专利名称：一种高晶体质量高阻GaN外延层的生长方法
技术领域：
本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种生长高阻GaN外延层的方法。
背景技术：
GaN基宽禁带半导体材料以其优异的物理化学性质，不仅在短波长发光器件(发 光二极管(LED)，激光器(LD))和探测器方面有重要应用，而且在研制高温、高频、大功率微 波电子器件方面也有重要应用。由于强极化电场效应，在AlxGai_xN/GaN异质结构中会产生 高浓度的高迁移率二维电子气，因此基于该异质结构的GaN基高迁移率晶体管(HEMT)在微 波功率器件应用方面极具优势。由于在GaN基HEMT器件应用非高阻GaN会使器件的源漏电流除了从沟道层通过 以外，还会有部分电流经沟道下面的GaN到达器件的漏极，导致器件中的并行电导，使器件 的夹断特性和频率特性恶化，而且会在器件中产生额外的热量，因此GaN基HEMT器件必须 采用高阻GaN，可以说，高阻GaN外延层是研制GaN基微波电子器件的基础。目前，用M0CVD生长GaN外延层常用的“两步法”工艺过程一般分为以下四个阶 段(1)烘烤阶段氧气(H2)氛下，在1100°c高温烘烤衬底5分钟；(2)成核阶段降温至530°C并以三甲基镓和氨气为源生长低温GaN成核层，厚度 为 20nm ；(3)退火阶段在250秒内将温度升高到1050°C并恒温退火140秒；(4)外延生长阶段通入三甲基镓和氨气，快速生长外延层GaN外延层。由于衬底的限制和GaN基半导体材料本身的物理学化学特性，目前使用外延 技术制备的GaN外延层中存在大量浅施主杂质，导致较高的背景电子浓度(可高达 1017-1018cm-3) 0因而要获得高阻的GaN外延层，必须引入缺陷能级来补偿。目前国际上常用 的制备高阻GaN的方法有离子注入，P型杂质补偿法等。离子注入法是用高能重离子来轰击已制备好的GaN样品，使样品产生晶格损伤， 引入大量的缺陷能级和补偿中心，该方法技术复杂，仅适用于器件隔离。P型杂质掺杂法则是通过在GaN生长过程掺入受主杂质，如Fe等直接生长出高阻 GaN。这种方法可以实现高阻材料生长的稳定性和可重复性，但是由于掺入的杂质如Fe等 有非常强的记忆效应，会给系统造成长久污染，而且会极大地影响在高阻GaN上继续生长 的器件结构的电学性能，因而需要额外的专门设备来制备高阻GaN，成本高昂。相比于以上两种方法，通过调整M0CVD生长条件，引入大量的刃型位错密度来补 偿GaN中的背景电子浓度，从而实现非掺杂高阻GaN的生长，具有重要的技术价值。但是目 前，基于常规的“两步法”应用这种方法，生长的高阻GaN外延层中位错密度很高，将不可避 免的对进一步生长的器件结构的中的沟道电子产生强烈散射，严重影响器件性能的提高， 而且采用这种方法来制备高阻GaN，其重复性和可靠性在实际应用时面临挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种重复性好，晶体质量高的高阻GaN外延层的生长方法。本发明所述的方法是在蓝宝石衬底上制备高晶体质量高阻非掺杂GaN外延层的 方法，在常规的“两步法” GaN生长工艺基础上，在衬底上生长GaN低温成核层前，增加低温 AlN的预沉积和退火步骤，实现通过阻碍蓝宝石衬底中氧原子向GaN层的扩散而降低GaN中 需被补偿的背景电子浓度和调控高温GaN外延生长模式的目的。本发明所述的方法包括以下步骤1)衬底烘烤；2)低温沉积AlN并退火；3)低温沉积GaN并退火；4) GaN高温外延生长。其中所述步骤2)的低温AlN的生长温度为520-750°C，压力30_100Torr ；退火温 度为1090-1150°C，退火时间为50-1200秒；AlN层的厚度为5_40nm。所述步骤4)GaN的高温外延生长采用二维生长模式；外延生长的温度为 IO5O-IO7CTC,生长压力 8O-3OOTorr15所述步骤1)的烘烤温度为1080-1100°C ；所述步骤3)低温沉积GaN的温度为530_560°C，厚度为15_25歷，退火温度为 1050-1070°C，退火时间为 50-140 秒；在本发明方法中，其它条件采用常规的“两步法”GaN生长条件即可。预沉积AlN层的原料是本领域常用的沉积低温AlN的原料，如三甲基铝，三乙基铝 和氨气等。在常规GaN外延层的生长中，本领域技术人员一般会采用较高的V/III比(V族源 和III族源的摩尔比)来进行GaN的高温外延生长；在本发明中，为减少GaN外延层中的N 空位，达到更好的高阻效果，一般也采用较高的V/III比，如对竖直流MOCVD系统，V/III比 可高于2000。本发明通过控制AlN的厚度(5-40nm)，控制GaN高温外延生长为完全二维生长 模式，即没有GaN成核岛的聚合导致的从三维生长模式到二维模式的转变过程(如图2所 示)，从而在生长GaN外延层时引入适量的刃型位错来实现高阻GaN外延层。