[发明专利]一种SiC基异质集成氮化镓薄膜与HEMT器件的制备方法

说明书

本申请公开了一种SiC基异质集成氮化镓薄膜与HEMT器件的制备方法，包括获取SiC晶圆；在所述SiC晶圆的Si面上形成SiO₂保护层；对所述SiC晶圆进行不同能量的多次氢离子注入；去除所述SiO₂保护层；对所述SiC晶圆进行退火处理；在所述SiC晶圆的Si面上形成氮化镓薄膜；在所述氮化镓薄膜的表面制备HEMT器件。本申请的SiC基异质集成氮化镓薄膜与HEMT器件的制备方法通过在SiC衬底中引入富氢层对SiC衬底进行改性，实现利用产业成熟、低成本的高掺杂SiC衬底代替传统昂贵的高纯半绝缘SiC衬底作为氮化镓薄膜外延生长的优良支撑材料，可以在提高器件性能的同时大大降低器件的生产成本。

技术领域

本发明涉及信息功能材料与微电子器件的制备，特别涉及一种SiC基异质集成氮化镓薄膜与HEMT器件的制备方法。

背景技术

GaN是一种宽禁带半导体材料，具有3.4eV的直接带隙。GaN材料具有极强的稳定性，室温下不溶于酸和碱，是坚硬的高熔点材料，熔点为1700℃，弹性模量达到398GPa，是工作在恶劣环境(高温、高压、酸碱等)微机电器件(MEMS)的一种理想材料。GaN具有优异的光学特性，可用于制备蓝光二极管(LED)和激光二极管(LD)等器件。

此外，GaN的击穿电场极高(3.3MV/cm)，电子饱和速度大，导通损耗低，基于GaN的电子元器件具有高输出功率和高功率密度、高工作频率和宽频带等极优异的特性，已成为第五代移动通讯网络技术(5G)必不可少的核心材料。

通常，依据当前产业应用的技术背景，GaN材料可以在本征Si、高纯半绝缘SiC、蓝宝石衬底上通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)等方法异质外延生长，并中间优先生长过渡层以辅助生长。一般意义上来说，Si基异质外延受到GaN、Si晶格失配、热失配巨大的限制，严重损害了GaN的晶体质量，位错密度高达10⁸/cm²，GaN器件的性能和可靠性难以保证。另一方面，目前蓝宝石衬底上生长的GaN拥有最好的材料质量，然而，以GaN高迁移率晶体管(HEMT)为元件的高频大功率电子器件在工作时往往产生大量的热量，但蓝宝石衬底薄弱的散热性质使GaN电子器件的性能受到了严重的限制，散热问题已成为蓝宝石基GaN微波功率器件应用和发展的最大瓶颈。综合来说，基于SiC衬底生长GaN薄膜并制备的射频HEMT器件拥有最优的综合性能并为产业界所广泛接受，并应用于手机5G射频前端等需要良好高频性能的射频应用场景当中。此种方法解决了GaN材料的晶格、电性、散热等多方面问题，但是受限于SiC晶圆的成本难以大规模推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种SiC基异质集成氮化镓薄膜与HEMT器件的制备方法，通过在SiC衬底中引入富氢层对SiC衬底进行改性，实现利用产业成熟、低成本的高掺杂SiC衬底代替传统昂贵的高纯半绝缘SiC衬底作为氮化镓薄膜外延生长的优良支撑材料，可以在提高器件性能的同时大大降低器件的生产成本。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种SiC基异质集成氮化镓薄膜与HEMT器件的制备方法，包括如下步骤：

获取SiC晶圆，所述SiC晶圆的Si面晶向为沿[0001]轴或偏4°；

在所述SiC晶圆的Si面上形成SiO₂保护层；

对所述SiC晶圆进行氢离子注入；

去除所述SiO₂保护层；

对所述SiC晶圆进行退火处理；

在所述SiC晶圆的Si面上形成氮化镓薄膜；

在所述氮化镓薄膜的表面制备HEMT器件。

可选地，所述SiO₂保护层的形成方法包括热氧化、等离子体增强化学气相沉积、低压力化学气相沉积中的至少一种。