高击穿电压氮化镓功率材料的外延方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种高击穿电压氮化镓功率材料的外延方法。

背景技术：

半导体功率器件是控制电能产生、传输、转换和存储的核心技术。世界上超过70％的电力应用由半导体功率器件控制，其被广泛地应用于现代社会的生产生活中，包括日常消费类电子产品及大型数据中心的电源管理，新能源汽车、高速铁路、城市轨道交通、船舶推动、工业电机驱动器、智能电网与光伏电子、风力发电等领域。如今能源已成为限制人类社会发展的瓶颈因素，因此对高效率的电力电子器件的需求非常急迫。尤其是在大数据时代和新能源应用阶段，高效节能的新材料技术的应用价值和应用范围更加不可估量。

以氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、本征载流子浓度低、在高温操作下器件性能非常稳定、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越性质。这些优点使得GaN基宽禁带半导体器件在大功率、低损耗、高温高可靠性、小型化、抗辐照等方面具有无法比拟的优势，是功率电子行业未来的发展方向。GaN基功率器件是目前国际上大力发展的前沿热点技术，也是我国能源发展中迫切需要的关键电力电子技术的核心。

为了提高氮化镓基功率器件性能，运用应力工程降低外延材料的位错密度、提高晶体质量以及高击穿电压，设计及优化材料结构是氮化镓功率材料面临的主要技术难题。虽然理论上GaN材料击穿电压值很高，但是目前的GaN功率开关器件的耐高压能力远不及理论计算的击穿电压值。其中GaN与衬底界面之间存在大量位错缺陷，对GaN功率器件的高压击穿电压特性有着重要的影响。因此针对该漏电流机制，消除界面缺陷态，提高氮化镓器件材料的击穿电压特性是十分重要的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种高击穿电压氮化镓功率材料的外延方法，能够提高形成的氮化镓材料的击穿电压特性。

为了解决上述问题，本发明提供了一种高击穿电压氮化镓功率材料的外延方法，包括：提供衬底；在所述衬底表面形成缓冲层；对所述缓冲层进行离子注入，使所述缓冲层与衬底之间的界面态绝缘化；在所述缓冲层表面形成氮化镓层。

可选的，所述缓冲层的材料包括氮化铝、氮化铝镓或氮化镓的一种或几种。

可选的，所述缓冲层为单层或多层结构。

可选的，所述缓冲层的厚度为10纳米～5微米。

可选的，采用金属有机物化学气相沉积工艺、分子束外延工艺、氢化物气相外延工艺或原子层外延工艺形成所述缓冲层。

可选的，所述离子注入的元素包括氧、氮、氦、氟、硼或氩中的一种或几种。

可选的，所述离子注入的能量范围为10KeV～1000KeV。

可选的，所述离子注入的剂量范围为1×10¹²cm^-2～1×10¹⁹cm^-2。

可选的，采用所述金属有机物化学气相沉积工艺、分子束外延工艺、氢化物气相外延工艺或原子层外延工艺形成所述氮化镓层。

可选的，所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、铝酸锂、氮化铝或氮化镓。

本发明提出的氮化镓材料的外延方法利用离子注入技术进行界面隔离，使衬底和缓冲层之间的界面态绝缘化，消除氮化镓基功率器件缓冲层和衬底之间的界面缺陷态，减小漏电流，提高器件击穿电压特性，利于氮化镓基功率材料的规模化制备。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式的高击穿电压氮化镓功率材料的外延方法的流程示意图；

图2至图5为本发明一实施例的高击穿电压氮化镓功率材料的形成过程的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的高击穿电压氮化镓功率材料的外延方法的具体实施方式做详细说明。

请参考图1，为本发明一具体实施方式的所述高击穿电压氮化镓功率材料的外延方法的流程示意图。

步骤S101：提供衬底。

所述衬底的材料可以为蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、铝酸锂、氮化铝或氮化镓等。并且在进行后续工艺之前，需要对衬底表面进行充分清洗。所述衬底的尺寸可以是2英寸、4英寸、6英寸、8英寸或12英寸。

步骤S102：在所述衬底表面形成缓冲层。

所述缓冲层用于缓解后续待形成的氮化镓层与衬底之间的应力，减少后续形成的氮化镓层内的位错等缺陷。

所述缓冲层的晶格常数通常介于衬底和后续待形成的氮化镓层之间，所述缓冲层既可以是单层结构，也可以是由不同材料层组成的多层结构。所述缓冲层的材料包括氮化铝、氮化铝镓或氮化镓的一种或几种。在本发明的一个具体实施方式中，从衬底表面至缓冲层顶部，所述缓冲层的晶格常数，逐渐接近氮化镓材料的晶格常数，使得所述缓冲层内的晶格常数逐渐发生变化，以减少缺陷的产生。

