CN114250510B - 一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法 - Google Patents

一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114250510B
CN114250510B CN202111563547.9A CN202111563547A CN114250510B CN 114250510 B CN114250510 B CN 114250510B CN 202111563547 A CN202111563547 A CN 202111563547A CN 114250510 B CN114250510 B CN 114250510B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gallium nitride
layer
growing
buffer layer
graphene film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111563547.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114250510A (zh
Inventor
唐军
冯欢欢
潘尧波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Clc Semiconductor Co ltd
Original Assignee
Clc Semiconductor Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Clc Semiconductor Co ltd filed Critical Clc Semiconductor Co ltd
Priority to CN202111563547.9A priority Critical patent/CN114250510B/zh
Publication of CN114250510A publication Critical patent/CN114250510A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114250510B publication Critical patent/CN114250510B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C30B25/186—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate being specially pre-treated by, e.g. chemical or physical means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C30B25/183—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate being provided with a buffer layer, e.g. a lattice matching layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/403—AIII-nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/403—AIII-nitrides
    • C30B29/406—Gallium nitride
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02378—Silicon carbide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02455—Group 13/15 materials
    • H01L21/02458—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/0254—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)

Abstract

本发明提供一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法，所述制备方法包括：提供一碳化硅衬底，并对其进行表面清洁处理及辅助硅束流的表面重构；对所述碳化硅衬底进行退火处理以在重构表面产生石墨烯薄膜；接着在所述石墨烯薄膜上依次生长氮化铝缓冲层、氮化镓高阻缓冲层、氮化镓沟道层、InGaN/AlGaN势垒层及氮化硅帽层。将本发明的外延结构应用于高频射频器件中，可改善器件的射频损耗。

