CN112342524A - 一种氮化镓高铝组分的外延生长方法 - Google Patents

一种氮化镓高铝组分的外延生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓高铝组分的外延生长方法；包括以下步骤：衬底处理、生长氮化镓成核层、生长氮化镓模板层、生长氮化镓缓冲层、生长多个多量子阱应力传递层以及生长GaN盖层。本发明的目的在于提供一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，能够实现高阻值。

Description

一种氮化镓高铝组分的外延生长方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓高铝组分的外延生长方法。
背景技术
III-V族氮化镓(GaN)及其化合物半导体材料形成的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构在高温、高频、大功率、抗辐射微波器件和电路领域有非常重要的应用前景，这主要是因为组成AlGaN/GaN异质结构的半导体材料具有大的禁带宽度，高的击穿电场，好的化学稳定性以及强的抗辐射能力，同时也因为GaN材料具有高的电子饱和漂移速度和峰值漂移速度，更重要的是因为在AlGaN/GaN异质结界面附近GaN材料一侧可形成具有高电子浓度和高电子迁移率的二维电子气。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管在航天航空、高温强辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子等方面有重要的作用。高性能的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管和电路需要高浓度的二维电子气和高的二维电子气迁移率，提高二维电子气浓度和迁移率是提高AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管和电路性能的关键所在。
通过MOCVD生长的GaN基外延材料中由于背景氧掺杂、氮空位等缺陷存在，非故意掺杂的本征GaN是一种弱N型材料具有较高的背景电子浓度(1016-1017/cm3左右)，所以要获得高阻值的GaN基缓冲层首先必须想办法补偿材料中电子获得低背景浓度的缓冲层。一般获得高阻值GaN基外延材料的方法可以分为两大类：一类是通过控制在MOCVD中外延GaN过程的生长参数包括反应室气压，生长温度，生长速率，V/III比等，增加外延材料中的p-型杂质数量或受主缺陷态密度来补偿高的背景电子浓度进而获得低背景电子浓度高阻值GaN基缓冲层；另一种方法是通过在GaN基材料的外延生长中通入含有Fe、Cr、Mg等金属元素的外源掺杂剂在氮化镓的禁带中形成深能级缺陷或产生受主缺陷态补偿剩余载流子从而获得高阻值的GaN基缓冲层。第一种方法是通过引入晶格缺陷杂质获得高阻值GaN外延层，因此获得高阻外延层的晶体质量会变差。同时通过控制生长条件获得高阻值GaN方法对设备依赖性较强，重复性也较差而且过多缺陷态还会加剧器件的电流崩塌效应，严重影响器件的可靠性；第二种方法中所引入金属杂质一般都具有较强的记忆效应会在反应室一直有残留使得后续外延材料都有被金属杂质污染风险，因此一般需要有一台专用掺杂的MOCVD生长高阻GaN基外延材料而且残留到沟道的金属杂质会使沟道2DEG的迁移率下降影响器件特性。因此找到一种既可以获得高阻GaN基缓冲层同时又不会引入过多的杂质缺陷而造成器件高压下电流崩塌的方法是高性能GaN基HEMT器件外延生长的关键。
为此，提出一种氮化镓高铝组分的外延生长方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，能够实现高阻值。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，包括以下步骤：
(1)将蓝宝石衬底放入LP-MOCVD设备生长室内，生长气氛为纯H2氛围，在纯N2氛围下高温高压处理10min，去除蓝宝石衬底表面的杂质与氧化物；
(2)降低生长室温度，保持生长气氛为纯H2氛围不变，保持压力不变，通入TMG、TMIn和NH3进行氮化处理，在蓝宝石衬底上生长氮化镓成核层；
(3)升高生长室温度，改变生长压力，保持10～15min，切换生长气氛为纯H2氛围，通入TMGa和TMIn，在氮化镓成核层上生长氮化镓模板层；
(4)保持生长室温度、生长压力以及纯H2生长气氛不变，通入TMGa，在氮化镓模板层上生长氮化镓缓冲层；
(5)降低生长室温度，改变生长压力，保持纯H2的生长气氛不变，通入TMGa和TMIn，在氮化镓缓冲层上生长多个多量子阱应力传递层，每层周期数为3～50个，其中，每个多量子阱应力传递层包括低Al组分AlxGa1-xN低迁移率过渡层、高Al组分AlxGa1-xN高迁移率过渡层、渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层以及低Al组分AlxGa1-xN势阱层，渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层中Al组分含量递减；
(6)继续降低生长室温度，改变生长压力，保持纯H2的生长气氛不变，在多个多量子阱应力传递层上生长GaN盖层。
具体的，所述(1)步骤中生长室温度为1100±50℃，生长压力为20～40mbar，H2的流量为5500～8000sccm。
具体的，所述(2)步骤中生长室温度为750±50℃，H2的流量为5500～8000sccm，TMG的流量为0～4000sccm，TMIn的流量为0～8000sccm，NH3的流量为0～5000sccm，氮化镓成核层的生长厚度为20～25nm，生长速率为1.8～2um/h。
具体的，所述(3)步骤中生长室温度为1000±50℃，生长压力为50～90mbar，H2的流量为3500～7000sccm，TMGa的流量为3000～6000sccm，TMIn的流量为9000～12000sccm，氮化镓模板层的生长厚度为8～10nm，生长速率为2～2.2um/h。
