[发明专利]基于Al离子注入的GaN异质外延缓冲层的制作方法

说明书

本发明提供一种基于Al离子注入的GaN异质外延缓冲层的制作方法，包括步骤：1)提供一用于GaN异质外延生长的衬底；2)于衬底表层进行Al元素注入，其中，Al元素的注入浓度大于衬底的Al元素固溶度；3)对衬底进行退火工艺以修复衬底的晶格缺陷，同时使衬底表层的Al元素从衬底中析出并在衬底表面形成Al成核层；4)向衬底表面通入Al源与N源，基于Al成核层在衬底表面进行AlN缓冲层的生长。本发明可以精确控制Al元素的注入剂量，解决了原来GaN异质外延生长的AlN缓冲层制备过程中，由于预通Al源工艺窗口较小的情况下造成的外延质量问题以及外延一致性问题。

技术领域

本发明属于半导体器件设计及制造领域，特别是涉及一种基于Al离子注入的GaN异质外延缓冲层及GaN基HEMT外延结构的制作方法。

背景技术

由于GaN材料的一系列性能特点，基于GaN基的半导体器件在光电、电力电子及射频领域有着不可替代的优势。而GaN体单晶材料的合成需要极其严苛的条件，目前商品化的GaN材料均采用异质外延的方式进行制备，异质外延的衬底主要包括：蓝宝石、碳化硅(SiC)和硅(Si)。其中，蓝宝石由于尺寸难以扩大及导热性差的原因，限制了其在射频及电力电子方向的应用。而SiC材料其热导率高且晶格常数与GaN匹配度高，是异质外延GaN的理想材料，但是由于其成本相当昂贵限制了其大规模的应用。Si基GaN由于具有制备工艺成熟、晶圆尺寸大、材料及工艺成本低、与Si基CMOS线兼容等一系列优势，也成为制备GaN器件的主要材料之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于Al离子注入的GaN异质外延缓冲层及GaN基HEMT外延结构的制作方法，用于解决现有技术中AlN缓冲层的制备工艺窗口小导致AlN缓冲层质量难以保证的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于Al离子注入的GaN异质外延缓冲层的制作方法，所述制作方法包括步骤：1)提供一用于GaN异质外延生长的衬底；2)于所述衬底表层进行Al元素注入，其中，所述Al元素的注入浓度大于所述衬底的Al元素固溶度；3)对所述衬底进行退火工艺以修复所述衬底的晶格缺陷，同时使所述衬底表层的Al元素从所述衬底中析出并在所述衬底表面形成Al成核层；4)向所述衬底表面通入Al源与N源，基于所述Al成核层在所述衬底表面进行AlN缓冲层的生长。

可选地，步骤1)还包括对所述衬底进行表面清洗处理的步骤。

可选地，所述衬底包括SiC衬底、Si衬底及SOI衬底中的一种。

可选地，步骤2)进行Al元素注入之前，还包括在所述衬底表面形成注入缓冲层的步骤，步骤3)之前，还包括去除所述注入缓冲层的步骤。

可选地，所述Al元素的浓度范围为衬底材料的Al固溶度的2～100倍。

可选地，所述Al成核层的厚度范围为1～100埃米。

可选地，所述退火工艺的温度范围为500～1150℃，时间范围为1s～30min。

可选地，步骤2)于所述衬底表层进行Al元素注入的同时，于所述衬底表层注入导电掺杂离子，以改变所述衬底的导电性能。

可选地，步骤2)于所述衬底表层进行Al元素注入的同时，于所述衬底表层注入占位杂质，以改变所述衬底的Al元素的固溶度。

本发明还提供一种GaN基HEMT外延结构的制作方法，包括：如上所述的基于Al离子注入的GaN异质外延缓冲层的制作方法进行步骤1)～4)；

5)基于所述AlN缓冲层进行GaN基HEMT外延结构的生长。