为了起到足够的应力缓冲效果，所述缓冲层的厚度为10纳米～5微米。

在本发明的具体实施方式中，可以采用金属有机物化学气相沉积工艺、分子束外延工艺、氢化物气相外延工艺或原子层外延工艺等外延工艺形成所述缓冲层。但是由于缓冲层与衬底界面上也会存在一定缺陷，导致界面态存在，产生界面电荷，容易引起漏电流。

步骤S103：对所述缓冲层进行离子注入，使所述缓冲层与衬底之间的界面态绝缘化。

通过注入离子，吸附缓冲层与衬底之间的界面电荷或者缺陷，使界面态密度下降，实现界面态绝缘化。所述离子注入的元素包括氧、氮、氦、氟、硼或氩中的一种或几种。所述注入离子位于缓冲层内，还可以部分位于衬底表面附近。

为了使得注入离子进入缓冲层的一定深度并到达所述衬底与缓冲层的界面，需要使得注入离子具有一定的能量。在一个具体实施方式中，所述离子注入的能量范围为10KeV～1000KeV。为了确保所述离子注入，能够将界面态绝缘化，所述离子注入的剂量范围为1×10¹²cm^-2～1×10¹⁹cm^-2。

步骤S104：在所述缓冲层表面形成氮化镓层。可以采用金属有机物化学气相沉积工艺、分子束外延工艺、氢化物气相外延工艺或原子层外延工艺形成所述氮化镓层。

通过离子注入，使得衬底与缓冲层之间的界面态绝缘化之后，再在所述缓冲层表面形成氮化镓层，可以消除氮化镓基功率器件的缓冲层与衬底之间的界面缺陷态，减小漏电流，提高器件击穿电压特性。并且离子注入的工艺易于操作，便于规模化制备高击穿电压的氮化镓功率材料。

请参考图2至图5，为本发明形成高击穿电压氮化镓功率材料的实施例。

请参考图2，提供衬底200，该实施例中，所述衬底200为8英寸硅片，晶向<111>。首先依次将硅衬底进行有机溶剂清洗、氢氟酸腐蚀、去离子水冲洗及氮气烘干，使所述硅衬底表面彻底清洁。

请参考图3，在所述衬底200表面形成缓冲层300。

该实施例中，将所述衬底200放入金属有机物化学气相沉积反应腔体内，将生长温度升至1100℃～1150℃，并向反应腔体内通入：三甲基铝(TMAl)，流量为50μmol/min～180μmol/min；三甲基镓(TMGa)，流量为80μmol/min～220μmol/min；N源为氨气，流量为5slm～50slm；氢气和氮气为载气，流量为10slm～80slm。

依次生长150nm的氮化铝层、100nm的铝组分为75％的氮化铝镓层、150nm的铝组分解为50％的氮化铝镓层和350nm的铝组分为25％的氮化铝镓层，以上四层构成多层结构的缓冲层300，其中，铝组分为铝的摩尔比，可以通过调节通过气体中三甲基铝的比例，调整形成的氮化铝镓层中铝的组分大小。随着铝组分的逐渐减小，所述缓冲层300内的晶格常数逐渐发生变化，接近后续待形成的氮化镓的晶格常数。

请参考图4，对所述缓冲层300进行离子注入，使所述缓冲层300和衬底200之间的界面态绝缘化。

该实施例中，离子注入的元素为氮，注入能量为350KeV，剂量为1×10¹⁵cm^-2。该工艺消除了缓冲层300和衬底200之间的界面态，使界面态绝缘化，极大减小了界面漏电流。该实施例中，缓冲层300以及衬底200表面附近均注入了氮。

请参考图5，采用金属有机物化学气相沉积工艺在所述缓冲层300表面形成氮化镓层400。反应腔生长压力为60mbar～600mbar，生长温度为980℃～1050℃，通入：三甲基镓，流量为80μmol/min～220μmol/min；N源为氨气，流量为5slm～50slm；氢气和氮气为载气，流量为10slm～80slm。

上述氮化镓材料的外延方法利用离子注入技术进行界面隔离，使衬底和缓冲层之间的界面态绝缘化，消除氮化镓基功率器件缓冲层和衬底之间的界面缺陷太，减小漏电流，提高器件击穿电压特性，利于氮化镓基功率材料的规模化制备。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。