一种带有InGaN插入层的非故意掺杂高阻GaN薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体材料技术，尤其涉及一种带有InGaN插入层的非故意掺杂高阻GaN薄膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前，以GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料因其禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和漂移速度高、耐腐蚀和抗辐照等突出优点，在制作高频、高功率、抗辐射等电子器件方面发挥着举足轻重的作用。以AlGaN/GaN异质结制备的高电子迀移率晶体管(HEMT)具有高密度和高迀移率的二维电子气，是研制微波功率器件的理想材料。目前，制备GaN材料器件最常用的技术为金属有机物化学气相沉积(M0CVD)技术，然而通过M0CVD生长的GaN薄膜含有大量的0杂质及N空位等施主缺陷，会产生很高的背景载流子浓度，从而使GaN薄膜呈现n型导电类型，难以实现高阻薄膜。在这种非高阻的GaN缓冲层上生长的AlGaN/GaN基HEMT器件存在严重的漏电问题，极大影响了 AlGaN/GaN基HEMT的高频性能和夹断特性，同时增加了器件的发热量。
[0003]为了解决以上问题，需要制备高电阻率、低载流子浓度的GaN外延层。目前，采用M0CVD技术获得高阻GaN薄膜主要有故意的C、Fe等杂质掺杂引入深能级受主以及控制成核层生长参数引入位错从而诱导C并入等方法。但是这些方法都有各自的缺点，比如造成反应室污染、降低薄膜晶体质量和电学性质、生长参数窗口极窄和器件生长重复性不好等。还有一种方法通过低压生长控制非故意掺杂碳原子的并入，从而引入碳受主能级，补偿背景载流子。这种方法尽管工艺简单，但通常会引入高密度的多种类型位错，并且由于碳杂质的自补偿作用，很难在获得高电阻率的同时又保证较高的晶体质量。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于，针对上述现有GaN外延层难以兼顾高电阻率的和较高晶体质量的问题，提出一种带有InGaN插入层的非故意掺杂高阻GaN薄膜，该薄膜在不降低GaN生长压力并保证薄膜较高晶体质量的情况下引入适量的刃位错，而少量增加螺位错，利用刃位错诱导反应室中的碳受主并入GaN薄膜，进而补偿背景电子，实现高阻GaN薄膜。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种带有InGaN插入层的非故意掺杂高阻GaN薄膜，包括自下而上依次设置的衬底、低温GaN成核层、GaN缓冲层、退火重构的InGaN插入层和高阻GaN层。
[0006]进一步地，所述衬底为蓝宝石。
[0007]进一步地，所述低温GaN成核层厚度为10?200nm，优选为50-100nm ;所述GaN缓冲层厚度为1?5 μπι，优选为2-3 μπι ;所述退火重构的InGaN插入层厚度为50?200nm，优选为60_120nm ;所述高阻GaN层厚度为lOOnm?20 μ m，优选为500nm-10 μ m。
[0008]本发明的另一个目的，提供了一种带有InGaN插入层的非故意掺杂高阻GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤:
[0009]步骤1:将衬底放在反应室中热处理；
[0010]步骤2:采用两步生长法，在衬底上生长一层低温GaN成核层；
[0011 ] 步骤3:在GaN成核层上生长一层非故意掺杂GaN缓冲层；
[0012]步骤4:在GaN缓冲层上生长一层InGaN插入层；
[0013]步骤5:对InGaN插入层进行高温退火得到退火重构的InGaN插入层，退火期间持续通入一定量的TEG和NH3;
[0014]步骤6:在退火重构的InGaN插入层上生长一层非故意掺杂的高阻GaN层。
[0015]进一步地，所述低温GaN成核层生长温度为450?600 °C，反应室压强为400?550Torro
[0016]进一步地，所述GaN缓冲层的生长温度为900?1100°C，反应室压强150?300Torro
[0017]进一步地，所述InGaN插入层的生长温度为600?800°C，反应室压强150?300Torro
