[发明专利]一种用于制备GaN基高频微波器件的方法

说明书

本发明涉及材料领域技术领域，具体为一种用于制备GaN基高频微波器件的方法，步骤包括：(1)在衬底材料上，自下而上依次外延生长成核层、应力控制层、缓冲层；(2)在所述缓冲层上生长高Al组分异质结，包括第一半导体层GaN沟道层，第二半导体层高Al组分势垒层，在势垒层生长过程中，通入TMIn，用于增强Al原子的横向迁移；(3)在所述高Al组分势垒层上生长GaN帽层；(4)源、漏欧姆接触制备；(5)栅极制备；(6)钝化层沉积；以及(7)有源区隔离。本发明方法能有效提高异质结中的组分均匀性并改善应力场分布，大幅提高异质结晶体质量，最终提升高频微波器件性能与可靠性。

技术领域

本发明涉及材料领域技术领域，进一步涉及半导体材料制备方法。

背景

氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体的代表，具有大的禁带宽度、高的电子迁移率和击穿场强等优点，器件功率密度是硅(Si)、砷化镓(GaAs)功率密度的10倍以上。由于其高频率、高功率、高效率、耐高温、抗辐射等优异特性，可广泛应用于微波毫米波频段的尖端军事装备和民用通信基站等领域，因此成为新一代固态微波功率器件与材料研究的前沿热点。

为了使GaN基微波器件同时获得高输出功率、高增益截止频率f_T、高振荡频率f_Max，并有效地抑制器件尺寸等比例缩小带来的短沟道效应，核心有源区异质结的外延结构设计及生长成为关键，需要同步提高沟道电子迁移率、最大电子饱和漂移速度、二维电子气密度，且势垒层不宜偏厚。2006年，日本国家情报通信研究机构采用MBE技术(Molecular BeamEpitaxy,分子束外延)，在蓝宝石(Sapphire)衬底上外延生长基于较高Al组分势垒层的Al_0.4Ga_0.6N(8nm)/AlN/GaN异质结，研制出高频微波器件。2008年，又采用MOCVD技术(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机物化学气相沉积)，在碳化硅(SiC)衬底上外延生长基于Al_0.4Ga_0.6N(6nm)/AlN/GaN异质结并制备高频微波器件。之后，美国康奈尔大学、瑞典查尔姆斯理工、美国IQE公司等进一步研制出基于更高Al组分、更薄AlGaN势垒层(Al组分>50％，厚度<4nm)异质结的高频微波器件。另一方面，AlInN三元合金体系由于具有较强的自发极化效应，且In组分为～17％时，其与GaN能够形成近晶格匹配生长，可有效降低晶格失配和压电极化引起的晶格缺陷，有效防止高压下逆压电效应导致的器件失效，提高器件可靠性，因此，采用近晶格匹配的Al_0.83In_0.17N/AlN/GaN异质结制备高频微波器件逐渐成为另一条技术路线而受到广泛关注。此外，由于AlInGaN四元合金体系在拥有强极化效应的同时，具备更大的组分调节自由度，AlInGaN/AlN/GaN异质结在高频微波器件领域的应用亦逐步受到重视，美国圣母大学、德国亚琛工大、美国IQE公司均投入研发。在衬底方面，由于SiC具有与GaN更小的晶格失配、更高的导热系数，因此成为商用化高频微波器件的主流选择。

采用传统基于高Al组分势垒层的AlGaN/AlN/GaN异质结制备高频微波，由于势垒层中存在较强张应力，外延生长过程中容易出现微沟槽及裂纹，一方面，极大影响异质结界面质量，从而恶化沟道处电子迁移率，降低器件截止频率f_T与振荡频率f_Max；另一方面，裂纹会诱导漏电通道，导致栅极漏电显著增加，从而造成较大的噪声与功耗，并降低栅压摆幅而增大静态功耗。此外，由于Al原子的表面迁移率较低，传统高Al组分势垒层的Al组分空间分布并非均匀，故会诱导形成局域张应力场，加大逆压电效应发生的可能性，影响器件高频、高功率工作状态下的可靠性。