[发明专利]GaN衬底的表面处理方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体地涉及一种GaN衬底的表面处理方法，以去除衬底表面吸附的杂质原子。

背景技术

第三代宽禁带氮化镓(GaN)基半导体材料具有禁带宽度大、击穿电压高、强场漂移速度大、耐高温、抗辐照等优异性能。GaN基的高电子迁移率晶体管(HEMT)结构材料能够产生高密度、高迁移率二维电子气，特别适合制作高压、高效、高密度大功率微波和毫米波器件和电路。GaN基HEMT晶体管的微波功率器件和电路，功率密度高、体积小、重量轻，适合高频、大功率、高温、高压、强辐照等恶略环境下工作，广泛应用于微波毫米波等频段的尖端装备，在相控阵雷达、航空航天、灵巧智能武器、卫星通讯和电子战等领域具有极其重要的应用，对国家安全和新一代信息产业的发展具有重大意义，是世界各国竞相占领的战略高技术制高点。

长期以来，由于缺乏大尺寸商业化的同质衬底，GaN材料基本是在蓝宝石，硅和碳化硅等异质衬底上进行外延。由于GaN外延薄膜和异质衬底之间存在大的晶格失配和热失配，因而通过异质外延获得的GaN材料存在较高的位错密度(10⁷-10⁹cm^-2)。大量位错所产生的陷阱态使得GaN基微电子器件面临严重的可靠性问题，严重影响了GaN微电子器件性能的提高。与异质外延相比，同质外延可以获得结晶质量更好、内部应力更小，以及表面质量更高的GaN材料。利用同质外延GaN材料研制的微波功率器件具有更高的耐压能力和更优异的可靠性。此外，由于位错密度降低和界面平滑度提升，同质外延的AlGaN/GaN异质结材料具有更高的二维电子迁移率，可以获得更大的输出功率。

通过氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)方法获得的GaN同质衬底，或者通过金属有机物化学气相淀积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)获得的GaN基板材料会在空气中暴露一段时间，从而使材料表面吸附一些污染物，主要是O，Si，C等杂质。这些杂质会在同质外延再生长界面处引起寄生导电沟道，使得AlGaN/GaN异质结材料的GaN缓冲层漏电，造成HEMT器件出现夹断特性差、同一芯片上器件之间的电隔离特性差等现象。

传统的GaN衬底表面处理方法，主要包括湿法清洗和原位高温退火两种方法。湿法清洗一般采用有机溶剂和酸性溶液去除表面杂质原子，但是这种方法容易引入新的杂质原子，且对衬底基片的清洁程度不同，会引起后续材料结晶质量的明显差异。原位高温退火是通过MOCVD或者MBE外延GaN之前对GaN衬底进行表面处理，一般在在氢气或氮气环境中高温高压条件下进行。这种条件下GaN表面容易发生分解，不容易得到平整光滑的表面，影响后面异质结材料的表面质量和晶体质量，另一方面，这种方法只能去除C和O等杂质，不能有效去除Si杂质。

GaN同质衬底或GaN基板材料上外延GaN时，表面吸附的杂质原子在再生长界面处引起寄生导电沟道，从而使得GaN缓冲层漏电，导致HEMT器件出现夹断特性差和和同一芯片上器件之间电隔离特性差等现象。传统的表面处理方法无法有效降低杂质原子浓度，也无法保障GaN再生长界面不被破坏。因此如何有效降低GaN同质衬底表面所吸附的杂质原子浓度(尤其是Si原子浓度)，并且抑制GaN表面质量因高温分解而恶化，是利用同质外延获得高质量GaN材料亟待解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是为了提供一种GaN衬底的表面处理方法，以解决上述至少一项技术问题。

(二)技术方案

为实现上述技术目的，本发明提供一种GaN衬底的表面处理方法，包括以下步骤：

准备一GaN衬底；

在所述GaN衬底表面进行高温热分解和再生长循环过程，每一循环包括：对GaN衬底进行高温热分解；以及进行GaN再生长。

在进一步的实施方案中，所述循环过程的循环周期数1≤N≤30。

在进一步的实施方案中，所述高温热分解过程包括通入流量为F₁的Ga源，以保证GaN的热分解速度大于GaN的生长速度。

在进一步的实施方案中，所述GaN再生长过程包括通入流量为F₂的Ga源，以保证GaN的生长速度大于GaN的热分解速度。