Description

一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法。
背景技术
氮化镓（GaN）材料因其宽的禁带宽度（3.4ev）、高热导率、高电子饱和漂移速度、高击穿电场耐腐蚀及抗辐射等良好的热学和电学性能和化学稳定性，在高频、高温、高压、大功率射频器件等领域被广泛应用。
近几年来，碳化硅衬底及硅衬底上GaN外延材料及器件的工程化和商业化进度加快，已经被应用于相控阵雷达、5G基站等方面。而目前我国的5G基站建设的频率，在中频2.5~3.7GHz范围；未来需要发展和建设高频段25~39GHz通信基站。为了发展频率为25~39GHz频段的毫米波通信，必须开发具有高效率、高可靠性的宽禁带材料和器件，氮化镓基异质结材料是制造高频率器件的首选，通常利用氮化镓和铝镓氮异质结的极化诱导在界面处产生高速的二位电子气，可满足射频器件的高功率高频率的特性需求。但是随着器件频率从Sub6GHz器件发展成为大于25GHz的高频器件，需要满足更低的射频损耗，更低的电流坍塌量，更高的工作效率等需求。
发明内容
针对现有技术中的不足与缺陷，本发明提供一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法，用于改善氮化镓基射频材料在高频条件下的射频损耗。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于氮化镓基射频器件的外延结构的制备方法，至少包括以下步骤：
提供一碳化硅（SiC）衬底，并对其进行表面清洁处理；
在所述SiC衬底上进行辅助硅束流的表面重构；
对所述SiC衬底进行退火处理以在衬底表面产生石墨烯薄膜；
在所述石墨烯薄膜上生长氮化铝（AlN）缓冲层；
在所述AlN缓冲层上生长氮化镓（GaN）高阻缓冲层
在所述GaN高阻缓冲层上生长GaN沟道层；
在所述GaN沟道层上生长InGaN/AlGaN势垒层；
在所述InGaN/AlGaN势垒层上生长SiN帽层。
于本发明的一实施例中，在所述石墨烯薄膜上生长AlN缓冲层包括：
采用辅助硅束流方法对所述石墨烯薄膜的表面进行硅化处理以形成C-Si悬挂键；
通入氨气对所述石墨烯薄膜的表面进行氮化处理以形成Si-N键；
预通铝源在所述石墨烯薄膜的表面形成N-Al键；
继续通入氮源和铝源，生长30~80 nm的AlN缓冲层。
于本发明的一实施例中，对所述石墨烯薄膜的表面进行硅化处理的条件包括：保持所述SiC衬底的温度为1000~1100℃，硅束流蒸发速率为0.3~0.5 nm/min，处理时间为1~2min。
于本发明的一实施例中，对所述石墨烯薄膜的表面进行氮化处理的条件包括：保持所述SiC衬底的温度为1000~1100℃，向反应室内通入流量为1000~3000 sccm的氨气（NH3）。
于本发明的一实施例中，生长30~80 nm的AlN缓冲层的条件包括：将反应室的温度调节至1200~1250℃，反应室的压力调节至50~100 mbar；在氢气气氛下，向反应室内通入三甲基铝（TMAl）及NH3，其中，NH3采用间隔通气的方式，每通气5~10秒后暂停5~10秒，如此循环，NH3的合计流量为1500 sccm，TMAl采取持续通气的方式，TMAl的流量为150~200 sccm。
于本发明的一实施例中，在所述AlN缓冲层上生长GaN高阻缓冲层包括：在所述氮化铝缓冲层上生长200~300 nm自掺碳氮化镓高阻层；及在所述自掺碳氮化镓高阻层上生长1000~1500 nm的外掺碳氮化镓高阻层，其中，自掺碳原子的掺杂浓度为5E+17~1E+18 cm-3，外掺碳原子的掺杂浓度为1E+18~5E+18 cm-3；碳掺杂GaN高阻层可避免Fe原子的延迟效应进入沟道层，引起器件的电流坍塌问题。
于本发明的一实施例中，生长自掺碳氮化镓高阻层的步骤包括：将反应室的温度调节至900~950℃，压力调节至100 mbar，通入TMGa和NH3生长GaN，生长速率保持30~40 nm/min，该层碳通过控制生长温度控制镓源TMGa里碳原子含量方法，实现自掺杂。
于本发明的一实施例中，生长外掺碳氮化镓高阻层时，将温度调节至1050~1080℃，压力调节至200 mbar，通入TMGa、乙烯（C2H4）气体和NH3，其中，TMGa和C2H4气体摩尔比为1:1.5~1:2，生长过程中V/III比为1000~3000，生长速率保持在35~50 nm/min；该层采用C2H4气体提供碳源，采用高温生长，有利于提高氮化镓的晶体质量。