本发明通过预沉积AlN层，阻碍蓝宝石衬底中氧离子向GaN层的扩散，减少GaN中 氧杂质的浓度，制备出高阻GaN，为了更好的利用GaN材料体系的极化效应来研制高性能电 子器件，所用蓝宝石衬底优选蓝宝石衬底(0001)晶面。本发明所述的方法适用于利用MOCVD和MBE法生长高阻GaN的系统，由于MOCVD 法更适用于工业生产，优选MOCVD生长方法。本发明在常规的“两步法”GaN生长工艺基础上，通过在蓝宝石衬底上预沉积低温 AlN并退火处理(简称为“A1N预处理”)，降低GaN中氧杂质的浓度，减少需要被补偿的背 景电子浓度，进而仅需在GaN外延层中引入较少的刃型位错，即可获得高阻GaN外延层，从 而实现非掺杂高晶体质量高阻GaN外延层的生长，获得极高电阻率非掺杂GaN外延层材料。 同时，通过在蓝宝石衬底上的“A1N预处理”来有效降低GaN外延层中氧杂质含量，增加了 MOCVD材料生长参数控制的自由度，从而极大地增加高阻GaN制备工艺的稳定性和可靠性。
具体的说，在高温H2清洗过程完成后先生长一层低温A1N，并进行退火，将带来以 下优点一是有效降低蓝宝石的氧向GaN中的扩散，从而降低GaN中需要被补偿的背景电子 浓度；二是“A1N预处理”工艺步骤的加入，结合常规的GaN低温成核层工艺，将更加有效的 释放GaN中的应力，进而可以保证GaN外延层具备较好的表面形貌和较少的位错密度，获得 高晶体质量的GaN外延层材料。因此，在优化好的“A1N预处理”工艺基础上，GaN高温外延 条件具有很大的可调整窗口，对采用常规“两步法”方法生长GaN时需要精细控制的温度、 反应室压力、生长速率、源的流量等参数要求宽松，实现的GaN外延层电阻率高，重复性及 可控性极好。采用该方法制备的高阻GaN外延层材料的电阻率常温下远大于107Q.cm，3iim x3um区域表面平整度(RMS)达0. 2-0. 3nm，表面平整；其位错密度较低(X射线衍射《扫 描(102)摇摆曲线半高宽可控制到约eOOarc sec)，较常规刃型位错补偿高阻GaN(X射线衍 射《扫描(102)摇摆曲线半高宽通常高于800arc sec)中位错密度低40_50%。采用该高质量高阻GaN模板生长的HEMT器件用AlxGai_xN/GaN异质结构室温电子 迁移率大于1500cm2/V. s,电学性质良好。该高阻GaN生长工艺重复性极好，符合工业应用要求。本发明方法简单易行，与现 有M0CVD生长GaN基HEMT材料结构的工艺过程兼容，对M0CVD系统不会造成任何污染。
图1A1N预处理工艺对GaN中氧含量的二次离子谱的影响，其中红线为未采用A1N 预处理工艺的GaN(普通)的二次离子谱；黑线为采用A1N预处理工艺的GaN的二次离子 谱；显然采用A1N预处理的GaN中氧信号的强度远低于普通GaN中的强度，表明采用A1N预 处理的GaN中氧含量显著降低。图2典型高质量高阻GaN外延层生长过程的原位激光反射谱监测示意图。a_b "A1N预处理” (A1N pretreatment) ；c-d 低温GaN生长；d-e :GaN升温退火(240秒内将温 度升高到1060°C并恒温100秒)；e-f :GaN高温外延初始阶段快速二维生长模式。图3典型高质量高阻GaN外延层表面原子力显微镜(AFM)形貌图。
具体实施例方式以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例1高晶体质量高阻GaN外延层生长，按照以下条件分别制备3炉样品，显示“A1N预 处理”优化过程，另外按照常规条件(即省略以下2)、3)步骤)制备1炉样品1)用 M0CVD 设备(3X2”Thomas Swan Close Coupled ShowerheadMOCVD)，衬底采 用(0001)面的蓝宝石衬底，通入H2，反应室压力为300Torr，在1090°C下烘烤5min，清洗衬 底；2)降温到630°C，通入三甲基铝和氨气，H2作为载气。反应室压力为60Torr，生长 低温A1N，生长厚度分别为10，16，28nm。3)保持反应室压力为60TOrr，停止通三甲基铝，继续通入氨气，用240秒时间将温 度升至iioo°c，退火3oo秒。
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4)降温到530°C，通入三甲基镓和氨气，H2作为载气。反应室压力调整为300Torr， 生长低温GaN，生长厚度为20nm。5)停止通三甲基镓，继续通入氨气，反应室压力调整为200Torr，用240秒时间将 温度升至1060°C，退火100秒。6)通入氨气和三甲基镓，以氨气160mmol/min、三甲基镓75mol/min的流量(即V/ III比为2130)，保持反应室压力200Torr，温度1060°C的条件，高温外延生长GaN，厚度为 1. 6 u m。实验数据总结 上述3炉中的AlN(16nm)样品与常规条件制备的1炉样品的二次离子谱见图1所 示，显然“A1N预处理”能显著降低GaN中外延层中的氧含量。