外延材料，与常规工艺制备的外延材料相比，晶体质量明显提高。
在氮化铝成核层厚度较薄的情况下，氮化铝成核层、氮化镓层材料质量及氮化铝成核层和氮化镓层的界面质量均得到较为明显改善，这说明本发明提供的氮化镓高电子迁移率场效应管的外延生长方法能有效降低界面热阻。
上述实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，制作方法上实际可采用的制作方案是很多的，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与装饰，均属于本发明的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种降低氮化镓高电子迁移率场效应管界面热阻的外延生长方法，包括以下步骤：
(1)将衬底置于用于外延材料生长的化学气相淀积设备的基座上，在反应室中通入氢气，升压升温烘烤衬底，去除表面沾污；
(2)保持反应室压力和氢气流量不变，继续升温，通入氨气并保持一定时间，对衬底进行氮化；
(3)保持反应室压力、氢气流量、氨气流量和温度不变，通入铝源，生长下层氮化铝成核层，关闭铝源；
(4)将载气由氢气切换为氮气，气流稳定后，通入铝源，生长上层氮化铝成核层，直至达到氮化铝成核层的总厚度，关闭铝源；
(5)保持氮气的流量不变，在氨气的氛围中降温升压，待气流稳定后，通入镓源，生长氮化镓过渡层，关闭镓源；
(6)保持温度和氨气流量不变，将载气由氮气切换为氢气或者氢气和氮气的混合气，待气流稳定后，通入镓源，生长氮化镓缓冲层，关闭镓源；
(7)保持反应室温度不变，载气为氢气，在氨气的氛围中降压，待气流稳定后，通入镓源和铝源，生长铝镓氮AlxGa1-xN势垒层，其中铝组分0＜x≤1，关闭镓源和铝源；
(8)保持反应室温度、压力和氢气流量不变，通入镓源，生长氮化镓帽层，关闭镓源；
(9)外延生长完成之后，在氨气气氛中降温，取出氮化镓外延片。
2.如权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于：在步骤(1)中，衬底为碳化硅衬底、硅衬底和蓝宝石衬底中的一种，反应室的压力为50～150torr，温度为1050～1100℃，氢气的流量为50～200slm，烘烤时间为5～15分钟。
3.如权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于：在步骤(2)中，反应室的温度为1100～1250℃，氨气的流量为1～10slm，氮化时间为0.5～3分钟。
4.如权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于：在步骤(3)中，铝源是流量为50～800sccm的三甲基铝,下层氮化铝成核层是氮化铝成核层总厚度的0.5～0.8,氮化铝成核层总厚度为35～80nm。
5.如权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于：在步骤(4)中，氮气的流量为20～150slm，气流过渡时长为0.5～2分钟，铝源是流量为50～800sccm的三甲基铝，上层氮化铝成核层是氮化铝成核层总厚度的0.2～0.5。
6.如权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于：在步骤(5)中，反应室的温度为1000～1100℃，压力为150～350torr，镓源是流量为50～800sccm的三甲基镓，氨气的流量为15～150slm，氮化镓过渡层的生长厚度为20～100nm。
7.如权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于：在步骤(6)中，载气切换为50～200slm的氢气，或者20～150slm的氮气和50～200slm的氢气的混合气，镓源是流量为50～800sccm的三甲基镓，氮化镓缓冲层的生长厚度为1.0～3.0μm。
8.如权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于：在步骤(7)中，载气为50～200slm的氢气，氨气流量为1～20slm，镓源是流量为20～100sccm的三甲基镓，铝源是流量为20～150sccm的三甲基铝，反应室的压力为30～150torr，铝镓氮势垒层厚度为5～30nm。
9.如权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于：在步骤(8)中，氨气流量为10～40slm，镓源是流量为20～100sccm的三甲基镓，氮化镓帽层厚度为2～5nm。
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