[发明专利]一种硅衬底上N极性面高频GaN整流器外延结构及其制备方法

权利要求书

1.硅衬底上N极性面高频GaN整流器外延结构，其特征在于，包括在硅衬底上依次生长的非掺杂N极性面GaN缓冲层、碳掺杂N极性GaN层、非掺杂N极性面Al_xGa_1-xN层、非掺杂N极性面AlN插入层、非掺杂N极性面GaN层和N极性InGaN层；其中x＝0.3～0.8。

2.根据权利要求1所述的硅衬底上N极性面高频GaN整流器外延结构，其特征在于，所述非掺杂N极性面GaN缓冲层包括非掺杂N极性面AlN缓冲层和非掺杂N极性面组分渐变Al_yGa_1-yN缓冲层；所述非掺杂N极性面组分渐变Al_yGa_1-yN缓冲层生长在非掺杂N极性面AlN缓冲层上面，非掺杂N极性面AlN缓冲层生长在硅衬底上；y＝0.15～0.45；所述非掺杂N极性面GaN缓冲层的厚度为600-800nm；所述非掺杂N极性面AlN缓冲层的厚度为140-220nm。

3.根据权利要求2所述的硅衬底上N极性面高频GaN整流器外延结构，其特征在于，所述非掺杂N极性面组分渐变Al_yGa_1-yN缓冲层的厚度650-680nm。

4.根据权利要求1所述的硅衬底上N极性面高频GaN整流器外延结构，其特征在于，碳掺杂N极性GaN层的厚度为80-180nm，掺杂浓度为5.9×10¹⁸～5.0×10¹⁹cm^-3。

5.根据权利要求1所述的硅衬底上N极性面高频GaN整流器外延结构，其特征在于，所述非掺杂N极性面Al_xGa_1-xN层的厚度为300-450nm。

6.根据权利要求1所述的硅衬底上N极性面高频GaN整流器外延结构，其特征在于，所述非掺杂N极性面AlN插入层的厚度为2-15nm。

7.根据权利要求1所述的硅衬底上N极性面高频GaN整流器外延结构，其特征在于，所述非掺杂N极性面GaN层的厚度为500-1500nm。

8.根据权利要求1所述的硅衬底上N极性面高频GaN整流器外延结构，其特征在于，所述非掺杂N极性InGaN层厚度为80-150nm。

9.权利要求1～8任一项所述的硅衬底上N极性面高频GaN整流器外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)衬底及其晶向的选取：采用单晶硅衬底，以Si(111)密排面为外延面，以GaN[0001]方向作为材料外延生长方向；

(2)衬底表面清洗：将硅衬底依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水三种介质中，依次超声清洗5-15min，取出后用去离子水冲洗并使用热高纯氮气吹干；

(3)非掺杂N极性面AlN缓冲层外延生长：采用脉冲激光沉积工艺，将洁净衬底放入真空室中，将衬底温度升高至420-500℃，腔体内真空度抽至2.0×10^-4-4.0×10^-4torr，激光能量为250-320mJ，激光频率为15-30Hz，氮气流量为2-10sccm，富N条件下生长N极性AlN薄膜，Al源为AlN高纯陶瓷靶材；

(4)非掺杂N极性面组分渐变Al_yGa_1-yN缓冲层外延生长：采用MOCVD技术，将已制备N极性AlN样品放入生长腔室内，将腔室真空度抽至2.0×10^-6-4.0×10^-6torr，温度升至950-1000℃，并向腔室内通入NH₃、N₂、H₂、CH₄、三甲基铝，在步骤(3)得到的外延片上外延生长非掺杂N极性面成分渐变Al_yGa_1-yN层；所述MOCVD中，反应室气压为180-220torr，NH₃、N₂、H₂、CH₄、三甲基铝流量分别为30-50slm、60-100slm、15-24slm、400-450sccm；

(5)碳掺杂N极性GaN层外延生长：在MOCVD中完成步骤(4)膜层生长后，关闭三甲基铝与H₂的气路，将腔体温度降为770-800℃并向腔室内通入NH₃、N₂、CH₄、三甲基镓，在外延片上原位生长碳掺杂N极性面GaN层，所述MOCVD中反应室气压为180-240torr，NH₃、N₂、CH₄、三甲基镓流量分别为20-50slm、60-90slm、120-150sccm、450-520sccm；

(6)非掺杂N极性面Al_xGa_1-xN层外延生长：采用与步骤(4)相同的工艺条件，通过调整三甲基铝流量与生长温度调控膜层Al组分变化；

(7)非掺杂N极性面AlN插入层生长：在MOCVD完成步骤(6)膜层生长后，关闭三甲基镓和N₂气路供应，将腔体温度升至1000-1100℃并向腔室内通入NH₃、H₂和三甲基铝，外延生长N极性面AlN插入层；所述MOCVD腔体气压为180-220torr，NH₃、H₂、三甲基铝流量分别为30-50slm、10-20slm、350-440sccm；

(8)非掺杂N极性面GaN层外延生长：在步骤(5)工艺基础上，关闭腔室内CH₄供应，并将NH₃、N₂、三甲基镓流量分别为50-80slm、60-80slm、500-750sccm；

(9)非掺杂N极性面InGaN层外延生长：在MOCVD中完成步骤(8)膜层生长后，将生长温度降为740～760℃，通入NH₃、N₂、三甲基镓和三甲基铟，外延生长N极性面InGaN层；所述MOCVD中腔体气压为180-220torr，NH₃、N₂、三甲基镓和三甲基铟流量分别为30-50slm、55-80slm、100-150sccm、500-750sccm。