[0018]进一步地，所述退火重构的InGaN插入层的退火温度为1000°C以上，退火时间1?1200s，优选为200-800S，退火期间持续通入一定流量的TEG和NH3，其中TEG流量为5?lOOsccm，优选为 20-50sccm，NH3流量为 2000 ?8000sccm，优选为 3000-5000sccm，并保持反应室压强稳定。
[0019]进一步地，所述的高阻GaN层的生长温度为900?1100°C以上，反应室压强150?300Torro
[0020]进一步地，所带有InGaN插入层的非故意掺杂高阻GaN薄膜采用M0CVD技术生长。
[0021]进一步地，带有InGaN插入层的非故意掺杂高阻GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤:
[0022]步骤1:将衬底放在反应室中热处理；
[0023]步骤2:采用两步生长法，以比为载气，以TMG和见13为生长源，在衬底上生长一层低温GaN成核层；
[0024]步骤3:在高温900?1100°C、恒压条件下，以氏为载气，以TMG和NH3为生长源，
在GaN成核层上生长一层1?5 μ m厚的非故意掺杂GaN缓冲层；
[0025]步骤4:保持压力不变，降低温度至600?800°C，载气为N2，镓源切换为TEG，NH3为氮源，在GaN缓冲层上生长一层InGaN插入层，厚度为50?200nm ；
[0026]步骤5:保持压力不变，对InGaN插入层进行高温退火，退火期间持续通入一定量的TEG和NH3，其中TEG流量为5?lOOsccm，NH3流量为2000?8000sccm ；
[0027]步骤6:保持温度900?1100°C、压力150?300Torr条件下，氮源为氨气(NH3)，载气为H2，镓源为TMG，在退火重构的InGaN插入层上生长一层非故意掺杂的高阻GaN层。
[0028]本发明一种带有InGaN插入层的非故意掺杂高阻GaN薄膜结构科学、合理，其制备方法简单、易行，与现有技术相比较，具有以下优点:
[0029]1、本发明带有InGaN插入层的非故意掺杂高阻GaN薄膜通过引入退火重构的InGaN插入层，使得在该插入层上生长的GaN层刃型位错密度增加，从而诱导碳杂质并入GaN薄膜，引入的碳受主能够补偿背景载流子，使得GaN外延层的电阻率大大提高。
[0030]2、本发明带有InGaN插入层的非故意掺杂高阻GaN薄膜的制备方法工艺简单，重复性好，生长参数可控性强，不需要额外引入新的掺杂材料，无记忆效应，能更好地满足工业生产制造的需求，且晶体质量优于采用传统工艺低压生长的高阻GaN薄膜。
【附图说明】
[0031]图1为带有InGaN插入层的非故意掺杂高阻GaN薄膜的结构示意图；
[0032]图2为带有InGaN插入层的非故意掺杂高阻GaN薄膜的二次离子质谱测试结果。
【具体实施方式】
[0033]以下结合实施例对本发明进一步说明:
[0034]实施例1
[0035]如图1所示，本实施例提供了一种带有InGaN插入层的非故意掺杂高阻GaN薄膜，包括:
[0036]一衬底，其材料为蓝宝石；
[0037]—低温GaN成核层，其制作在衬底上，其中低温GaN成核层的厚度为25nm ;
[0038]—GaN缓冲层，其制作在低温GaN成核层上，生长温度在1045°C，厚度为3.2 μ m ;
[0039]—退火重构的InGaN插入层，其制作在GaN缓冲层上，厚度约65nm ；InGaN插入层的生长温度为770°C，生长结束后升温至1050°C高温退火600s。
[0040]一高阻GaN层，其制作在退火重构的InGaN插入层上，生长温度为1050°C，厚度为650nmo
[0041]本实施例带有InGaN插入层的非故意掺杂高阻GaN薄膜的制备方法，包括以下工艺步骤:
[0042]步骤1:将衬底在M0CVD设备中热处理；
[0043]步骤2:采用两步生长法，以比为载气，以TMG和见13为生长源，在衬底上生长一层低温GaN成核层，厚度25nm ；
[0044]步骤3:升温至1045°C，压力降低至188Torr，在GaN成核层上生长一层非故意掺杂GaN缓冲层，厚度为3.2 μπι;
[0045]步骤4:降温至770°C，反应室压强维持在188Torr，载气切换为N2，镓源切换为TEG，在GaN缓冲层上生长一层InGaN插入层，厚度约65nm ;
[0046]步骤5:升高温度至1050°C，反应室压强维持在188Torr，对InGaN插入层高温退火600s，退火期间持续通入TEG流量为llsccm，MV流量为5000sccm ；
[0047]步骤6:退火结束后，保持温度1050°C、压力188Torr，载气切换为H2，镓源切换为TMG，生长高阻GaN层，厚度为650nm。