于本发明的一实施例中，在所述GaN高阻缓冲层上生长GaN沟道层包括将反应室的温度调节至1050~1080℃，压力调节至200 mbar，通入TMGa和NH3，生长过程中V/III比为5000~8000，生长速率保持在15~20 nm/min，生长的GaN沟道层为150 nm。
于本发明的一实施例中，在所述GaN沟道层上生长InGaN/AlGaN势垒层时先将反应室的温度调节至700~800℃，在氮气（N2）气氛下生长5 nm的InxGa1-xN，其中In组分x为10~20%；然后将温度调节至1000~1050℃，保持氮气气氛不变，生长15~20 nm的AlyGa1-yN，其中，Al组分y为20~30%。
于本发明的一实施例中，在所述InGaN/AlGaN势垒层上生长SiN帽层包括：将反应室的温度保持1000~1050℃，反应室的压力保持50~150 mbar；在N2气氛下，向反应室内通入SiH4和NH3生长2 nm的SiN帽层。
本发明另一方面还提供一种采用本发明的方法制备的用于氮化镓基射频器件的外延结构。
如上所述，本发明通过对SiC衬底进行表面重构获取平整的SiC层状结构，经高温退火在衬底表面形成石墨烯薄膜，利用石墨烯的高热传导系数，改善界面热阻，提升器件在高功率、高频率条件下的可靠性；通过在氮化铝缓冲层依次生长碳自掺杂的氮化镓层和外掺杂碳的氮化镓层构成氮化镓高阻层，减少传统采用铁掺杂的氮化镓高阻层因铁原子的扩散效应，导致铁原子存在扩散到沟道层，引起器件电流坍塌的问题。本发明制备的外延结构用于高频射频器件可提高器件高频、高功率工作下的散热，实现较低的电流坍塌、较低的工作结温。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1显示为本发明用于GaN基射频器件的外延结构的制备方法流程图；
图2显示为图1中步骤S4对应的流程图；
图3显示为图1中步骤S3对应的外延结构示意图；
图4显示为图1中步骤S4对应的外延结构示意图；
图5显示为图1中步骤S4 的生长源TMAl和NH3的流量-时间示意图；
图6显示为图1中步骤S5对应的外延结构示意图；
图7显示为图1中步骤S6对应的外延结构示意图；
图8显示为图1中步骤S7对应的外延结构示意图；
图9显示为图1中步骤S8对应的外延结构示意图；
图10显示为本发明的外延结构的霍尔测试位置标记图
附图标记
1、SiC衬底；2、石墨烯薄膜；3、AlN缓冲层；4、GaN高阻缓冲层；5、GaN沟道层； 6、InGaN/AlGaN势垒层；7、SiN帽层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
本发明提供一种用于GaN基射频器件的外延结构及其制备方法，本发明的外延结构是在金属有机物化学气相沉积（MOCVD）设备中进行的，TMIn、TMAl、TMGa和NH3分别作为铟（In）、铝（Al）源、镓（Ga）源和氮（N）源，H2和N2作为载气。
请参阅图1至图9，本发明提供的用于GaN基射频器件的外延结构的制备方法，至少包括以下步骤：
S1、提供一SiC衬底1，并对SiC衬底1进行表面清洁处理；
S2、在SiC衬底1上进行辅助硅束流的表面重构；
S3、对SiC衬底1进行退火处理以在衬底表面产生石墨烯薄膜2；
S4、在石墨烯薄膜2上生长AlN缓冲层3；
S5、在AlN缓冲层3上生长GaN高阻缓冲层4；
S6、在GaN高阻缓冲层4上生长GaN沟道层5；
S7、在GaN沟道层5上生长InGaN/AlGaN势垒层6；
S8、在InGaN/AlGaN势垒层6上生长SiN帽层7。
请参阅图1和图3，步骤S1、对SiC衬底1进行表面清洁处理是在H2气氛下对SiC衬底1进行退火处理以去除衬底表面的氧化层和油污。在一实施例中，首先将选取的SiC衬底1放入MOCVD设备的反应室内的基座上，将反应室的温度调节至1100~1200℃，例如1100℃、1150℃或1200℃等，并向反应室内通入H2，通入的 H2流量为130~160L/min，在此条件下保持5~20min，例如5 min、15min或20 min等。对SiC衬底1进行退火处理时应注意退火工艺，处理过量反而会影响后续外延层的生长质量。上述数值范围的两端点及中间的任一点皆可选择。
请参阅图1和图3，步骤S2表面重构具体包括调节SiC衬底1的温度至1000~1100℃，通入硅源，使得硅束流蒸发速率为0.3~0.5 nm/min，表面重构的时间为3~10 min，以获得平整均匀的SiC层状结构，为石墨烯薄膜的生长提供平整的平面。
请参阅图1和图3，步骤S3在SiC衬底1上生长石墨烯薄膜2是在H2气氛下对SiC衬底1进行高温退火处理以获得2~4层的表面石墨烯，具体包括调节反应室温度至1250~1400℃，通入H2的流量为50~80 L/min，在此环境下退火2~4 min。其中，退火温度可选为1250℃、1350℃、1400℃等，H2的流量可选为50 L/min、60 L/min或80 L/min等，退火时间可选为1min、2 min或3 min等。上述数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。
