[发明专利]一种硅重掺杂氮化镓异质外延的材料结构及应力控制方法

说明书

本发明涉及一种硅重掺杂氮化镓异质外延的GaN SBD材料及应力控制方法，按外延生长顺序包括：衬底；氮化铝（AlN）成核层；非故意掺杂铟镓氮（InGaN）层；非故意掺杂氮化镓（GaN）层；n+‑GaN重掺层；n‑‑GaN轻掺层。基于金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等气相外延生长方法，通过引入非故意掺杂InGaN层及对AlN成核层的应力调制，在保证外延材料低应力和高质量的同时，显著提升了n+‑GaN重掺层的掺杂浓度，从而有效降低GaN肖特基二极管(SBD)等高频器件的寄生串联电阻，提高器件的截止频率和工作效率。本方法与常规GaN异质外延工艺兼容，可控性好。

技术领域

本发明涉及一种硅重掺杂氮化镓异质外延的材料结构及应力控制方法，属于半导体外延材料技术领域。

背景技术

要实现太赫兹频段的应用，首先需研制出太赫兹功率源芯片。目前研制太赫兹功率源芯片的主要途径是SBD技术等，利用SBD倍频原理实现300GHz以上的太赫兹电路。相对砷化镓（GaAs），GaN材料具备宽禁带、高击穿及电子饱和速度高等特性，因而GaN高频器件能够获得更高的输出功率。然而，现阶段研制的GaN SBD等高频器件由于寄生串联电阻偏高，导致截止频率及工作效率均偏低，造成器件性能不能满足太赫兹领域的实际应用。

目前降低GaN SBD等高频器件寄生串联电阻的方法主要有两种：一是引入异质结多沟道结构，利用多层异质结沟道提高二维电子气密度，达到降低串联电阻的目的。这种方法的不足在于结构复杂，工艺实现难度大，且批次间稳定性较差；二是通过提高n⁺-GaN层的掺杂浓度，提升单位面积下的电子密度，从而降低串联电阻，增大隧穿电流。

由于硅烷具有成本低、并入效率高等特点，因此硅烷是GaN材料中最常用的N型掺杂源。然而，由于硅原子与镓原子半径差别较大，在GaN材料中掺入高浓度的硅原子会引起GaN晶格产生畸变，即从非故意掺杂GaN层到n⁺-GaN重掺层的外延期间，圆片应力由压应力向张应力方向发生明显演变，且重掺浓度越高，张应力增量越大。并且，常用衬底（碳化硅、硅等）的热膨胀系数低于GaN的热膨胀系数，因而在外延结束后的降温过程中，圆片的张应力会进一步增大。张应力增长到一定程度会导致外延材料表面出现大量裂纹，严重影响材料的质量。为缓解圆片的张应力，需要减小n⁺-GaN重掺层的掺杂浓度来降低n⁺-GaN重掺层生长期间的张应力增量，但会造成GaN SBD等高频器件的寄生串联电阻偏高不能达到太赫兹功率源芯片的研制需求。因此，在有效控制圆片应力的同时，如何有效提高n⁺-GaN重掺层的掺杂浓度，从而大幅度降低寄生串联电阻，对于太赫兹GaN SBD器件与高效倍频电路的应用具有十分重要的意义。

发明内容

当前GaN SBD等高频器件受限于外延材料应力失衡而致使寄生串联电阻偏高、高频性能严重退化。为解决该难题，本发明提出一种硅重掺杂氮化镓异质外延的材料结构及应力控制方法，采用应力补偿机制实现了外延材料的低应力。在保证高的外延材料质量及有效控制圆片应力的同时，显著提升了n⁺-GaN重掺层的掺杂浓度，从而有效降低GaN SBD等高频器件的寄生串联电阻，大幅提升器件截止频率和工作效率。

本发明的技术方案：本发明提出一种硅重掺杂氮化镓异质外延的材料结构及应力控制方法，其材料结构由下而上依次为衬底、AlN成核层、非故意掺杂InGaN层、非故意掺杂GaN层、n⁺-GaN重掺层和n^--GaN功能层。

其应力控制方法，包括以下步骤：

（1）选取碳化硅（SiC）单晶衬底，置于MOCVD等气相外延生长设备的设备内基座上；

（2）反应室升温至1000~1100℃，设定反应室压力50~150torr，在氢气氛围下烘烤衬底5~15min，去除表面沾污；