[发明专利]一种GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法。

背景技术

氮化镓(GaN)是继Si、GaAs之后的第三代半导体，具有宽禁带(3.5eV)、高击穿场强(3×10⁶V/cm)、高电子饱和漂移速率(3×10⁷cm/s)、高热导率。此外，GaN材料非常坚硬，有稳定的化学性质，耐高温、耐腐蚀，导热性好，具有良好的抗辐射特性和优异的高温工作特性。这使得GaN成为能在恶劣环境下工作的大功率、高速、高频(微波)、高温电子器件的良好基材。但绝缘GaN材料生长有个难点，通常GaN材料背底电子浓度很高，难以直接得到绝缘或半绝缘的GaN外延层。作为功率器件，GaN衬底绝缘性能不好容易造成击穿电压降低、高频漏电、引起器件失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能、高质量的GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法，本发明采用的制备方法是分子束外延原位掺杂法，用该方法制备的GaN绝缘或半绝缘外延层的性能参数可达到：载流子浓度≤1×10¹⁴cm^-2，X射线衍射(002)面摇摆曲线的半高宽≤0.15°，5μm×5μm范围内表面平整度≤0.3nm。

实现本发明目的的技术方案是一种GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法，即采用分子束外延原位掺杂法，其具体步骤如下：

(1)在反应生长室中，以Al₂O₃、SiC或Si为衬底，于800～850℃温度下对衬底进行高温氮化10～30分钟；

(2)于750～780℃下高温生长10～20nm的AlN缓冲层。

(3)于720～730℃下低温生长20～40nm的三维GaN成核层；

(4)于750～780℃下高温生长100～150nm的二维GaN外延层；

(5)继续外延生长GaN的同时实施原位掺杂金属Fe、Cr或Mg，生长出相对粗糙、厚度为0.5～2μm的GaN绝缘层；

(6)生长完GaN绝缘层后，在该GaN绝缘层上制备AlGaN/GaN超晶格结构或采用间歇式原子层沉积法生长GaN过渡层，然后在720～730℃、高III/V比条件下生长出高晶体质量、表面光滑的GaN外延层，其厚度不超过1μm。

其中，AlN缓冲层采用原子层沉积法生长。这样可以减小衬底和GaN之间的晶格参数失配率，提高GaN外延层的晶体质量。而且，AlN缓冲层的生长是在高温氮化后的衬底上先生长单原子层Al调制极性，然后N、Al交替进入反应生长室生长AlN缓冲层。

上述所用间歇式原子层沉积法或原子层沉积法是Ga或Al金属源与N源分别以脉冲模式，先后进入反应生长室生长出GaN层或AlN层。

而且在实施原位掺杂时采用局部δ掺杂和/或间隔掺杂和/或连续掺杂的方法。优选的原位掺杂金属Fe、Cr或Mg是在500～730℃的循环温度状态下实施间隔循环原位掺杂，在温度降至500～600℃范围时掺杂，温度升至600～730℃范围时则停止掺杂，循环进行。

而且，在制备过程中，于720～730℃下生长三维GaN成核层后逐渐过渡到750～780℃下生长二维GaN外延层。

由上述技术方案可知，本发明在衬底经高温氮化后，依次高温生长AlN成核层，低温生长三维GaN成核层，再高温生长二维GaN外延层，继续外延生长GaN的同时，实施原位过渡金属(Fe和Cr)掺杂，制备高位错密度，相对粗糙的GaN绝缘外延层。然后在该GaN绝缘层上制备AlGaN/GaN超晶格结构或采用间歇式原子层沉积法生长GaN过渡层。最后，在高III/V比条件下二维生长低位错密度、表面光滑的GaN外延层。且以这种GaN绝缘或半绝缘外延层为衬底，可生长微波器件结构。

在上述过程中用到的原子层沉积法，是Ga或Al金属源与N源分别以脉冲模式，先后进入反应生长室生长出GaN层或AlN层，这样可以增强III族金属原子在生长表面的迁移，在与N原子结合之前找到能量最低点，从而有利于薄膜的二维生长，有效提高每一层材料的晶体质量，同时还能既降低GaN绝缘外延层的应力，又阻挡位错延伸。

经测试，用本发明方法制备的GaN绝缘或半绝缘外延层的性能参数可达到：载流子浓度≤1×10¹⁴cm^-2，XRD(002)摇摆曲线的半高宽(FWHM)≤0.15°，5μm×5μm范围内表面平整度(RMS)≤0.3nm的高质量GaN绝缘或半绝缘外延层。

附图说明