[发明专利]一种氮化镓薄膜的外延结构及制备方法

说明书

本发明提供一种氮化镓薄膜的外延结构及制备方法，所述氮化镓薄膜的制备方法至少包括：提供一碳化硅衬底，并对碳化硅衬底进行退火处理；在碳化硅衬底上生长铝涂层，在铝涂层上生长氮化铝缓冲层；在氮化铝缓冲层上生长三维氮化镓层；在三维氮化镓层上生长AlGaN位错阻挡层；在AlGaN位错阻挡层生长二维氮化镓层。本发明的制备方法简单，减少氮化镓层中的位错密度，提高氮化镓薄膜的质量。

技术领域

本发明涉及半导体材料生长技术领域，具体涉及一种氮化镓薄膜的外延结构及制备方法。

背景技术

氮化镓（GaN）材料作为第三代半导体，以其带隙宽、热导高、电子饱和漂移速度快、抗辐射能力强及化学稳定性高等特点，在高温高频、光电子器件及大功率微波器件领域具广泛的应用需求。由于氮化镓（GaN）单晶衬底的制备非常困难，大部分GaN基器件都是在异质衬底上通过异质外延的方法进行制备。目前生长氮化镓薄膜材料常用的异质衬底有蓝宝石、硅（Si）、碳化硅（SiC）等。但由于蓝宝石和Si衬底与GaN之间的晶格失配比较大（蓝宝石与GaN的晶格失配16.1%，Si衬底与GaN的晶格失配约17%），生长的GaN单晶具有较高的位错密度和较大的应力。SiC衬底与GaN的晶格失配度小为3.5%，且具有优良的导热性能，导热率达到4.9w/cm∙k，非常适合制作高功率高频率的器件，因此在高频大功率GaN器件材料制备过程中首先SiC作为衬底材料，目前在5G基站的功率放大器（PA）全部采用碳化硅衬底的氮化镓外延片制作。但是，SiC衬底和GaN之间存在3.5%的晶格失配和24%的热失配，会导致SiC衬底上生长的GaN薄膜内存在较大应力和薄晶体缺陷，GaN薄膜内的应力和缺陷会引起后续射频器件的漏电增大，影响其可靠性，因此如何提高SiC衬底上GaN薄膜的晶体质量是改善器件质量的关键问题。

发明内容

针对现有技术中的不足与缺陷，本发明提供一种氮化镓薄膜的制备方法，用于解决碳化硅衬底上生长的氮化镓薄膜内存在大量晶体缺陷及较大的应力问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种氮化镓薄膜的制备方法，至少包括以下步骤：

提供一碳化硅衬底，并对所述碳化硅衬底进行退火处理；

在所述碳化硅衬底上生长铝涂层；

在所述铝涂层上生长氮化铝缓冲层；

在所述氮化铝缓冲层上生长三维氮化镓层；

在所述三维氮化镓层上生长AlGaN位错阻挡层；

在所述AlGaN位错阻挡层上生长二维氮化镓层。

于本发明的一实施例中，在所述铝涂层上生长氮化铝缓冲层至少包括：

在第一生长阶段中，控制生长温度为1070~1110℃，生长压力为50~100mbar；

在第二生长阶段中，控制生长温度从所述第二生长阶段开始至所述第二生长阶段结束升高20~50℃，所述第二生长阶段开始的温度为所述第一生长阶段的生长温度，生长压力为50~100mbar；

在第三生长阶段中：控制生长温度为1100~1150℃，生长压力为50~100mbar。

于本发明的一实施例中，在第一生长阶段中，生长的氮化铝层的厚度为20~35纳米，在第二生长阶段中，生长的氮化铝层的厚度为20~35纳米，在第三生长阶段中，生长的氮化铝层的厚度为50~80纳米。

于本发明的一实施例中，在所述氮化铝缓冲层上生长三维氮化镓层，包括：

控制生长温度为940~990℃，控制生长压力为70~150mbar；

通入镓源三甲基镓和氮源氨气，其中三甲基镓的流量100~200sccm，氨气流量30000sccm，生长过程中Ⅴ/Ⅲ摩尔比大于1500。