具体的，所述(4)步骤中TMGa的流量为5000～8000sccm，氮化镓缓冲层的生长厚度为10～15nm，生长速率为1.5～1.8um/h。
具体的，所述(5)步骤中生长室温度为700±50℃，生长压力为80～100mbar，H2的流量为3500～7000sccm，TMGa的流量为8200～10000sccm，TMIn的流量为15000～18000sccm，生长速率为2.2～2.5um/h，低Al组分AlxGa1-xN低迁移率过渡层的生长厚度为1～3nm，高Al组分AlxGa1-xN高迁移率过渡层的生长厚度为3～6nm，渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层的生长厚度为10～20nm，低Al组分AlxGa1-xN势阱层的生长厚度为20～25nm，低Al组分AlxGa1-xN低迁移率过渡层中Al组分为15％，高Al组分AlxGa1-xN高迁移率过渡层中Al组分为30％，渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层中Al组分由30％渐变至20％，低Al组分AlxGa1-xN势阱层中Al组分为20％。
具体的，所述(6)步骤中生长室温度为500±50℃，生长压力为5～10mbar，生长速率为1.6～1.8um/h，GaN盖层的生长厚度为50～80nm。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过在氮化镓成核层上依次生长氮化镓模板层以及氮化镓缓冲层，相较于现有技术中采用一步法直接生长氮化镓缓冲层，一方面不会引入过多的杂质缺陷，另一方面能够保证氮化镓缓冲层的质量，均匀地覆盖在蓝宝石衬底表面，另外，氮化镓模板层以及氮化镓缓冲层组成的双层结构的厚度较大，其表面原子离界面较远，界面对表面原子的作用较弱，表面原子的扩散自由程度小，其表面在退火后还能够连续，不会形成不连续的生长模板；
(2)本发明通过在在低温条件下生长多个多量子阱应力传递层，利用低Al组分AlxGa1-xN低迁移率过渡层、高Al组分AlxGa1-xN高迁移率过渡层、渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层以及低Al组分AlxGa1-xN势阱层，能够有效减小极化强度变化梯度从而避免量子阱中导电沟道形成，利用突变界面可以有效限制势垒中的载流子和阻挡高压下的载流子纵向运动，进而有效为氮化镓缓冲层提供高阻值。
(3)利用量子阱周期性的应力变化可以促进穿透位错湮灭提高硅基GaN外延片的晶体质量。
附图说明
图1为本发明实施例氮化镓高铝组分的结构示意图，其中1为衬底、2为氮化镓成核层、3为氮化镓模板层、4为氮化镓缓冲层、5为多个多量子阱应力传递层、6为GaN盖层；
图2为本发明实施例多个多量子阱应力传递层的结构示意图，其中7为低Al组分AlxGa1-xN低迁移率过渡层，8为高Al组分AlxGa1-xN高迁移率过渡层，9为渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层，10为低Al组分AlxGa1-xN势阱层。
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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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做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。
实施例1
参考附图1和2，一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，包括以下步骤：
(a)衬底：选用蓝宝石作为衬底，将其放入LP-MOCVD设备生长室内，在1100℃和20～40mbar生长压力的条件下，纯H2氛围中进行处理10min，去除蓝宝石衬底表面的杂质与氧化物；
(b)氮化镓成核层：成核温度为750℃，纯NH3氛围中通入TMG、TMIn和NH3进行氮化处理，控制H2的流量为5500～8000sccm，TMG的流量为0～4000sccm，TMIn的流量为0～8000sccm，NH3的流量为0～5000sccm，生长速率为1.8～2um/h，氮化镓成核层的生长厚度为20；
(c)氮化镓模板层：在1000℃和50～90mbar生长压力的条件下，控制H2的流量为3500～7000sccm，TMGa的流量为3000～6000sccm，TMIn的流量为9000～12000sccm，生长速率为2～2.2um/h，氮化镓模板层的生长厚度为8nm；
(d)氮化镓缓冲层：保持生长室温度、生长压力以及纯H2生长气氛不变，控制TMGa的流量为5000～8000sccm，生长速率为1.5～1.8um/h，氮化镓缓冲层的生长厚度为10nm；
(e)多个多量子阱应力传递层：在700℃和80～100mbar，生长压力的条件下，控制H2的流量为3500～7000sccm，TMGa的流量为8200～10000sccm，TMIn的流量为15000～18000sccm，生长速率为2.2～2.5um/h，在氮化镓缓冲层上生长多个多量子阱应力传递层，每层周期数为3～50个，其中，每个多量子阱应力传递层包括低Al组分AlxGa1-xN低迁移率过渡层、高Al组分AlxGa1-xN高迁移率过渡层、渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层以及低Al组分AlxGa1-xN势阱层，渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层中Al组分含量递减；