请参阅图1、图2、图4和图5，步骤S4在石墨烯薄膜2上生长AlN缓冲层3，具体包括以下步骤：
S41、采用辅助硅束流方法对所述石墨烯薄膜的表面进行硅化处理以形成C-Si悬挂键；
S42、通入氨气对所述石墨烯薄膜的表面进行氮化处理以形成Si-N键；
S43、预通铝源在所述石墨烯薄膜的表面形成N-Al键；
S44、继续通入氮源和铝源，生长30~80 nm的氮化铝缓冲层。
具体的，步骤S41在辅助硅束流的条件下，在石墨烯表面形成C-Si键合，以获得C-Si悬挂键，辅助硅束流的处理条件包括将反应室的温度保持在1000~1100℃，硅束流蒸发速率为0.3~0.5 nm/min，处理时间为1~2min。步骤S42、在步骤S41的基础上继续对石墨烯薄膜2的表面进行Si化处理，以在表面形成Si-N键，具体包括保持温度不变，向反应室内通入NH3，其中NH3的流量为1000~3000 sccm，Si化时间为2~3 min；步骤S43是在步骤S42的基础上继续对石墨烯薄膜2的表面处理以形成N-Al键，为AlN缓冲层3的生长提供形核点，具体的包括保持温度不变，向反应室内预通Al源TMAl，使得Al原子先与表面的N原子结合形成N-Al键；步骤S44在步骤S43的基础上继续通入TMAl和NH3生长30~80nm的AlN缓冲层3，既可以缓解SiC与GaN之间的晶格失配，又可在外延结构中形成高势垒可以阻止沟道载流子进入底层。步骤S44的生长过程具体包括：将反应室的温度调节至1200~1250℃，压力调节至50~100mbar，并在H2气氛下向反应室内通入TMAl和NH3，其中，TMAl保持不间断通入，通入流量为150~200 sccm，NH3采用间隔通气的方式，每通入5~10秒后暂停5~10秒，如此循环，NH3的合计流量为1500 sccm，NH3采用间隔通入的方式，增加了Al原子的迁移时间，提高了Al原子的横向迁移距离，有利于AlN以二维层状结构生长。在此生长条件下，AlN缓冲层的生长速率为4~8nm/min，生长厚度为30~80 nm。在一些实施例中，AlN的生长温度可选择1200℃、1230℃或者1250℃等，生长压力可选择为50 mbar、80mbar或者100 mbar等，TMAl的流量可选择150sccm、180sccm、200 sccm等，NH3的通气时间及间隔时间可分别选择5秒、7秒、10秒等。上述参数所给范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。
请参阅图1和图6，步骤S5中在AlN缓冲层3上生长GaN高阻缓冲层4，具体包括第一生长阶段和第二生长阶段，第一生长阶段是在AlN缓冲层3上生长200~300 nm 自掺碳GaN高阻层，即将反应室的温度调节至900~950℃，压力调节至100 mbar，通入TMGa、NH3，生长速率保持30~40nm/min，通过调节生长温度实现碳原子的自掺杂，碳原子自掺杂的掺杂浓度为5E+17~1E+18 cm-3。第二生长阶段是在第一生长阶段的基础上继续生长1000~1500 nm外掺碳GaN高阻层，即将反应室的温度调节至1050~1080℃，压力调节至200 mbar，通入TMGa、C2H4和NH3，其中，TMGa和C2H4的摩尔比为1:1.5~1:2，生长过程中V/III比保持在1000~3000，生长速率保持在35~50 nm/min，在一些实施例中，第一生长阶段的生长温度可选择为900℃、930℃或950℃等，第二生长阶段的生长温度可选择为1050℃、1070℃或1080℃等，上述参数所给范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。
请参阅图1和图7，步骤S6在GaN高阻缓冲层4上生长GaN沟道层5，具体包括：将反应室的温度调节至1050~1080℃，压力调节至200 mbar，并在H2气氛下向反应室内通入TMGa和NH3，生长过程中V/III比控制在5000~8000，在此生长条件下GaN的生长速率为15~20 nm/min，GaN的生长厚度为150 nm。在一些实施例中，GaN沟道层5的生长温度可选择1050℃、1060℃、1080℃等，V/III比可选为5000、6000、7000或8000，上述参数所给范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。
