[发明专利]一种改善氮化镓异质外延与衬底间界面形貌的外延方法

说明书

本发明公开了一种改善氮化镓异质外延与衬底间界面形貌的外延方法，利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)材料生长技术，通过对氮化铝成核层采用铝源和氨源的分时输运及载气转换工艺、第一氮化镓缓冲层采用高压和第二氮化镓缓冲层采用低压，载气为氢气和氮气，依次完成单晶衬底、下层氮化铝成核层、上层氮化铝成核层、第一氮化镓缓冲层、第二氮化镓缓冲层、势垒层和帽层。本发明的方法在降低氮化镓异质外延层缺陷密度的同时，改善了氮化镓异质外延与单晶衬底间的界面形貌，有利于改善氮化镓微波器件的热传输特性，提升器件的可靠性。

技术领域

本发明涉及外延方法，尤其涉及一种改善氮化镓异质外延与衬底间界面形貌的外延方法。

背景技术

氮化镓高电子迁移率场效应管具有输出功率密度大、工作频率高、抗辐照等优点，在微波功率器件应用中有着独特优势，且正朝着太赫兹和千瓦级功率等方向迅速发展，其中截止频率已超过400GHz，输出功率密度达到20W/mm。但在射频状态下，器件近结区产生大量热量，这对热管理能力提出了严苛的要求。而当前微波功率器件由于氮化镓异质外延与单晶衬底间的界面形貌较差，致使器件性能受限于内部的热传输能力，导致其本征大功率优势未得到充分发挥。为了保证器件的可靠性，实际工作时器件的输出功率密度仅为5-7W/mm，远低于实验室水平。因此，改善氮化镓异质外延与单晶衬底间的界面形貌、提升器件散热性能成为微波功率器件亟需解决的问题。

经研究，改善氮化镓异质外延与单晶衬底间的界面形貌、提升器件的热传输能力，关键是在减薄AlN成核层和GaN缓冲层厚度的同时，提升AlN成核层和GaN缓冲层的材料质量。然而在常规氮化铝成核层工艺下，铝原子横向迁移长度低而不利于成核层岛间的侧向合并，这导致了成核层内失配缺陷多、表面形貌差，并且氮化铝成核层内高密度的失配缺陷会延伸至氮化镓缓冲层致使缓冲层内的穿透位错密度较高。另外，氮化镓属于大失配异质外延，减薄氮化镓缓冲层厚度也会使缓冲层材料质量恶化。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种在保证氮化铝成核层厚度较薄的前提下，通过提升氮化铝(AlN)成核层和氮化镓(GaN)缓冲层的材料质量，实现提升微波功率器件热传输能力的改善氮化镓异质外延与衬底间界面形貌的外延方法。

技术方案：本发明的外延方法，包括以下步骤：

(1)选取衬底，置于金属有机物化学气相沉积材料生长的设备内基座上；

(2)设置反应室的压力为50～150torr，通入氢气，升温至1000～1100℃，在氢气气氛下，烘烤衬底5～15分钟，去除表面沾污；

(3)保持反应室的压力和氢气流量不变，继续升温至1100～1250℃，通入氨气，并保持0.5～3分钟，对衬底表面进行氮化；

(4)保持反应室压力、氢气流量和温度不变，关闭氨气，同时通入铝源，持续供铝源6～24秒；然后，关闭铝源的同时通入氨气，持续供氨6～24秒；重复进行铝源和氨源的分时输运工艺，直至下层氮化铝成核层厚度达到0.5D～0.8D，其中D为氮化铝成核层的总厚度，关闭铝源；

在氨气气氛中，将载气由氢气切换为氮气，待气流稳定后，关闭氨气的同时通入铝源，持续供铝源6～24秒；然后，关闭铝源的同时通入氨气，持续供氨6～24秒；重复进行铝源和氨源的分时输运工艺，生长上层氮化铝成核层，直至氮化铝成核层的总厚度D为25～60nm，关闭铝源；

所述分时输运工艺是，在氮化铝成核层的生长期间，将铝源和氨气分时供应、物理隔离；关闭氨气的同时持续通入铝源，然后关闭铝源的同时持续通入氨气；重复进行该生长模式，直至氮化铝成核层生长结束；

(5)在氨气的氛围中，将温度降至1000～1100℃，反应室的压力升至350～550torr，通入镓源，生长第一氮化镓缓冲层，厚度达到200～600nm时，关闭镓源；保持温度不变，反应室的压力降至150～300torr，通入镓源，生长第二氮化镓缓冲层，厚度到达0.5～2.5μm时，关闭镓源；