一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法。


背景技术：

2.氮化镓(gan)材料因其宽的禁带宽度(3.4ev)、高热导率、高电子饱和漂移速度、高击穿电场耐腐蚀及抗辐射等良好的热学和电学性能和化学稳定性，在高频、高温、高压、大功率射频器件等领域被广泛应用。
3.近几年来，碳化硅衬底及硅衬底上gan外延材料及器件的工程化和商业化进度加快，已经被应用于相控阵雷达、5g基站等方面。而目前我国的5g基站建设的频率，在中频2.5～3.7ghz范围；未来需要发展和建设高频段25～39ghz通信基站。为了发展频率为25～39ghz频段的毫米波通信，必须开发具有高效率、高可靠性的宽禁带材料和器件，氮化镓基异质结材料是制造高频率器件的首选，通常利用氮化镓和铝镓氮异质结的极化诱导在界面处产生高速的二位电子气，可满足射频器件的高功率高频率的特性需求。但是随着器件频率从sub6ghz器件发展成为大于25ghz的高频器件，需要满足更低的射频损耗，更低的电流坍塌量，更高的工作效率等需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的不足与缺陷，本发明提供一种用于氮化镓基射频器件的外延结构及其制备方法，用于改善氮化镓基射频材料在高频条件下的射频损耗。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于氮化镓基射频器件的外延结构的制备方法，至少包括以下步骤：
6.提供一碳化硅(sic)衬底，并对其进行表面清洁处理；
7.在所述sic衬底上进行辅助硅束流的表面重构；
8.对所述sic衬底进行退火处理以在衬底表面产生石墨烯薄膜；
9.在所述石墨烯薄膜上生长氮化铝(aln)缓冲层；
10.在所述aln缓冲层上生长氮化镓(gan)高阻缓冲层
11.在所述gan高阻缓冲层上生长gan沟道层；
12.在所述gan沟道层上生长ingan/algan势垒层；
13.在所述ingan/algan势垒层上生长sin帽层。
14.于本发明的一实施例中，在所述石墨烯薄膜上生长aln缓冲层包括：
15.采用辅助硅束流方法对所述石墨烯薄膜的表面进行硅化处理以形成c-si悬挂键；
16.通入氨气对所述石墨烯薄膜的表面进行氮化处理以形成si-n键；
17.预通铝源在所述石墨烯薄膜的表面形成n-al键；
18.继续通入氮源和铝源，生长30～80nm的aln缓冲层。
19.于本发明的一实施例中，对所述石墨烯薄膜的表面进行硅化处理的条件包括：保
持所述sic衬底的温度为1000～1100℃，硅束流蒸发速率为0.3～0.5nm/min，处理时间为1～2min。
20.于本发明的一实施例中，对所述石墨烯薄膜的表面进行氮化处理的条件包括：保持所述sic衬底的温度为1000～1100℃，向反应室内通入流量为1000～3000sccm的氨气(nh3)。
21.于本发明的一实施例中，生长30～80nm的aln缓冲层的条件包括：将反应室的温度调节至1200～1250℃，反应室的压力调节至50～100mbar；在氢气气氛下，向反应室内通入三甲基铝(tmal)及nh3，其中，nh3采用间隔通气的方式，每通气5～10秒后暂停5～10秒，如此循环，nh3的合计流量为1500sccm，tmal采取持续通气的方式，tmal的流量为150～200sccm。
22.于本发明的一实施例中，在所述aln缓冲层上生长gan高阻缓冲层包括：在所述氮化铝缓冲层上生长200～300nm自掺碳氮化镓高阻层；及在所述自掺碳氮化镓高阻层上生长1000～1500nm的外掺碳氮化镓高阻层，其中，自掺碳原子的掺杂浓度为5e+17～1e+18cm-3
，外掺碳原子的掺杂浓度为1e+18～5e+18cm-3
；碳掺杂gan高阻层可避免fe原子的延迟效应进入沟道层，引起器件的电流坍塌问题。
23.于本发明的一实施例中，生长自掺碳氮化镓高阻层的步骤包括：将反应室的温度调节至900～950℃，压力调节至100mbar，通入tmga和nh3生长gan，生长速率保持30～40nm/min，该层碳通过控制生长温度控制镓源tmga里碳原子含量方法，实现自掺杂。
