CN116219394A - 一种GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法 - Google Patents

Abstract

本申请适用于半导体衬底材料制备技术领域，提供了一种GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，该GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法包括：将衬底置入MOCVD设备的反应室；在衬底上生长故意掺Fe的第一GaN层；在高温条件下，在第一GaN层上生长AlN层；在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层。本申请在高温条件下生长AlN层，利用AlN层的晶格常数较小的特点，增加后续生长非故意掺杂的GaN层的压应力，阻止Fe通过分凝现象向非故意掺杂的GaN层中掺入，进而有效地改善Fe拖尾的问题。

Description

一种GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法

技术领域

本申请属于半导体衬底材料制备技术领域，尤其涉及一种GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法。

背景技术

在MOCVD高温生长GaN的过程中，可能引入O、Si等杂质，这将会导致GaN表现为弱n型的非故意掺杂，从而使GaN存在较高的背景电子浓度，甚至可达到10¹⁷cm^-3量级，故导电的GaN衬底能够在源和漏之间形成漏电通道。因此，这种n型的非故意掺杂不仅会使微波器件的电学特性不断恶化，而且还会影响需要对掺杂进行控制的光学器件。而半绝缘的高阻GaN衬底对抑制漏电流非常有效，通常情况下，可以通过引入受主进行补偿来获得高阻GaN，补偿的方法目前主要是通过引入深能级的点缺陷，例如掺杂Fe、Cr等元素。

但是，由于分凝现象的存在，通过掺杂Fe补偿背景浓度的方法会导致样品中存在Fe拖尾的现象，即Fe原子进入二维电子气沟道中，影响材料的性能。目前采用的减少Fe进入二维电子气沟道的办法主要是在生长GaN掺Fe的高阻层后，再生长一层较厚的非掺GaN层，让Fe的掺杂浓度逐渐降低。通过调整非掺GaN层的厚度来改变沟道中的Fe浓度。这种方法需要生长较厚的非掺GaN，生长时间较长，不利于成本的降低。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本申请实施例提供了一种GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，以解决故意掺Fe的GaN HEMT(High Electron Mobility Transistors，高电子迁移率晶体管)中Fe拖尾的现象。

本申请是通过如下技术方案实现的：

第一方面，本申请实施例提供了一种GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，其特征在于，包括：将衬底置入MOCVD设备的反应室；在所述衬底上生长故意掺Fe的第一GaN层；在高温条件下，在第一GaN层上生长AlN层；在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层。

结合第一方面，在一些实施例中，所述衬底为SiC衬底、Si衬底或蓝宝石衬底中的一种；在将衬底置入MOCVD设备的反应室后，在生长第一GaN层之前，所述方法还包括：将所述反应室的温度升至500℃至1500℃的高温。

结合第一方面，在一些实施例中，所述反应室的温度的升温速率为1.5℃/秒。

结合第一方面，在一些实施例中，所述在所述衬底上生长故意掺Fe的第一GaN层包括：向所述反应室内通入Ga源、氨气以及Fe源；在所述反应室的温度为300℃至1500℃、压力为50mbar至1000mbar的条件下，在所述衬底上生长故意掺Fe的第一GaN层；关闭所述Ga源和所述氨气，关闭所述Fe源。

结合第一方面，在一些实施例中，所述在所述衬底上生长故意掺Fe的第一GaN层包括：向所述反应室内通入Ga源、氨气以及Fe源；在所述反应室的温度为1150℃、压力为200mbar、通入载气的流量为20slm、通入Ga源的流量为150sccm、通入Fe源的流量为150sccm、通入氨气的流量为10000sccm、通入时间为10min的条件下，在所述衬底上生长故意掺Fe的第一GaN层；其中，所述载气为氢气；关闭所述Ga源和所述氨气，关闭所述Fe源。

结合第一方面，在一些实施例中，所述在高温条件下，在第一GaN层上生长AlN层包括：向所述反应室内通入氨气和Al源；在所述反应室的温度为300℃至1500℃、压力为50mbar至1000mbar的条件下，在第一GaN层上生长AlN层。