在本实施例中，低Al组分AlxGa1-xN低迁移率过渡层的生长厚度为1nm，高Al组分AlxGa1-xN高迁移率过渡层的生长厚度为3nm，渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层的生长厚度为10nm，低Al组分AlxGa1-xN势阱层的生长厚度为20nm，低Al组分AlxGa1-xN低迁移率过渡层中Al组分为15％，高Al组分AlxGa1-xN高迁移率过渡层中Al组分为30％，渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层中Al组分由30％渐变至20％，低Al组分AlxGa1-xN势阱层中Al组分为20％；
(f)GaN盖层：在500℃和5～10mbar生长压力的条件下，纯N2氛围中控制生长速率为1.6～1.8um/h，生成生长厚度为50nm的GaN盖层。
实施例2
本实施例与实施例1中的不同之处在于(b)步骤中氮化镓成核层的生长厚度为25nm。
实施例3
本实施例与实施例1中的不同之处在于(c)步骤中氮化镓模板层的生长厚度为10nm。
实施例4
本实施例与实施例1中的不同之处在于(d)步骤中氮化镓缓冲层的生长厚度为15nm。
实施例5
本实施例与实施例1中的不同之处在于(f)步骤中GaN盖层的生长厚度为80nm。
实施例6
本实施例与实施例1中的不同之处在于(e)步骤中低Al组分AlxGa1-xN低迁移率过渡层的生长厚度为3nm，高Al组分AlxGa1-xN高迁移率过渡层的生长厚度为6nm，渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层的生长厚度为20nm，低Al组分AlxGa1-xN势阱层的生长厚度为25nm。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将蓝宝石衬底放入LP-MOCVD设备生长室内，生长气氛为纯H2氛围，在纯N2氛围下高温高压处理10min，去除蓝宝石衬底表面的杂质与氧化物；
(2)降低生长室温度，保持生长气氛为纯H2氛围不变，保持压力不变，通入TMG、TMIn和NH3进行氮化处理，在蓝宝石衬底上生长氮化镓成核层；
(3)升高生长室温度，改变生长压力，保持10～15min，切换生长气氛为纯H2氛围，通入TMGa和TMIn，在氮化镓成核层上生长氮化镓模板层；
(4)保持生长室温度、生长压力以及纯H2生长气氛不变，通入TMGa，在氮化镓模板层上生长氮化镓缓冲层；
(5)降低生长室温度，改变生长压力，保持纯H2的生长气氛不变，通入TMGa和TMIn，在氮化镓缓冲层上生长多个多量子阱应力传递层，每层周期数为3～50个，其中，每个多量子阱应力传递层包括低Al组分AlxGa1-xN低迁移率过渡层、高Al组分AlxGa1-xN高迁移率过渡层、渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层以及低Al组分AlxGa1-xN势阱层，渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层中Al组分含量递减；
(6)继续降低生长室温度，改变生长压力，保持纯H2的生长气氛不变，在多个多量子阱应力传递层上生长GaN盖层。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，其特征在于，所述(1)步骤中生长室温度为1100±50℃，生长压力为20～40mbar，H2的流量为5500～8000sccm。
3.根据权利要求1所述的一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，其特征在于，所述(2)步骤中生长室温度为750±50℃，H2的流量为5500～8000sccm，TMG的流量为0～4000sccm，TMIn的流量为0～8000sccm，NH3的流量为0～5000sccm，氮化镓成核层的生长厚度为20～25nm，生长速率为1.8～2um/h。
4.根据权利要求1所述的一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，其特征在于，所述(3)步骤中生长室温度为1000±50℃，生长压力为50～90mbar，H2的流量为3500～7000sccm，TMGa的流量为3000～6000sccm，TMIn的流量为9000～12000sccm，氮化镓模板层的生长厚度为8～10nm，生长速率为2～2.2um/h。
5.根据权利要求1所述的一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，其特征在于，所述(4)步骤中TMGa的流量为5000～8000sccm，氮化镓缓冲层的生长厚度为10～15nm，生长速率为1.5～1.8um/h。
6.根据权利要求1所述的一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，其特征在于，所述(5)步骤中生长室温度为700±50℃，生长压力为80～100mbar，H2的流量为3500～7000sccm，TMGa的流量为8200～10000sccm，TMIn的流量为15000～18000sccm，生长速率为2.2～2.5um/h，低Al组分AlxGa1-xN低迁移率过渡层的生长厚度为1～3nm，高Al组分AlxGa1-xN高迁移率过渡层的生长厚度为3～6nm，渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层的生长厚度为10～20nm，低Al组分AlxGa1-xN势阱层的生长厚度为20～25nm，低Al组分AlxGa1-xN低迁移率过渡层中Al组分为15％，高Al组分AlxGa1-xN高迁移率过渡层中Al组分为30％，渐变Al组分AlxGa1-xN势垒层中Al组分由30％渐变至20％，低Al组分AlxGa1-xN势阱层中Al组分为20％。
7.根据权利要求1所述的一种氮化镓高铝组分的外延生长方法，其特征在于，所述(6)步骤中生长室温度为500±50℃，生长压力为5～10mbar，生长速率为1.6～1.8um/h，GaN盖层的生长厚度为50～80nm。
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