[发明专利]含高阻寄生导电层的硅基III族氮化物薄膜及生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种含高阻寄生导电层的硅基III族氮化物薄膜及生长方法。属于半导体技术领域。

背景技术

III族氮化物半导体材料包括氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）、氮化铟（InN）及它们之间形成的三、四元合金（也就是AlGaN、InAlN、InGaN和AlInGaN）。以氮化镓材料为主的III族氮化物半导体材料具有相对宽的直接带隙、高的击穿电场强度、高的饱和电子漂移速度，以及可以形成高浓度高电子迁移率的二维电子气结构等优势，已经广泛地用于制备紫外、蓝、绿光发光二极管（LED）、激光器和微波功率晶体管。目前，氮化镓LED被视为新一代的高效高亮节能固态发光光源，其市场份额不断扩大，逐步替代传统照明和显示灯。基于氮化镓的大功率微波放大器和微波单片集成电路产品已经投入市场，与砷化镓和硅微波功率器件相比，氮化镓基器件具有更高输出功率密度和效率，能够大幅降低系统的尺寸、重量和散热要求，为移动通信基站和雷达系统的设计和使用提供了更多选择。

目前，氮化镓薄膜主要是通过异质外延的方法在蓝宝石和碳化硅衬底上生长的，其中基于氮化镓的大功率微波器件基本都是在碳化硅衬底上外延生长的。然而，碳化硅衬底价格高昂，尽管基于碳化硅衬底的氮化镓晶体管性能优良，但是其应用范围还是严重地受到成本的制约。蓝宝石衬底具有较大成本优势，其价格仅有不到碳化硅衬底的十分之一，但它也有一些性能缺陷，如导电性和导热性差，尺寸不大等。硅作为衬底材料，不仅具有质量高、导热性能好、切割容易等优点，而且其成本优势比蓝宝石衬底还要大。

硅与III族氮化物外延材料存在着非常严重的晶格失配和热失配，如（0001）面氮化镓与（111）面硅之间的热失配为54%，晶格失配为17%，在硅衬底上生长的III族氮化物外延薄膜因为应力大，很容易产生裂纹。因此，硅基III族氮化物薄膜材料的异质外延生长通常包含氮化铝成核层和过渡层。氮化铝成核层的主要作用是：在异质衬底表面形成成核点，有利于III族氮化物源材料在衬底上凝结生长，改善III族氮化物薄膜材料的生长质量。过渡层的主要作用是：有效缓解硅衬底与氮化镓层之间的晶格失配和热失配，防止氮化镓层发生张应变弛豫，产生裂纹。为了更好地抑制硅基III族氮化物外延薄膜出现裂纹，提高其晶体质量，人们通常采用尽可能高的生长温度去生长高质量单晶氮化铝成核层和过渡层。

硅基III族氮化物外延薄膜的一个特点是，在硅衬底上外延生长III族氮化物薄膜的过程中，III族金属Ga原子就会扩散进入硅衬底中，形成一个导电类型为p型的寄生导电层，这一寄生导电层通常仅有数微米厚度，然而它是一个潜在的漏电通道，对III族氮化物微波功率器件的击穿性能、电流输出性能和工作效率都有显著的影响。为了消除或削弱这种影响，许多研究机构采取了相应的措施。美国Nitronex公司通过其专利“III-nitride material structures including silicon substrates”(Pub. No.：US 2006/0118819 A1)阐释了一种SiN阻挡层的方法，生长III族氮化物薄膜之前，在硅衬底上首先生长一个薄的SiN层，来防止或限制掺杂剂在硅衬底表面的积累，减少了掺杂剂扩散进入硅衬底的数量，从而降低了寄生导电层的导电性，削弱了其对器件性能的影响。比利时IMEC发表论文称通过某些外延生长工艺步骤的优化，Ga污染程度得到控制，参见CMOS Process-Compatible High-Power Low-Leakage AlGaN/GaN MISHEMT on Silicon, IEEE Electron Device Letters, p.667-p.669, 2012。在现有工艺技术方法中，采用尽可能高的温度生长氮化铝成核层却不利于降低硅基III族氮化物薄膜中寄生导电层的导电性。

发明内容

本发明提出的是一种含高阻寄生导电层的硅基III族氮化物薄膜及生长方法，其目的是针对硅基III族氮化物薄膜中容易形成高导电性的寄生导电层的问题，通过对硅衬底进行退火处理和硅衬底上生长氮化铝成核层时采用低的温度，降低了III族金属原子的扩散系数，从而减小了扩散进入硅衬底的III族金属原子的剂量，生长出含高阻寄生导电层的硅基III族氮化物薄膜材料。

本发明的技术解决方案：含高阻寄生导电层的硅基III族氮化物薄膜，其结构包含硅衬底和硅基III族氮化物薄膜。其中硅基III族氮化物薄膜包含氮化铝成核层、过渡层和氮化镓层，其中氮化铝成核层位于硅衬底和过渡层之间，