在保持高温退火时间一定(300秒)的情况下，实验中3炉GaN样品高温外延阶段 均为二维生长模式(同图2所示)，所制备的GaN外延层，其方块电阻均远大于1011 Q /sq (仪 器测量极限)，均为高阻GaN。随着“A1N预处理”工艺中低温A1N的厚度的增加，所长的高阻GaN外延层具有不 同的晶体质量。当A1N的厚度为16nm时，对应的GaN外延层中位错密度最低(刃型位错密 度远低于其它两个GaN样品)，且具有非常好的表面形貌(如图3所示)，3 y m x3 y m区域 表面粗糙度(RMS)仅为0. 26nm。实施例2高晶体质量高阻GaN外延层生长，保持A1N生长条件不变，改变A1N退火时间，制 备两炉样品1)用 M0CVD 设备(3X2”Thomas Swan Close Coupled ShowerheadMOCVD)，衬底采 用(0001)面的蓝宝石衬底，通入H2，反应室压力为300Torr，在1090°C下烘烤5min，清洗衬 底；2)降温到680°C，通入三甲基铝和氨气，H2作为载气。反应室压力为75Torr，生长 低温A1N，生长厚度为25nm。3)停止通三甲基铝，继续通入氨气，调整反应室压力为lOOTorr，用240秒时间将 温度升至1110°C，退火时间分别为100、800秒。4)降温到530°C，通入三甲基镓和氨气，H2作为载气。反应室压力调整为300Torr， 生长低温GaN，生长厚度为20nm。5)停止通三甲基镓，继续通入氨气，反应室压力调整为200Torr，用240秒时间将 温度升至1060°C，退火100秒。6)通入氨气和三甲基镓，以氨气160mmol/min、三甲基镓75mol/min的流量(V/ III比为2130)，保持反应室压力200Torr，温度1060°C的条件，高温外延生长GaN，厚度为 1. 6 u m。
实验数据总结 在“A1N预处理”工艺中低温A1N的厚度保持相同(25nm)时，改变A1N退火时间也 可获得不同的晶体质量的高阻GaN外延层，当退火时间为800s时，对应的GaN外延层中位 错密度较低。
权利要求
一种高阻GaN外延层的生长方法，其特征在于，在蓝宝石衬底上生长GaN低温成核层前，增加AlN的预沉积和退火过程，包括以下步骤1)衬底烘烤；2)低温沉积AlN并退火；3)低温沉积GaN并退火；4)GaN高温外延生长。
2.如权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述步骤2)的低温A1N的生长温度为 520-750°C，压力 30-100Torr ；退火温度为 1090-1150°C，退火时间为 50-1200 秒。
3.如权利要求1或2所述的生长方法，其特征在于，所述步骤2)的A1N层的厚度为 5-40nmo
4.如权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述步骤4)GaN高温外延生长采用二维 生长模式。
5.如权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述步骤1)的烘烤温度为 1080-1100°C。
6.如权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述步骤3)低温沉积GaN的温度为 530-560°C，厚度为15-25nm，退火温度为1050_1070°C，退火时间为50-140秒。
7.如权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述步骤4)的GaN高温外延生长的温 度为 1050-1070°C，生长压力 80-300Torr。
8.如权利要求8所述的生长方法，其特征在于，所述蓝宝石衬底是(0001)面蓝宝石衬底。
9.如权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述生长方法为M0CVD生长方法。
全文摘要
本发明涉及一种生长高晶体质量高阻GaN外延层的方法。本发明通过在蓝宝石衬底上预沉积低温AlN并退火处理(简称为“AlN预处理”)，降低GaN中氧杂质的浓度，减少需要被补偿的背景电子浓度，因此仅需在GaN外延层中引入较少的刃型位错来补偿即可获得高阻GaN外延层。采用该方法制备的高阻GaN外延层材料的电阻率常温下远大于107Ω.cm，3μm x3μm区域表面粗糙度(RMS)达0.2-0.3nm，表面平整；其X射线衍射ω扫描(102)摇摆曲线半高宽可控制到约600arc sec，较常规刃型位错补偿高阻GaN中位错密度低40-50％；该高阻GaN生长工艺重复性极好，符合工业应用要求。本发明方法简单易行，且对MOCVD系统不会造成任何污染。
文档编号C23C16/02GK101871098SQ20091008289
公开日2010年10月27日 申请日期2009年4月22日 优先权日2009年4月22日
发明者唐宁, 宋杰, 张国义, 杨志坚, 沈波, 王新强, 苗振林, 许福军 申请人:北京大学