结合第一方面，在一些实施例中，所述在高温条件下，在第一GaN层上生长AlN层包括：向所述反应室内通入氨气和Al源；在所述反应室的温度为1180℃、压力为50mbar、通入载气的流量为35slm、通入氨气的流量为500sccm、通入Al源的流量为200sccm、通入时间为3min的条件下，在第一GaN层上生长AlN层。

结合第一方面，在一些实施例中，所述在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层包括：向所述反应室内通入Ga源和氨气；在所述反应室的温度为300℃至1500℃、压力大于0mbar的条件下，在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层。

结合第一方面，在一些实施例中，所述在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层包括：向所述反应室内通入Ga源和氨气；在所述反应室的温度为1060℃、压力为200mbar、通入载气的流量为20slm、通入Ga源的流量为200sccm、通入氨气的流量为20000sccm的条件下，在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层；其中，所述载气为氢气。

结合第一方面，在一些实施例中，所述Ga源为三甲基镓或三乙基镓，Fe源为二茂铁，Al源为三甲基铝。

第二方面，本申请实施例提供了一种GaN HEMT上降低Fe拖尾的结构，包括：衬底层；故意掺Fe的第一GaN层，位于所述衬底层的上层；AlN层，位于所述第一GaN层的上层；非故意掺杂的第二GaN层，位于所述AlN层的上层。

结合第二方面，在一些实施例中，所述衬底层的材料为SiC、Si或蓝宝石中的一种。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本申请实施例提供了一种GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，包括将衬底置入MOCVD设备的反应室；在所述衬底上生长故意掺Fe的第一GaN层；在高温条件下，在第一GaN层上生长AlN层；在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层。本申请中在高温条件下生长AlN层，利用AlN层的晶格常数较小的特点，增加后续生长非故意掺杂的GaN层的压应力，阻止Fe通过分凝现象向非故意掺杂的GaN层中掺入，进而有效改善Fe拖尾的问题；另一方面，在故意掺Fe的GaN层上生长AlN层，降低了非故意掺杂的GaN层的生长厚度，而生长AlN层的成本低于生长非故意掺杂的GaN层的成本，因而能够节约生产成本。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提供的GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法的流程示意图；

图2是本申请一实施例提供的GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法的温度变化示意图；

图3是本申请一实施例提供的GaN HEMT上降低Fe拖尾的结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

GaN是第三代半导体材料，相比第一代的硅(Si)以及第二代的砷化镓(GaAs)等，由于其禁带宽度大、导热率高，因此GaN器件可在200℃以上的高温下工作，能够承载更高的能量密度，可靠性更高；而且，由于其较大的禁带宽度和高临界电场，能够使得器件导通电阻减小，有利于提升器件整体的能效；另外，其电子饱和速度快，具有较高的载流子迁移率，可让器件高速工作。因此，GaN器件具有更大带宽、更高增益、更高能效、尺寸更小等优点，应用前景十分广泛。

在MOCVD(Metal organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)高温生长GaN的过程中，可能会引入O、Si等杂质，这将会导致GaN表现为弱n型的非故意掺杂，从而使GaN存在较高的背景电子浓度，甚至可达到10¹⁷cm^-3量级，故导电的GaN衬底能够在源和漏之间形成漏电通道。因此，这种n型的非故意掺杂不仅会使微波器件的电学特性不断恶化，而且还会影响需要对掺杂进行控制的光学器件。而半绝缘的高阻GaN衬底对抑制漏电流非常有效，通常情况下，可以通过引入受主进行补偿来获得高阻GaN，补偿的方法目前主要是通过引入深能级的点缺陷，例如掺杂Fe、Cr等元素。

但是，由于分凝现象的存在，通过掺杂Fe补偿背景浓度的方法会导致样品中存在Fe拖尾的现象，即Fe原子进入二维电子气沟道中，影响材料的性能。目前采用的减少Fe进入二维电子气沟道的办法主要是在生长GaN掺Fe的高阻层后，再生长一层较厚的非掺GaN层，让Fe的掺杂浓度逐渐降低。通过调整非掺GaN层的厚度来改变沟道中的Fe浓度。这种方法需要生长较厚的非掺GaN，且生长时间较长，不利于成本的降低。