请参阅图1和图8，步骤S5在GaN沟道层5上生长InGaN/AlGaN势垒层6，在InGaN/AlGaN势垒层6和GaN沟道层5界面处会产生一个三角势阱，而氮化物特有的极化效应使得界面处产生高密度的电子并且被束缚在三角势阱中，形成沟道。具体包括在GaN沟道层5上生长5 nm 的InxGa1-xN层，其中In组分x为10%-20%，及在InxGa1-xN层上生长15~20 nm的AlyGa1- yN层，其中Al组分y为20~30%。即生长InGaN/AlGaN势垒层6时在N2的气氛下先将反应室的温度控制在700~800℃，例如，700℃、750℃或800℃，向反应室内通入TMIn、TMGa和NH3生长5nm 的InxGa1-xN层；再将反应室的温度调节至1000~1050℃，例如，1000℃、1030℃或1050℃，向反应室内通入TMAl、TMGa和NH3生长15~20 nm 的AlyGa1-yN。上述参数所给范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。
请参阅图1和图9，步骤S8在InGaN/AlGaN势垒层6上生长SiN帽层7，帽层可以抑制势垒层表面缺陷，减小反向漏电。生长SiN帽层7具体包括将反应室的温度控制在1000~1050℃，压力控制在50~150 mbar，在N2气氛下，向反应室内通入SiH4和NH3，生长2 nm的SiN层。在一些实施例中，生长SiN帽层7时，温度可以为1000℃、1030℃或1050℃，压力可以为50mbar、100 mbar或150 mbar，上述参数所给范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。
上述SiN帽层生长结束后，GaN外延结构生长结束，需对反应室进行降温，降温时，停止生长源的通入，保持步骤S7的生长压力及H2气氛不变，降温，降温速率可控制在40~45℃/min。
请参阅图9，按照本发明的制备方法制备的外延结构包括：
SiC衬底1；
石墨烯薄膜2，形成于SiC衬底1上；
AlN缓冲层3，形成于石墨烯薄膜2上；
GaN高阻缓冲层4，形成于AlN缓冲层3上；
GaN沟道层5，形成于GaN高阻缓冲层4上；
InGaN/AlGaN势垒层6，形成于GaN沟道层5上；
SiN帽层7，形成于InGaN/AlGaN势垒层6上。
其中，石墨烯薄膜2是对SiC衬底1进行高温退火在衬底表面形成的2~4层石墨烯，AlN缓冲层3既可以缓解SiC与GaN之间的晶格失配，又可以充当背势垒层，阻止载流子进入底层，AlN缓冲层3的厚度为30~80 nm，例如可为30 nm、50 nm或80 nm等；GaN高阻缓冲层4包括200~300 nm 自掺碳GaN高阻层和1000~1500 nm 外掺碳GaN高阻层，其中，自掺碳原子的掺杂浓度为5E+17~1E+18 cm-3，外掺杂碳原子的掺杂浓度为1E+18~5E+18 cm-3；GaN沟道层5与InGaN/AlGaN势垒层6异质结界面之间产生高浓度、高电子迁移率的2DEG，GaN沟道层5的厚度为20~30 nm，例如，可为20 nm、25 nm或30 nm等。InGaN/AlGaN势垒层6包括5 nm的InxGa1-xN层和15~20 nm的AlyGa1-yN层，其中，In组分x为10~20%，Al组分y为20~30%，AlyGa1-yN层的厚度，例如可以为15 nm、25 nm、30 nm等。SiN帽层7的厚度可为2 nm，SiN帽层7可以抑制势垒层表面缺陷，减小反向漏电。
本发明通过对SiC衬底进行表面重构获取平整的SiC层状结构，经高温退火在衬底表面形成石墨烯薄膜，利用石墨烯的高热传导系数，改善界面热阻，提升器件的可靠性；通过在氮化铝缓冲层依次生长碳自掺杂的氮化镓层和碳外掺杂的氮化镓层构成氮化镓高阻层，减少传统采用铁掺杂的氮化镓高阻层因铁原子的扩散效应，导致铁原子存在扩散到沟道层，引起器件电流坍塌的问题。
采用本发明的制备方法在SiC衬底上制备外延结构，利用霍尔效应测试仪测试外延片不同位置的电子迁移率、电子浓度，测试位置及测试结果参见图10和表1。
图10为利用霍尔效应测试仪对本发明的外延结构进行霍尔测试时的位置标记图，测试时沿着晶圆的X轴方向和Y轴方向各取四个测试点分别标记为X1、X2、X3、X4、Y1、Y2、Y3、Y4，X轴与Y轴的交汇处取一点标记为O，各个测试点的电子迁移率，载流子密度的测试数据参见表1，从表1中可以看出电子迁移率的最小值为2030.68 cm2/v·s，最大值可达2153.90 cm2/v·s，其平均值为2074.44cm2/v·s；载流子密度最大值（1.505E+13）cm-2，最小为（1.451E+13）cm-2，平均值为（1.483E+13）cm-2。霍尔测试表明本发明所制备的外延结构具有较高的2DEG浓度及电子迁移率，而且各个测试点之间的数值相差不大，说明晶圆质量比较均匀。因此，将本发明的外延结构应用于高频射频器件可改善器件的电流坍塌问题，并且由于外延片的厚度大大减薄，可降低器件的自热问题。
