[发明专利]一种提高超薄氮化镓场效应管晶体质量的外延方法

说明书

本发明公开了一种提高超薄氮化镓场效应管晶体质量的外延方法，属于半导体外延材料技术领域。本方法利用金属有机物化学气相沉积等材料生长技术，通过前期有机镓源浸润预处理改善氮化铝/氮化镓界面质量，抑制界面位错的生成，并在后期进行高温退火重结晶实现氮化镓穿透位错快速湮没，可以大幅度降低氮化镓复合缓冲层生长初期的位错密度，从而实现了外延总厚度在200~500nm的高晶体质量氮化镓场效应管材料制备。本发明可以在保证晶体质量的前提下，将氮化镓缓冲层厚度大幅减薄，有助于改善器件功率和频率特性，显著降低外延成本；同时本发明的生长方法与常规氮化镓外延工艺兼容，可控性好，具有较高的实用价值。

技术领域

本发明涉及一种提高超薄氮化镓场效应管晶体质量的外延方法，属于半导体外延材料技术领域。

背景技术

氮化镓高迁移率场效应管是一种基于氮化物特有的极化效应在异质结界面沟道处产生高浓度的二维电子气，并通过改变栅压来控制沟道开关的新型半导体电子器件，具有高频、高功率和耐高温特性，该材料体系更加适合发展高温、高压、大功率微波器件，在军事、移动通信、雷达等高端技术领域应用中具有非常重要的意义。

由于氮化镓体单晶材料制备十分困难，因此氮化镓单晶薄膜一般通过异质外延获得。碳化硅衬底与氮化镓晶格失配和热失配均较小、导电、热导率高，使碳化硅基氮化镓高迁移率场效应管具有更高的功率特性、可靠性和更低的射频损耗，因此目前超过95%商用氮化镓微波器件均采用碳化硅衬底。然而，碳化硅衬底与氮化镓单晶薄膜之间存在着一定的晶格失配和热失配，在外延层中会产生高密度（10⁸～10¹⁰cm^-2）的位错和较大的薄膜应力，不但恶化外延材料的晶体质量和表面形貌，而且影响器件的功率性能、成品率和可靠性。因此，降低位错密度、提高外延材料晶体质量成为氮化镓微波材料亟需解决的问题。

氮化镓外延层中分布最广、对材料与器件性能影响最大的缺陷是垂直于衬底表面的穿透位错，主要源于成核层上生长的高温氮化镓成核岛间合并过程，此类位错通常随着外延厚度的增加出现转向、湮没，因此为了得到高质量的氮化镓高迁移率场效应管外延材料，常规氮化镓高迁移率场效应管的外延层厚度通常在1.5μｍ以上，增加了成本消耗，同时需要进行掺杂补偿来获得高阻性能。针对氮化镓功率管输出功率不断提高的需求，氮化镓高迁移率场效应管的材料需满足更高工作电压、更高输出功率密度的性能要求。然而，由于常规氮化镓场效应管外延层厚度较厚，掺杂饱和效应和散热问题进一步限制了碳化硅基氮化镓微波功率器件技术的进一步发展。另外，氮化镓高迁移率场效应管中氮化镓缓冲层厚度占比95%以上，属于外延成本主要消耗层，将厚度减薄80%～90%，可以有效降低外延成本50%以上，同时外延耗时减少30%，有效提升外延产能，更好的满足未来氮化镓市场扩张的需求。因此，开发新型超薄氮化镓高迁移率场效应管采用非故意掺杂外延技术，将氮化镓缓冲层厚度大幅减薄，并进一步提升晶体质量，对于提升微波功率器件的性能并降低成本有着极为重要的意义。

发明内容

针对外延层总厚度在200~500nm的超薄氮化镓场效应管，本发明提出一种提高超薄氮化镓场效应管晶体质量的外延方法，通过调控界面工艺，既减少了界面位错的生成，同时实现了穿透位错快速湮没，显著提升了超薄氮化镓场效应管的晶体质量。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种提高超薄氮化镓场效应管晶体质量的外延方法，包括以下步骤：

步骤一：选取碳化硅单晶衬底，置于金属有机物化学气相淀积材料生长设备内的反应室基座；

步骤二：设置反应室的压力为100~200 mbar，通入H₂，系统升温至1000~1100℃，在H₂气氛下烘烤衬底5~15分钟，去除衬底表面的粘污；