24.于本发明的一实施例中，生长外掺碳氮化镓高阻层时，将温度调节至1050～1080℃，压力调节至200mbar，通入tmga、乙烯(c2h4)气体和nh3，其中，tmga和c2h4气体摩尔比为1:1.5～1:2，生长过程中v/iii比为1000～3000，生长速率保持在35～50nm/min；该层采用c2h4气体提供碳源，采用高温生长，有利于提高氮化镓的晶体质量。
25.于本发明的一实施例中，在所述gan高阻缓冲层上生长gan沟道层包括将反应室的温度调节至1050～1080℃，压力调节至200mbar，通入tmga和nh3，生长过程中v/iii比为5000～8000，生长速率保持在15～20nm/min，生长的gan沟道层为150nm。
26.于本发明的一实施例中，在所述gan沟道层上生长ingan/algan势垒层时先将反应室的温度调节至700～800℃，在氮气(n2)气氛下生长5nm的in
x
ga
1-x
n，其中in组分x为10～20％；然后将温度调节至1000～1050℃，保持氮气气氛不变，生长15～20nm的alyga
1-y
n，其中，al组分y为20～30％。
27.于本发明的一实施例中，在所述ingan/algan势垒层上生长sin帽层包括：将反应室的温度保持1000～1050℃，反应室的压力保持50～150mbar；在n2气氛下，向反应室内通入sih4和nh3生长2nm的sin帽层。
28.本发明另一方面还提供一种采用本发明的方法制备的用于氮化镓基射频器件的外延结构。
29.如上所述，本发明通过对sic衬底进行表面重构获取平整的sic层状结构，经高温退火在衬底表面形成石墨烯薄膜，利用石墨烯的高热传导系数，改善界面热阻，提升器件在高功率、高频率条件下的可靠性；通过在氮化铝缓冲层依次生长碳自掺杂的氮化镓层和外掺杂碳的氮化镓层构成氮化镓高阻层，减少传统采用铁掺杂的氮化镓高阻层因铁原子的扩散效应，导致铁原子存在扩散到沟道层，引起器件电流坍塌的问题。本发明制备的外延结构用于高频射频器件可提高器件高频、高功率工作下的散热，实现较低的电流坍塌、较低的工
作结温。
附图说明
30.通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1显示为本发明用于gan基射频器件的外延结构的制备方法流程图；
32.图2显示为图1中步骤s4对应的流程图；
33.图3显示为图1中步骤s3对应的外延结构示意图；
34.图4显示为图1中步骤s4对应的外延结构示意图；
35.图5显示为图1中步骤s4的生长源tmal和nh3的流量-时间示意图；
36.图6显示为图1中步骤s5对应的外延结构示意图；
37.图7显示为图1中步骤s6对应的外延结构示意图；
38.图8显示为图1中步骤s7对应的外延结构示意图；
39.图9显示为图1中步骤s8对应的外延结构示意图；
40.图10显示为本发明的外延结构的霍尔测试位置标记图
41.附图标记
42.1、sic衬底；2、石墨烯薄膜；3、aln缓冲层；4、gan高阻缓冲层；5、gan沟道层；6、ingan/algan势垒层；7、sin帽层。
具体实施方式
43.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
44.需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
45.当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
46.本发明提供一种用于gan基射频器件的外延结构及其制备方法，本发明的外延结构是在金属有机物化学气相沉积(mocvd)设备中进行的，tmin、tmal、tmga和nh3分别作为铟(in)、铝(al)源、镓(ga)源和氮(n)源，h2和n2作为载气。
47.请参阅图1至图9，本发明提供的用于gan基射频器件的外延结构的制备方法，至少包括以下步骤：
48.s1、提供一sic衬底1，并对sic衬底1进行表面清洁处理；
49.s2、在sic衬底1上进行辅助硅束流的表面重构；