表1 ：HEMT外延结构的霍尔测试结果
综上所述，本发明提供一种用于GaN基射频器件的外延结构及其制备方法，该方法通过对SiC衬底进行表面重构获取平整的SiC层状结构，经高温退火在衬底表面形成石墨烯薄膜，利用石墨烯的高热传导系数，改善界面热阻，提升器件在高功率、高频率条件下的可靠性；通过在氮化铝缓冲层依次生长碳自掺杂的氮化镓层和外掺杂碳的氮化镓层构成氮化镓高阻层，减少传统采用铁掺杂的氮化镓高阻层因铁原子的扩散效应，导致铁原子存在扩散到沟道层，引起器件电流坍塌的问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于氮化镓基射频器件的外延结构的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
提供一碳化硅衬底，并对其进行表面清洁处理；
在所述碳化硅衬底上进行辅助硅束流的表面重构；
对所述碳化硅衬底进行退火处理以在重构表面产生石墨烯薄膜；
在所述石墨烯薄膜上生长氮化铝缓冲层；
在所述氮化铝缓冲层上生长氮化镓高阻缓冲层；
在所述氮化镓高阻缓冲层上生长氮化镓沟道层；
在所述氮化镓沟道层上生长InGaN/AlGaN势垒层；
在所述InGaN/AlGaN势垒层上生长氮化硅帽层；
所述在所述石墨烯薄膜上生长氮化铝缓冲层包括：
采用辅助硅束流方法对所述石墨烯薄膜的表面进行硅化处理以形成C-Si悬挂键；
通入氨气对所述石墨烯薄膜的表面进行氮化处理以形成Si-N键；
预通铝源在所述石墨烯薄膜的表面形成N-Al键；
继续通入氮源和铝源，生成氮化铝缓冲层；
所述在所述氮化铝缓冲层上生长氮化镓高阻缓冲层包括：
在所述氮化铝缓冲层上生长自掺碳氮化镓高阻层；在所述自掺碳氮化镓高阻层上生长外掺碳氮化镓高阻层。
2.根据权利要求1所述的外延结构的制备方法，其特征在于，在所述石墨烯薄膜上生长氮化铝缓冲层包括：
在所述石墨烯薄膜上生长30~80 nm的氮化铝缓冲层。
3.根据权利要求1所述的外延结构的制备方法，其特征在于，对所述石墨烯薄膜的表面进行硅化处理的条件包括：保持所述碳化硅衬底的温度为1000~1100℃，硅束流蒸发速率为0.3~0.5 nm/min，处理时间为1~2 min。
4.根据权利要求1所述的外延结构的制备方法，其特征在于，对所述石墨烯薄膜的表面进行氮化处理的条件包括：保持所述碳化硅衬底的温度为1000~1100℃，向反应室内通入流量为1000~3000 sccm的氨气。
5.根据权利要求2所述的外延结构的制备方法，其特征在于，生长30~80 nm的氮化铝缓冲层的条件包括：将反应室的温度调节至1200~1250℃，反应室的压力调节至50~100 mbar；在氢气气氛下，向反应室内通入三甲基铝及氨气，其中，氨气采用间隔通气的方式，每通气5~10秒后暂停5~10秒，如此循环，氨气的合计流量为1500 sccm，三甲基铝采取持续通气的方式，三甲基铝的流量为150~200 sccm。
6.根据权利要求1所述的外延结构的制备方法，其特征在于，在所述氮化铝缓冲层上生长氮化镓高阻缓冲层包括：在所述氮化铝缓冲层上生长200~300 nm自掺碳氮化镓高阻层；及在所述自掺碳氮化镓高阻层上生长1000~1500 nm的外掺碳氮化镓高阻层；其中，自掺碳原子的掺杂浓度为5E+17~1E+18 cm-3，外掺碳原子的掺杂浓度为1E+18~5E+18 cm-3。
7.根据权利要求6所述的外延结构的制备方法，其特征在于，生长自掺碳氮化镓高阻层时，将反应室的温度调节至900~950℃，压力调节至100 mbar，通入三甲基镓、氨气，生长速率保持30~40 nm/min，通过调节生长温度实现碳原子的自掺杂浓度；生长外掺碳氮化镓高阻层时，将温度调节至1050~1080℃，压力调节至200 mbar，通入三甲基镓、乙烯气体、氨气，三甲基镓和乙烯气体摩尔比为1:1.5~1:2，生长过程中V/III比为1000~3000，生长速率保持在35~50 nm/min。
8.根据权利要求1所述的外延结构的制备方法，其特征在于，在所述氮化镓高阻缓冲层上生长氮化镓沟道层包括将反应室的温度调节至1050~1080℃，压力保持至200 mbar，通入三甲基镓和氨气，生长过程中V/III比为5000~8000，生长速率保持在15~20 nm/min，生长的氮化镓沟道层的厚度为150 nm。
9.根据权利要求1所述的外延结构的制备方法，其特征在于，在所述氮化镓沟道层上生长InGaN/AlGaN势垒层时先将反应室的温度调节至700~800℃，在氮气气氛下生长5 nm的InxGa1-xN，其中In组分x为10~20%；然后将温度调节至1000~1050℃，保持氮气气氛不变，生长15~20 nm的AlyGa1-yN，其中，Al组分y为20~30%。
10.一种用于氮化镓基射频器件的外延结构，其特征在于，采用权利要求1至9任一所述的外延结构的制备方法制备。
