[发明专利]氮极性面GaN材料及同质外延生长方法

说明书

本发明公开了一种氮极性面GaN材料及其制作方法，主要解决现有氮极性面GaN材料位错密度高、表面形貌差、非故意掺杂背景载流子浓度高、生长工艺控制难度大的问题。其材料结构自下而上包括衬底(1)、过渡层(2)、GaN外延层(3)，其中过渡层采用InAlN或ScAlN或YAlN，衬底采用非斜切面的氮极性面氮化镓单晶。其制作步骤为：在衬底基片上，利用分子束外延方法生长厚度为1nm‑10nm的过渡层；用分子束外延方法，在过渡层上生长GaN外延层。本发明材料结晶质量高，表面形貌光滑，背景载流子浓度低，生长工艺简单，工艺重复性和一致性高，可用于制作高电子迁移率晶体管和高速微波整流二极管。

技术领域

本发明属于半导体材料生长领域，特别涉及一种氮极性面GaN半导体材料，可用于制作高电子迁移率晶体管和高速微波整流二极管。

背景技术

III族氮化物半导体材料在高频、大功率、高效率、耐高温、耐高压、抗辐照等领域应用中体现出独一无二的优势，适合制备固态微波功率器件和微波毫米波单片集成电路。经过近三十年的深入研究，GaN基高电子迁移率晶体管的性能和可靠性取得了提升，已经在5G通信基站和雷达探测中得到了应用。目前氮化物半导体材料和器件的研究和应用主要基于镓极性面氮化物材料，这是由于镓极性面材料外延生长技术成熟，易于实现高质量生长，并且建立了标准的镓极性面材料器件工艺流程。为进一步提高GaN基高电子迁移率晶体管的工作频率和输出功率，采用氮极性面氮化物材料是主要的技术途径之一。

氮极性面GaN异质结材料中，势垒层在沟道层下方天然形成背势垒，可以提高二维电子气限域性，且不受器件栅长和势垒层厚度等比例缩小规则限制。氮极性面GaN异质结材料中GaN沟道位于外延材料顶部，易实现低欧姆接触电阻。目前，氮极性面GaN材料常在SiC等其它衬底材料上采用金属有机物化学气相淀积技术异质外延获得。常规方法生长的氮极性面GaN材料结构，如图1所示。其自下而上包括衬底、AlN成核层、GaN缓冲层和氮极性面GaN材料。该材料存在以下缺点：

一是异质外延氮极性面GaN材料中存在高密度位错缺陷，会引起器件可靠性退化，材料表面形貌粗糙，坑状缺陷多；

二是异质外延氮极性面GaN材料易发生极性翻转，极性控制难度大；

三是异质外延的氮极性面GaN材料背景载流子浓度高，会形成体漏电通道，降低器件击穿电压；

四是金属有机物化学气相淀积技术异质外延氮极性面GaN材料，需要采用斜切面衬底，增加材料外延成本；

五是金属有机物化学气相淀积技术异质外延氮极性面GaN材料，需要富氮生长条件，该条件阻碍了金属原子在薄膜生长表面的迁移能力和扩散长度。

六是金属有机物化学气相淀积技术异质外延氮极性面GaN材料，需要采用Fe掺杂补偿其中的背景载流子，增加了生长工艺控制难度和寄生污染。

七是异质外延氮极性面GaN材料时，AlN成核层和GaN缓冲层生长时需要改变生长温度并切换气流，生长过程需要短暂停顿和间隔，这会增加氮极性面GaN材料中背景掺杂杂质浓度。

发明内容

本发明目的在于针对上述已有技术的缺点，提出一种氮极性面GaN材料及同质外延生长方法，以提高氮极性面GaN材料晶体质量和表面形貌，降低背景载流子浓度和生长工艺控制难度。

本发明的技术方案是这样实现的：

1、一种氮极性面GaN材料，包括衬底和GaN外延层，其特征在于：衬底与GaN外延层之间设有过渡层，该过渡层采用InAlN，或ScAlN，或YAlN，其厚度为1nm～10nm；

所述衬底采用非斜切面的氮极性面氮化镓单晶。

2、一种氮极性面GaN材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：