基于上述问题，本申请实施例中的GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，包括将衬底置入MOCVD设备的反应室；在衬底上生长故意掺Fe的第一GaN层；在高温条件下，在第一GaN层上生长AlN层；在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层。其中，在高温条件下生长AlN层，能够利用AlN层的晶格常数较小的特点，增加后续生长非故意掺杂的GaN层的压应力，阻止Fe通过分凝现象向非故意掺杂的GaN层中掺入，进而有效改善Fe拖尾的问题；另一方面，在故意掺Fe的GaN层上生长AlN层，降低了非故意掺杂的GaN层的生长厚度，而生长AlN层的成本低于生长非故意掺杂的GaN层的成本，因而能够节约生产成本。

图1是本申请一实施例提供的GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法的示意性流程图，参照图1，对该GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法的详述如下：

在步骤101中，将衬底置入MOCVD设备的反应室。

MOCVD是在气相外延生长(vapour phase epitaxy，VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。MOCVD设备一般是由源供给系统、气体输运和流量控制系统、反应室及温度控制系统、尾气处理及安全防护报警系统和自动操作及电控系统组成。本申请实施例中，需将衬底放置在MOCVD设备的材料生长反应室中，并在衬底上进行气相外延。

在一些实施例中，衬底可以为SiC衬底、Si衬底或蓝宝石衬底中的一种。

本申请实施例中，在步骤101之后，且在步骤102之前，上述方法还包括：将反应室的温度升至500℃至1500℃的高温。进一步地，反应室的温度的升温速率可以为1.5℃/秒。

在步骤102中，在衬底上生长故意掺Fe的第一GaN层。

在一些实施例中，步骤102具体可以包括S1021至S1023：

在S1021中，向反应室内通入Ga源、氨气以及Fe源。

其中，Ga源可以为三甲基镓或三乙基镓，Fe源可以为二茂铁。本申请实施例仅用于对本申请中的方法进行补充说明而非对其限定，本领域技术人员可以根据实际的实验条件或具体需求选择其他的Ga源或Fe源。

在S1022中，在反应室的温度为300℃至1500℃、压力为50mbar至1000mbar的条件下，在衬底上生长故意掺Fe的第一GaN层。

在S1023中，关闭Ga源和氨气，关闭Fe源。

在一些实施例中，步骤102可以包括：向反应室内通入Ga源、氨气以及Fe源。在反应室的温度为1150℃、压力为200mbar、通入载气的流量为20slm(Standard Liter perMinute，每分钟标准升)、通入Ga源的流量为150sccm(Standard Cubic Centimeter perMinute，每分钟标准毫升)、通入Fe源的流量为150sccm、通入氨气的流量为10000sccm、通入时间为10min的条件下，在衬底上生长故意掺Fe的第一GaN层。关闭Ga源和氨气，关闭Fe源。

其中，载气可以为氢气。在气相外延技术中，载气用于以一定的流速载带气态前驱物或液态前驱物的蒸汽进入反应室内。前驱物即参加化学反应的反应物。在MOCVD技术中，作为前驱物的金属或元素有机化合物统称为MO源。

上述实施例中，GaN的生长速率会随着温度的增加逐渐降低，MO源的使用效率也逐渐降低；而较低的生长温度会导致Fe源的掺杂效率降低，无法达到目标的掺杂浓度。因此第一GaN层的生长温度需要在Ga源的使用效率和Fe的掺杂效率之间进行平衡。当反应室的温度为1150℃时，能够使Ga源的使用效率较高，同时也能够保证Fe的掺杂效率，从而使Fe的掺杂浓度达到较好的补偿效果。

在步骤103中，在高温条件下，在第一GaN层上生长AlN层。

在一些实施例中，步骤103具体可以包括S1031和S1032：

在S1031中，向反应室内通入氨气和Al源。

其中，Al源可以为三甲基铝。

在S1032中，在反应室的温度为300℃至1500℃、压力为50mbar至1000mbar的条件下，在第一GaN层上生长AlN层。

本申请实施例中，待得到所需AlN层后，可以关闭Al源。

在一些实施例中，步骤103可以包括：向反应室内通入氨气和Al源。在反应室的温度为1180℃、压力为50mbar、通入载气的流量为35slm、通入氨气的流量为500sccm、通入Al源的流量为200sccm、通入时间为3min的条件下，在第一GaN层上生长AlN层。

Al的原子序数较小，且化学性质活泼。一方面，Al非常容易与氨气(NH3)发生反应，迅速生产中间态的反应物，进而在气相中产生AlN颗粒，形成掉落物，从而对AlN薄膜的生长产生不利影响；另一方面，Al原子在衬底表面沉积时，其平均自由程较短，易形成堆垛，产生三维结构，不利于二维薄膜的生长。因此，AlN层的生长条件应该选择更高的生长温度，不仅有利于MO源的分解，也能够提高Al原子的平均自由程，促进二维薄膜的生长。

上述实施例中，反应室的压力为50mbar，是由于在生长AlN层时，需要尽可能地降低压力，以降低反应室内的气体浓度，从而尽量减少气相中间物的产生。同时，生长AlN层时，通入氨气的流量为500sccm，相比生长第一GaN层的氨气流量，其流量值明显降低，因为较低的氨气流量能够降低反应室内的氨气的分压，从而减少气相中间物的产生。

上述实施例，在高温条件下，在故意掺Fe的第一GaN层生长后，生长一层AlN层，通过引入AlN层改变后续GaN层的应力，使得Fe很难掺入GaN中，能够有效改善Fe的拖尾现象。

在步骤104中，在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层。

在一些实施例中，步骤104具体可以包括S1041和S1042：

在S1041中，向反应室内通入Ga源和氨气。

在S1042中，在反应室的温度为300℃至1500℃、压力大于0mbar的条件下，在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层。

在一些实施例中，步骤104可以包括：向反应室内通入Ga源和氨气。在反应室的温度为1060℃、压力为200mbar、通入载气的流量为20slm、通入Ga源的流量为200sccm、通入氨气的流量为20000sccm的条件下，在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层。其中，载气可以为氢气。

在生长故意掺Fe的第一GaN层，并关闭Fe源后，由于非故意掺杂的第二GaN层为弱N型，随着记忆效应，Fe的拖尾将逐渐降低，最终无法补偿GaN层的本征电子浓度，从而导致器件失效等问题。因此，在生长非故意掺杂的GaN时，需选择略低的生长温度，有利于MO源中的C原子的并入，进而补偿GaN层的本征电子浓度，提高器件性能。

图2是本申请一实施例提供的GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法的温度变化示意图，参见图2，阶段21为在将衬底置入反应室后，以1.5℃/秒的升温速率使反应室升温。当温度升至1150℃时停止升温，进入阶段22，调整反应室的压力为200mbar，利用氢气向反应室内通入三甲基镓、氨气以及二茂铁，并设置通入氢气的流量为20slm，通入三甲基镓的流量为150sccm，通入二茂铁的流量为150sccm，通入NH3的流量为10000sccm，通入时间为10min，从而在衬底上生长并得到故意掺Fe的第一GaN层。在节点23处，关闭三甲基镓和氨气，关闭二茂铁。调整反应室的温度和压力，当温度为1180℃、压力为50mbar时，进入阶段24，利用氢气向反应室内通入氨气和三甲基铝，在通入氢气的流量为35slm、通入氨气的流量为500sccm、通入三甲基铝的流量为200sccm、通入时间为3min的条件下，在第一GaN层上生长AlN层。关闭三甲基铝。调整反应室的温度和压力，当反应室的温度为1060℃、压力为200mbar时，进入阶段25，利用氢气向反应室内通入三甲基镓和氨气，在通入氢气的流量为20slm、通入三甲基镓的流量为200sccm、通入氨气的流量为20000sccm的条件下，在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层。

上述GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，在高温条件下，在第一GaN层上生长AlN层，再在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层，利用插入的AlN层的晶格常数较小的特点，增加第二GaN层的压应力，从而使第二GaN层的晶格常数变小；考虑Fe的原子量，在第二GaN层的晶格常数变小的情况下，Fe很难掺入第二GaN层，因此，上述方法能够阻止Fe通过分凝现象向非故意掺杂的GaN中掺入，进而有效改善Fe拖尾问题。另一方面，在故意掺Fe的GaN层上生长AlN层，相比生长较厚的非掺GaN层的方法，本申请中的方法降低了非故意掺杂的GaN层的生长厚度，由于生长AlN层的成本低于生长非故意掺杂的GaN层的成本，因而能够节约生产成本。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

对应于上文实施例所述的GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，图3示出了本申请一实施例提供的GaN HEMT上降低Fe拖尾的结构示意图，包括：衬底层310；故意掺Fe的第一GaN层320，位于衬底层310的上层；AlN层330，位于第一GaN层320的上层；非故意掺杂的第二GaN层340，位于AlN层330的上层。

在一些实施例中，上述衬底层310的材料可以为SiC、Si或蓝宝石中的一种。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，其特征在于，包括：

将衬底置入MOCVD设备的反应室；

在所述衬底上生长故意掺Fe的第一GaN层；

在高温条件下，在第一GaN层上生长AlN层；

在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层。

2.如权利要求1所述的GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，其特征在于，所述衬底为SiC衬底、Si衬底或蓝宝石衬底中的一种；

在将衬底置入MOCVD设备的反应室后，在生长第一GaN层之前，所述方法还包括：

将所述反应室的温度升至500℃至1500℃的高温。

3.如权利要求2所述的GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，其特征在于，所述反应室的温度的升温速率为1.5℃/秒。

4.如权利要求1所述的GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，其特征在于，所述在所述衬底上生长故意掺Fe的第一GaN层包括：

向所述反应室内通入Ga源、氨气以及Fe源；

在所述反应室的温度为300℃至1500℃、压力为50mbar至1000mbar的条件下，在所述衬底上生长故意掺Fe的第一GaN层；

关闭所述Ga源和所述氨气，关闭所述Fe源。

5.如权利要求1所述的GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，其特征在于，所述在所述衬底上生长故意掺Fe的第一GaN层包括：

向所述反应室内通入Ga源、氨气以及Fe源；

在所述反应室的温度为1150℃、压力为200mbar、通入载气的流量为20slm、通入Ga源的流量为150sccm、通入Fe源的流量为150sccm、通入氨气的流量为10000sccm、通入时间为10min的条件下，在所述衬底上生长故意掺Fe的第一GaN层；其中，所述载气为氢气；

关闭所述Ga源和所述氨气，关闭所述Fe源。

6.如权利要求1所述的GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，其特征在于，所述在高温条件下，在第一GaN层上生长AlN层包括：

向所述反应室内通入氨气和Al源；

在所述反应室的温度为300℃至1500℃、压力为50mbar至1000mbar的条件下，在第一GaN层上生长AlN层。

7.如权利要求1所述的GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，其特征在于，所述在高温条件下，在第一GaN层上生长AlN层包括：

向所述反应室内通入氨气和Al源；

在所述反应室的温度为1180℃、压力为50mbar、通入载气的流量为35slm、通入氨气的流量为500sccm、通入Al源的流量为200sccm、通入时间为3min的条件下，在第一GaN层上生长AlN层；其中，所述载气为氢气，所述Al源为三甲基铝。

8.如权利要求1所述的GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，其特征在于，所述在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层包括：

向所述反应室内通入Ga源和氨气；

在所述反应室的温度为300℃至1500℃、压力大于0mbar的条件下，在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层。

9.如权利要求1所述的GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，其特征在于，所述在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层包括：

向所述反应室内通入Ga源和氨气；

在所述反应室的温度为1060℃、压力为200mbar、通入载气的流量为20slm、通入Ga源的流量为200sccm、通入氨气的流量为20000sccm的条件下，在AlN层上生长非故意掺杂的第二GaN层；其中，所述载气为氢气。

10.如权利要求4所述的GaN HEMT上降低Fe拖尾的方法，其特征在于，所述Ga源为三甲基镓或三乙基镓，所述Fe源为二茂铁。

Images