CN202111563547.9A 2021-12-20 2021-12-20 一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法 Active CN114250510B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111563547.9A CN114250510B (zh) 2021-12-20 2021-12-20 一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111563547.9A CN114250510B (zh) 2021-12-20 2021-12-20 一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114250510A CN114250510A (zh) 2022-03-29
CN114250510B true CN114250510B (zh) 2023-05-09

Family

ID=80793170

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111563547.9A Active CN114250510B (zh) 2021-12-20 2021-12-20 一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114250510B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116053120B (zh) * 2023-03-30 2023-07-04 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 氮化物外延结构及其制备方法和应用

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019514228A (ja) * 2016-03-08 2019-05-30 シーアン、ユニバーシティーＸｉｄｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ グラフェンおよびマグネトロンスパッタリングされた窒化アルミニウム上での窒化ガリウム成長方法
CN105655238B (zh) * 2016-03-08 2018-05-15 西安电子科技大学 基于石墨烯与磁控溅射氮化铝的硅基氮化镓生长方法
CN105633225B (zh) * 2016-03-08 2019-01-29 西安电子科技大学 基于石墨烯与磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法
CN107393890B (zh) * 2017-08-24 2023-10-20 北京华进创威电子有限公司 一种石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构及制备方法
CN108389903B (zh) * 2018-03-01 2021-08-31 中国科学院微电子研究所 具有石墨烯散热层的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及制备方法
CN108711578A (zh) * 2018-05-22 2018-10-26 西安电子科技大学 一种部分P型GaN帽层RESURF GaN基肖特基势垒二极管
CN111199870A (zh) * 2018-11-20 2020-05-26 苏州纳维科技有限公司 一种外延生长氮化铝的方法、氮化铝材料及应用
CN110164811A (zh) * 2019-05-23 2019-08-23 芜湖启迪半导体有限公司 一种碳化硅衬底循环使用的方法和GaN HEMT器件的制作方法
CN110993752A (zh) * 2019-12-31 2020-04-10 湘能华磊光电股份有限公司 一种以石墨烯为缓冲层的led外延生长方法
CN112522783B (zh) * 2020-11-18 2022-06-17 埃特曼(深圳)半导体技术有限公司 具有过渡金属硫化物薄膜的结构的制备方法及结构
CN112701160B (zh) * 2020-12-09 2022-08-09 华灿光电（浙江）有限公司 氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法