50.s3、对sic衬底1进行退火处理以在衬底表面产生石墨烯薄膜2；
51.s4、在石墨烯薄膜2上生长aln缓冲层3；
52.s5、在aln缓冲层3上生长gan高阻缓冲层4；
53.s6、在gan高阻缓冲层4上生长gan沟道层5；
54.s7、在gan沟道层5上生长ingan/algan势垒层6；
55.s8、在ingan/algan势垒层6上生长sin帽层7。
56.请参阅图1和图3，步骤s1、对sic衬底1进行表面清洁处理是在h2气氛下对sic衬底1进行退火处理以去除衬底表面的氧化层和油污。在一实施例中，首先将选取的sic衬底1放入mocvd设备的反应室内的基座上，将反应室的温度调节至1100～1200℃，例如例如1100℃、1150℃或1200℃等，并向反应室内通入h2，通入的h2流量为130～160l/min，在此条件下保持5～20min，例如5min、15min或20min等。对sic衬底1进行退火处理时应注意退火工艺，处理过量反而会影响后续外延层的生长质量。上述数值范围的两端点及中间的任一点皆可选择。
57.请参阅图1和图3，步骤s2表面重构具体包括调节sic衬底1的温度至1000～1100℃，通入硅源，使得硅束流蒸发速率为0.3～0.5nm/min，表面重构的时间为3～10min，以获得平整均匀的sic层状结构，为石墨烯薄膜的生长提供平整的平面。
58.请参阅图1和图3，步骤s3在sic衬底1上生长石墨烯薄膜2是在h2气氛下对sic衬底1进行高温退火处理以获得2～4层的表面石墨烯，具体包括调节反应室温度至1250～1400℃，通入h2的流量为50～80l/min，在此环境下退火2～4min。其中，退火温度可选为1250℃、1350℃、1400℃等，h2的流量可选为50l/min、60l/min或80l/min等，退火时间可选为1min、2min或3min等。上述数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。
59.请参阅图1、图2、图4和图5，步骤s4在石墨烯薄膜2上生长aln缓冲层3，具体包括以下步骤：
60.s41、采用辅助硅束流方法对所述石墨烯薄膜的表面进行硅化处理以形成c-si悬挂键；
61.s42、通入氨气对所述石墨烯薄膜的表面进行氮化处理以形成si-n键；
62.s43、预通铝源在所述石墨烯薄膜的表面形成n-al键；
63.s44、继续通入氮源和铝源，生长30～80nm的氮化铝缓冲层。
64.具体的，步骤s41在辅助硅束流的条件下，在石墨烯表面形成c-si键合，以获得c-si悬挂键，辅助硅束流的处理条件包括将反应室的温度保持在1000～1100℃，硅束流蒸发速率为0.3～0.5nm/min，处理时间为1～2min。步骤s42、在步骤s41的基础上继续对石墨烯薄膜2的表面进行si化处理，以在表面形成si-n键，具体包括保持温度不变，向反应室内通入nh3，其中nh3的流量为1000～3000sccm，si化时间为2～3min；步骤s43是在步骤s42的基础上继续对石墨烯薄膜2的表面处理以形成n-al键，为aln缓冲层3的生长提供形核点，具体的包括保持温度不变，向反应室内预通al源tmal，使得al原子先与表面的n原子结合形成n-al键；步骤s44在步骤s43的基础上继续通入tmal和nh3生长30～80nm的aln缓冲层3，既可以缓解sic与gan之间的晶格失配，又可在外延结构中形成高势垒可以阻止沟道载流子进入底
层。步骤s44的生长过程具体包括：将反应室的温度调节至1200～1250℃，压力调节至50～100mbar，并在h2气氛下向反应室内通入tmal和nh3，其中，tmal保持不间断通入，通入流量为150～200sccm，nh3采用间隔通气的方式，每通入5～10秒后暂停5～10秒，如此循环，nh3的合计流量为1500sccm，nh3采用间隔通入的方式，增加了al原子的迁移时间，提高了al原子的横向迁移距离，有利于aln以二维层状结构生长。在此生长条件下，aln缓冲层的生长速率为4～8nm/min，生长厚度为30～80nm。在一些实施例中，aln的生长温度可选择1200℃、1230℃或者1250℃等，生长压力可选择为50mbar、80mbar或者100mbar等，tmal的流量可选择150sccm、180sccm、200sccm等，nh3的通气时间及间隔时间可分别选择5秒、7秒、10秒等。上述参数所给范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。
65.请参阅图1和图6，步骤s5中在aln缓冲层3上生长gan高阻缓冲层4，具体包括第一生长阶段和第二生长阶段，第一生长阶段是在aln缓冲层3上生长200～300nm自掺碳gan高阻层，即将反应室的温度调节至900～950℃，压力调节至100mbar，通入tmga、nh3，生长速率保持30～40nm/min，通过调节生长温度实现碳原子的自掺杂，碳原子自掺杂的掺杂浓度为5e+17～1e+18cm-3
。第二生长阶段是在第一生长阶段的基础上继续生长1000～1500nm外掺碳gan高阻层，即将反应室的温度调节至1050～1080℃，压力调节至200mbar，通入tmga、c2h4和nh3，其中，tmga和c2h4的摩尔比为1:1.5～1:2，生长过程中v/iii比保持在1000～3000，生长速率保持在35～50nm/min，在一些实施例中，第一生长阶段的生长温度可选择为900℃、930℃或950℃等，第二生长阶段的生长温度可选择为1050℃、1070℃或1080℃等，上述参数所给范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。
66.请参阅图1和图7，步骤s6在gan高阻缓冲层4上生长gan沟道层5，具体包括：将反应室的温度调节至1050～1080℃，压力调节至200mbar，并在h2气氛下向反应室内通入tmga和nh3，生长过程中v/iii比控制在5000～8000，在此生长条件下gan的生长速率为15～20nm/min，gan的生长厚度为150nm。在一些实施例中，gan沟道层4的生长温度可选择1050℃、1060℃、1080℃等，v/iii比可选为5000、6000、7000或8000，上述参数所给范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。
67.请参阅图1和图8，步骤s5在gan沟道层5上生长ingan/algan势垒层6，在ingan/algan势垒层6和gan沟道层5界面处会产生一个三角势阱，而氮化物特有的极化效应使得界面处产生高密度的电子并且被束缚在三角势阱中，形成沟道。具体包括在gan沟道层5上生长5nm的in
x
ga
1-x
n层，其中in组分x为10％-20％，及在in
x
ga
1-x
n层上生长15～20nm的alyga
1-y
n层，其中al组分y为20～30％。即生长ingan/algan势垒层6时在n2的气氛下先将反应室的温度控制在700～800℃，例如，700℃、750℃或800℃，向反应室内通入tmin、tmga和nh3生长5nm的in
x
ga
1-x
n层；再将反应室的温度调节至1000～1050℃，例如，1000℃、1030℃或1050℃，向反应室内通入tmal、tmga和nh3生长15～20nm的alyga
1-y
n。上述参数所给范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。
68.请参阅图1和图9，步骤s8在ingan/algan势垒层6上生长sin帽层7，帽层可以抑制势垒层表面缺陷，减小反向漏电。生长sin帽层7具体包括将反应室的温度控制在1000～1050℃，压力控制在50～150mbar，在n2气氛下，向反应室内通入sih4和nh3，生长2nm的sin层。在一些实施例中，生长sin帽层7时，温度可以为1000℃、1030℃或1050℃，压力可以为50mbar、100mbar或150mbar，上述参数所给范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数
值均可选用。
69.上述sin帽层生长结束后，gan外延结构生长结束，需对反应室进行降温，降温时，停止生长源的通入，保持步骤s7的生长压力及h2气氛不变，降温，降温速率可控制在40～45℃/min。
70.请参阅图9，按照本发明的制备方法制备的外延结构包括：
71.sic衬底1；
72.石墨烯薄膜2，形成于sic衬底1上；
73.aln缓冲层3，形成于石墨烯薄膜2上；
74.gan高阻缓冲层4，形成于aln缓冲层3上；
75.gan沟道层4，形成于gan高阻缓冲层4上；
76.ingan/algan势垒层5，形成于gan沟道层4上；
77.sin帽层6，形成于ingan/algan势垒层5上。
78.其中，石墨烯薄膜2是对sic衬底1进行高温退火在衬底表面形成的2～4层石墨烯，aln缓冲层3既可以缓解sic与gan之间的晶格失配，又可以充当背势垒层，阻止载流子进入底层，aln缓冲层3的厚度为30～80nm，例如可为30nm、50nm或80nm等；gan高阻缓冲层4包括200～300nm自掺碳gan高阻层和1000～1500nm外掺碳gan高阻层，其中，自掺碳原子的掺杂浓度为5e+17～1e+18cm-3
，外掺杂碳原子的掺杂浓度为1e+18～5e+18cm-3
；gan沟道层5与ingan/algan势垒层6异质结界面之间产生高浓度、高电子迁移率的2deg，gan沟道层5的厚度为20～30nm，例如，可为20nm、25nm或30nm等。ingan/algan势垒层6包括5nm的in
x
ga
1-x
n层和15～20nm的alyga
1-y
n层，其中，in组分x为10～20％，al组分y为20～30％，alyga
1-y
n层的厚度，例如可以为15nm、25nm、30nm等。sin帽层7的厚度可为2nm，sin帽层7可以抑制势垒层表面缺陷，减小反向漏电。
79.本发明通过对sic衬底进行表面重构获取平整的sic层状结构，经高温退火在衬底表面形成石墨烯薄膜，利用石墨烯的高热传导系数，改善界面热阻，提升器件的可靠性；通过在氮化铝缓冲层依次生长碳自掺杂的氮化镓层和碳外掺杂的氮化镓层构成氮化镓高阻层，减少传统采用铁掺杂的氮化镓高阻层因铁原子的扩散效应，导致铁原子存在扩散到沟道层，引起器件电流坍塌的问题。
80.采用本发明的制备方法在sic衬底上制备外延结构，利用霍尔效应测试仪测试外延片不同位置的电子迁移率、电子浓度，测试位置及测试结果参见图10和表1。
81.图10为利用霍尔效应测试仪对本发明的外延结构进行霍尔测试时的位置标记图，测试时沿着晶圆的x轴方向和y轴方向各取四个测试点分别标记为x1、x2、x3、x4、y1、y2、y3、y4，x轴与y轴的交汇处取一点标记为o，各个测试点的电子迁移率，载流子密度的测试数据参见表1，从表1中可以看出电子迁移率的最小值为2030.68cm2/v
·
s，最大值可达2153.90cm2/v
·
s，其平均值为2074.44cm2/v
·
s；载流子密度最大值(1.505e+13)cm-2
，最小为(1.451e+13)cm-2
，平均值为(1.483e+13)cm-2
。霍尔测试表明本发明所制备的外延结构具有较高的2deg浓度及电子迁移率，而且各个测试点之间的数值相差不大，说明晶圆质量比较均匀。因此，将本发明的外延结构应用于高频射频器件可改善器件的电流坍塌问题，并且由于外延片的厚度大大减薄，可降低器件的自热问题。
82.表1：hemt外延结构的霍尔测试结果
[0083][0084][0085]
综上所述，本发明提供一种用于gan基射频器件的外延结构及其制备方法，该方法通过对sic衬底进行表面重构获取平整的sic层状结构，经高温退火在衬底表面形成石墨烯薄膜，利用石墨烯的高热传导系数，改善界面热阻，提升器件在高功率、高频率条件下的可靠性；通过在氮化铝缓冲层依次生长碳自掺杂的氮化镓层和外掺杂碳的氮化镓层构成氮化镓高阻层，减少传统采用铁掺杂的氮化镓高阻层因铁原子的扩散效应，导致铁原子存在扩散到沟道层，引起器件电流坍塌的问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。
[0086]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。