[发明专利]以SiC为衬底GaN基HEMT器件外延生长方法

说明书

一种以SiC为衬底GaN基HEMT器件外延生长方法，属于半导体器件制备技术领域。利用电化学气相沉积方法依次将氮化钛层、氮化铝和氮化镓层沉积在衬底上，形成复合缓冲层；复合缓冲层表面利用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀孔形、柱形、条形图形中的一种或多种，呈周期性排列；然后利用MOCVD进行非掺杂的GaN外延生长和非掺杂的AlGaN外延生长；最后外延生长Si掺杂的GaN冒层。优点在于，改善了碳化硅基氮化镓材料晶格失配问题，对提升器件整体性能和良品率作用明显。

技术领域

本发明属于半导体器件制备技术领域，特别涉及一种以SiC为衬底GaN基HEMT器件外延生长方法。

背景技术

氮化镓功率器件由于氮化镓材料其本身的先进特性，相对于目前市场上主导的硅半导体功率器件，在同样的工作电压和功率条件下，能够在能量转换过程中进一步降低大约30％-50％的能量损耗，同时它的体积更小(1/10)，工作电压更高(＞600V)，转换功率更大(＞kW)，以及工作频率更快(＞50MHz)。所有的这些优势在通过商业化降低生产成本，都可以转换成巨大的经济效益，为世界节能降耗做出重大贡献。

整个氮化镓功率器件技术的核心在于如何生产出高质量的氮化镓材料。因为氮化镓材料本身熔点高，所以很难采用熔融的结晶技术(比如硅)。目前最先进的结晶技术也只能生产出2寸片，成本极其昂贵，无法实现大规模生产，所以不具备产业化经济效益需求。现在业界发展比较成熟的制备技术且同时具备产业化可行性的是金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延技术。同时因为氮化镓材料晶格的特性，自然界还缺乏一个能够跟氮化镓晶格匹配相似并且制造成本相对较低的衬底材料。现在业界普遍使用的衬底是碳化硅，蓝宝石，以及单晶硅。随着近年来国内外SiC单晶材料制备技术的进步，SiC单晶基底的价格逐渐降低，这为降低SiC基底上制备氮化镓外延材料的生产成本创造了条件。但SiC基底与GaN材料在晶格常数和热膨胀系数都存在较大差异，由此会遇到两方面的问题：(1)晶格失配问题：因GaN的晶格常数(a＝0.3189nm，c＝0.5185nm)和6H-SiC的晶格常数(a＝0.3073nm，c＝1.0053nm)不同，3.77％的晶格失配度致使在GaN外延层外延生长初期会产生非常大的晶格失配应力，当生长的GaN外延层的厚度超过某一临界厚度(几nm到几百nm厚，具体视引入的中间层情况而定)后，积聚在GaN外延层中的这种大晶格失配应力就会以在界面处产生位错和缺陷的形式释放，这将造成GaN外延层结晶质量的恶化进而降低后续器件结构的性能；(2)热失配问题：因GaN的热膨胀系数(a：5.59×10-6K)和6H-SiC的热膨胀系数(a：3.54×10-6K)也存在较大差异，这致使GaN外延层或LED器件结构从很高的生长温度(如800～1100℃)降到室温的过程中会积聚非常大的热应力，这种热应力对GaN外延层而言是一种张应力进而易造成GaN外延层材料产生龟裂或弯曲。采用积聚较大热张应力和有裂纹或弯曲的GaN外延层材料制备器件，势必影响器件性能和良品率的提高。目前转移和协调释放SiC基底上制备的GaN外延层材料的失配应力的常用方法有：应力协变层(包括缓冲层、柔性层、插入层等)和图形衬底。现有的应力协变层，如GaN缓冲层、AlN缓冲层、AlGaN组分渐变缓冲层、薄InAlGaN柔性层等，尽管在转移和协调释放晶格失配应力方面具有较好效果，但在转移和协调释放热失配应力方面作用有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以SiC为衬底GaN基HEMT器件外延生长方法，解决了现有技术方法在SiC衬底上生长GaN存在晶格失配和热失配的问题。

一种以SiC为衬底GaN基HEMT器件外延生长方法，具体步骤及参数如下：