[发明专利]一种高频氮化镓肖特基二极管外延片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高频氮化镓肖特基二极管外延片及其制备方法，所述高频氮化镓肖特基二极管外延片的结构从下往上依次包括：衬底层、AlN成核层、InAlN成核层、下层非故意掺杂GaN层、上层非故意掺杂GaN层、n⁺‑GaN重掺层和AlGaN极化轻掺层。本方案在AlN成核层中引入源的分时输运工艺，促进AlN成核岛的横向合并，显著提升外延材料的晶体质量，同时引入晶格常数更大的InAlN成核层，并通过InAlN成核层、AlN成核层和上层非故意掺杂GaN层的压应力补偿，有效补偿掉n⁺‑GaN重掺层生长及降温期间的张应力增量，实现了对圆片应力的有效控制。因此，能够大幅增加n⁺‑GaN重掺层的掺杂浓度，有效降低GaN SBD的寄生串联电阻、提升GaN SBD等高频器件的截止频率和工作效率。

技术领域

本发明涉及半导体外延材料技术领域，尤其涉及一种高频氮化镓肖特基二极管外延片及其制备方法。

背景技术

要实现太赫兹频段的应用，首先需研制出太赫兹功率源芯片。目前研制太赫兹功率源芯片的主要途径是SBD技术等，利用SBD倍频原理实现300GHz以上的太赫兹电路。相对砷化镓(GaAs)，GaN材料具备宽禁带、高击穿及电子饱和速度高等特性，因而GaN SBD器件能够获得更高的输出功率。然而，现阶段研制的GaN SBD器件由于寄生串联电阻偏高，导致截止频率及工作效率均偏低，造成器件性能不能满足太赫兹领域的实际应用。

目前降低GaN SBD器件寄生串联电阻的方法主要有两种：一是引入异质结多沟道结构，利用多层异质结沟道提高二维电子气密度，达到降低串联电阻的目的。这种方法的不足在于结构复杂，工艺实现难度大，且批次间稳定性较差；二是通过提高n+-GaN层的掺杂浓度，提升单位面积下的电子密度，从而降低寄生串联电阻，增大隧穿电流。

由于硅烷具有成本低、并入效率高等特点，因此硅烷是GaN材料中最常用的n型掺杂源。然而，由于硅原子与镓原子半径差别较大，在GaN材料中掺入高浓度的硅原子会引起GaN晶格产生畸变，即从非故意掺杂GaN层到n+-GaN重掺层的外延期间，圆片应力由压应力向张应力方向发生明显演变，且重掺浓度越高，张应力演变越明显。并且，常用衬底(碳化硅、硅等)的热膨胀系数低于GaN的热膨胀系数，因而在外延结束后的降温过程中，圆片的张应力会进一步增大。张应力增长到一定程度会导致外延材料表面出现大量裂纹，严重影响材料的质量。为缓解圆片的张应力，需要减小n+-GaN重掺层的掺杂浓度来降低n+-GaN重掺层生长期间的张应力增量，但会造成GaN SBD器件的寄生串联电阻偏高不能达到太赫兹功率源芯片的研制需求。因此，在有效控制圆片应力的同时，如何有效提高n+-GaN重掺层的掺杂浓度，从而大幅度降低寄生串联电阻，对于太赫兹GaN SBD器件与高效倍频电路的应用具有十分重要的意义。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种高频氮化镓肖特基二极管外延片及其制备方法。

为实现本发明的目的，提供一种高频氮化镓肖特基二极管外延片，包括：衬底层、AlN成核层、InAlN成核层、下层非故意掺杂GaN层、上层非故意掺杂GaN层、n⁺-GaN重掺层和AlGaN极化轻掺层；所述衬底层、AlN成核层、InAlN成核层、下层非故意掺杂GaN层、上层非故意掺杂GaN层、n⁺-GaN重掺层和AlGaN极化轻掺层按从下往上的顺序依次叠加。

进一步地，本技术方案提供一种高频氮化镓肖特基二极管外延片的制备方法，包括如下步骤：

(1)选取衬底，将所述衬底设置在气相外延生长设备的内基座上；

(2)将反应室升温至1000～1100℃，且设定所述反应室的压力为50～150torr，在氢气氛围下烘烤所述衬底5～15min；