CN112670161B (zh) * 2020-12-23 2022-07-22 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种低热阻氮化镓高电子迁移率晶体管外延材料制备方法
CN112687525B (zh) * 2020-12-24 2022-07-22 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种提高超薄氮化镓场效应管晶体质量的外延方法
CN113802178A (zh) * 2021-08-06 2021-12-17 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种改善氮化镓异质外延与衬底间界面形貌的外延方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114250510A (zh) 2022-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN116314278B (zh) 高电子迁移率晶体管外延结构及制备方法、hemt器件
JP2018528614A (ja) Ｉｉｉ族窒化物材料半導体構造における寄生チャネルの軽減
CN116960173B (zh) 高电子迁移率晶体管外延结构及制备方法、hemt器件
JP2012015304A (ja) 半導体装置
CN114551593A (zh) 一种外延片、外延片生长方法及高电子迁移率晶体管
CN114664642B (zh) 基于iii族氮化物同质外延的hemt结构、其制备方法及应用
CN114250510B (zh) 一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法
CN113889402A (zh) 一种用于制备GaN基电子器件的方法
CN111211159A (zh) 硅基氮化镓射频器件射频损耗的抑制方法
CN112233972B (zh) 一种氮化镓基外延结构及其制备方法
CN112687525B (zh) 一种提高超薄氮化镓场效应管晶体质量的外延方法
CN111009468A (zh) 一种半导体异质结构制备方法及其用途
CN213905295U (zh) 一种大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜
CN113555431A (zh) 基于P型GaN漏电隔离层的同质外延氮化镓高电子迁移率晶体管及制作方法
CN116646248B (zh) 一种外延片制备方法及其外延片、高电子迁移率晶体管
CN110797394B (zh) 一种高电子迁移率晶体管的外延结构及其制备方法
CN105762061B (zh) 一种氮化物的外延生长方法
CN114855273B (zh) 一种外延片制备方法、外延片以及发光二极管
CN111009579A (zh) 半导体异质结构及半导体器件
CN114262937B (zh) 一种氮化镓外延结构的制备方法
JP2004289005A (ja) エピタキシャル基板、半導体素子および高電子移動度トランジスタ
CN114334651A (zh) 一种基于超薄氮化镓自支撑衬底的hemt制备方法
CN114551594A (zh) 一种外延片、外延片生长方法及高电子迁移率晶体管
CN108878265B (zh) 一种在Si(100)衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法
CN112687527A (zh) 一种大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜及其外延生长方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

Address after: 315336 buildings 15 and 16, No. 68, Yuhai East Road, Hangzhou Bay New Area, Ningbo, Zhejiang

Applicant after: CLC Semiconductor Co.,Ltd.

Address before: Room 105-1, building 3, 290 Xingci 1st Road, Hangzhou Bay New District, Ningbo City, Zhejiang Province, 315336

Applicant before: CLC Semiconductor Co.,Ltd.

CB02 Change of applicant information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant