CN1971852A - 一种生长高阻GaN薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生长高阻GaN薄膜的方法。本发明方法是在MOCVD设备中进行的，包括烘烤、成核、退火和外延生长阶段，其中，在退火阶段，退火压力在75托以下。本发明方法通过降低退火阶段的反应室压力(称为退火压力)来增加成核岛密度，从而增加刃型位错，从而获得自补偿的高阻GaN薄膜，所得高阻GaN薄膜的方块电阻高，能达到1011Ω/sq以上，符合工业应用要求，并且表面平整度高。本发明方法简单易行，与现有MOCVD生长GaN基HEMT材料结构的工艺过程兼容，并且不会对MOCVD系统造成污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种生长高阻GaN薄膜的方法。
背景技术
GaN基氮化物半导体作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，不仅在发光二极管(LED)，激光器(LD)，紫外探测器方面有重要应用，而且在研制高温、高频、大功率微波电子器件方面也极具前途。由于AlGaN/GaN异质结存在很强的极化电场，会在界面处产生高浓度二维电子气，并具有很高的电子迁移率，因此GaN基的高迁移率晶体管(HEMT)在微波功率器件应用方面极具优势，成为国内外研究、开发热点。如图1 GaN基HEMT器件材料的结构示意图所示，图中虚线代表二维电子气沟道位置。在AlGaN/GaN异质结下方外延高阻GaN可以保证在栅极加电压的情况下，电流能迅速夹断，降低跨导，对增强HEMT器件的调控效果和频率特性有重要作用。
生长GaN薄膜的MOCVD工艺过程分为以下四个阶段：
1)烘烤阶段：氢气(H2)氛下，在1100℃高温烘烤衬底15分钟；
2)成核阶段：降温至550℃并以三甲基镓和氨气为源生长低温GaN成核层，厚度为25nm；
3)退火阶段：在250秒内将温度升高到1050℃并恒温120秒；
4)外延生长阶段：通入三甲基镓，以每小时1800nm的生长速度生长外延层GaN薄膜，厚度为2000nm。
由于用MOCVD技术生长的GaN薄膜存在大量N空位和氧杂质，会产生较高的背景电子浓度，从而使GaN呈现n型导电类型。因此如何用MOCVD工艺生长高阻GaN成为HEMT器件材料制备的一个难点。
目前，用MOCVD技术获得高阻GaN薄膜的主要方法是p型杂质补偿法，这种方法的优点是重复性好，能获得较高阻值的GaN(方块电阻一般在1010以上)；缺点是会给系统造成长久的污染，而且杂质散射效应会影响器件性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种生长高阻GaN薄膜的方法。
本发明所提供的生长高阻GaN薄膜的方法，是在MOCVD设备中进行的，包括烘烤、成核、退火和外延生长阶段，其中，在退火阶段，退火压力应在75托以下。
在本发明中，优选的退火压力为50-75托。退火温度为1050℃-1090℃，退火时间为150秒-250秒。
在本发明方法中，在烘烤阶段，烘烤温度为1100℃-1150℃；在成核阶段，成核温度为520℃-580℃；在外延生长阶段，外延生长温度为1050℃-1090℃。
应用MOCVD制备GaN薄膜时，在退火阶段，随着温度升高，低温GaN成核层部分分解，残留的部分再结晶形成成核岛，然后进行高温外延生长。在这一过程中成核岛将逐渐合并，形成连续膜，外延层逐渐变平滑。在岛与岛的合并处会产生大量的刃型位错，成核岛的数量越多，刃型位错密度就越高。
本发明通过降低退火阶段的反应室压力(称为退火压力)来增加成核岛密度，从而增加刃型位错，从而获得自补偿的高阻GaN薄膜，所得高阻GaN薄膜的方块电阻高，常温下能达到1011Ω/sq以上，符合工业应用要求，并且表面平整度高。本发明方法简单易行，与现有MOCVD生长GaN基HEMT材料结构的工艺过程兼容，并且不会对MOCVD系统造成污染。
附图说明
图1为GaN基HEMT器件材料结构示意图；
图2为GaN薄膜方块电阻、刃型位错和螺型位错密度随低温GaN成核层生长后退火压力变化的示意图；其中方块代表方块电阻，圆圈代表刃型位错密度，三角代表螺型位错密度；
图3为GaN薄膜在原子力显微镜下的表面形貌图。
具体实施方式
实施例1、生长GaN薄膜
1)用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备，衬底采用(0001)面的蓝宝石衬底，通入H2，反应室压力为300torr，在1100℃下加热15min，清洁衬底；
2)降温到550℃左右，通入三甲基镓和氨气，H2作为载气。反应室压力为300torr，以每小时300nm的生长速度生长缓冲层，厚度为25nm；
3)停止通三甲基镓，继续通入氨气，用60秒时间把反应室压力分别降低到75torr、160torr、250torr、400torr(根据图2数据)，并将温度升高到1070℃，保持60秒；
4)通入三甲基镓，在1070℃下以每小时2000nm的生长速度外延生长GaN薄膜，厚度2000nm。
用MOCVD生长的GaN薄膜中存在两种类型的位错：螺型位错和刃型位错。大量实验表明刃型位错会在禁带中引入受主能级形成电子陷阱，因此增加刃型位错能大量捕获导带电子从而降低背景电子浓度，起到自补偿效果，从而制备出高阻GaN薄膜。
如图2所示，随着退火压力的降低，GaN薄膜中刃型位错密度迅速升高，而螺型位错密度基本不变，同时GaN薄膜的方块电阻显著升高。当GaN薄膜的方块电阻达到了1010Ω/sq以上，基本上即可以称为高阻GaN薄膜。例如，退火压力降到75torr时，GaN薄膜的方块电阻达到了1011Ω/sq。
图3是退火压力为75torr时所得GaN薄膜在原子力显微镜下的表面形貌图，照片尺寸为1μm×1μm。结果表明，本发明方法所得到的高阻GaN薄膜表面具有很高的表面平整度，表面粗糙度RMS只有0.15nm。
Claims (6)
1、一种生长高阻GaN薄膜的方法，是在MOCVD设备中进行的，包括烘烤、成核、退火和外延生长阶段，其特征在于：在退火阶段，退火压力应在75托以下。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：退火压力为50-75托。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在退火阶段，退火温度为1050℃-1090℃，退火时间为150秒-250秒。
4、根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于：在烘烤阶段，烘烤温度为1100℃-1150℃。
5、根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于：在成核阶段，成核温度为550℃-580℃。
6、根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于：在外延生长阶段，外延生长温度为1050℃-1090℃。
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| CN104217958A (zh) * | 2013-10-18 | 2014-12-17 | 苏州新纳晶光电有限公司 | 一种用于提高GaN外延层高电阻特性的预处理方法 |
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2006
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