一种GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法

摘要

本发明提供了一种高晶体质量的GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法，该方法是以Al2O3、SiC或Si为衬底，在衬底经高温氮化后，依次于750～780℃下高温生长AlN成核层，于720～730℃下低温三维生长GaN成核层，再于750～780℃下高温二维生长GaN外延层，继续外延生长GaN的同时，实行原位金属Fe、Cr或Mg掺杂，制备出高位错密度、相对粗糙的GaN绝缘层。此后采用AlGaN/GaN超晶格或多周期间歇式原子层脉冲沉积法，生长GaN过渡层，最后在720～730℃、高III/V比条件下生长出高晶体质量、表面光滑的GaN外延层。以用本发明方法制备的这种GaN绝缘或半绝缘外延层为衬底材料，可生长微波器件结构。

说明书

技术领域

本发明涉及一种GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法。

背景技术

氮化镓(GaN)是继Si、GaAs之后的第三代半导体，具有宽禁带(3.5eV)、高击穿场强(3×10⁶V/cm)、高电子饱和漂移速率(3×10⁷cm/s)、高热导率。此外，GaN材料非常坚硬，有稳定的化学性质，耐高温、耐腐蚀，导热性好，具有良好的抗辐射特性和优异的高温工作特性。这使得GaN成为能在恶劣环境下工作的大功率、高速、高频(微波)、高温电子器件的良好基材。但绝缘GaN材料生长有个难点，通常GaN材料背底电子浓度很高，难以直接得到绝缘或半绝缘的GaN外延层。作为功率器件，GaN衬底绝缘性能不好容易造成击穿电压降低、高频漏电、引起器件失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能、高质量的GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法，本发明采用的制备方法是分子束外延原位掺杂法，用该方法制备的GaN绝缘或半绝缘外延层的性能参数可达到：载流子浓度≤1×10¹⁴cm^-2，X射线衍射(002)面摇摆曲线的半高宽≤0.15°，5μm×5μm范围内表面平整度≤0.3nm。

实现本发明目的的技术方案是一种GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法，即采用分子束外延原位掺杂法，其具体步骤如下：

(1)在反应生长室中，以Al₂O₃、SiC或Si为衬底，于800～850℃温度下对衬底进行高温氮化10～30分钟；

(2)于750～780℃下高温生长10～20nm的AlN缓冲层。

(3)于720～730℃下低温生长20～40nm的的三维GaN成核层；

(4)于750～780℃下高温生长100～150nm的的二维GaN外延层；

(5)继续外延生长GaN的同时实施原位掺杂金属Fe、Cr或Mg，生长出相对粗糙、厚度为0.5～2μm的GaN绝缘层。

生长完GaN绝缘层后，采用AlGaN/GaN超晶格或多周期间歇式原子层脉冲沉积法，生长GaN过渡层，以调制GaN绝缘层的应力分布，阻止和减少绝缘层中的穿透位错延伸到外延层。然后在720～730℃、高III/V比条件下生长出高晶体质量、表面光滑的GaN外延层，其厚度不超过1μm。

AlN缓冲层采用脉冲原子层沉积生长法生长。这样可以减小衬底和GaN之间的晶格参数失配率，提高GaN外延层的晶体质量。而且，AlN缓冲层的生长是在高温氮化后的衬底上先生长单原子层Al调制极性，然后N、Al交替进入反应生长室生长AlN缓冲层。

上述所用脉冲原子层沉积生长法是Ga或Al金属源与N源分别以脉冲模式，先后进入反应生长室生长出GaN层或AlN层。

而且在实施原位掺杂时采用局部δ掺杂和/或间隔掺杂和/或连续掺杂的方法。优选的原位掺杂金属Fe、Cr或Mg是在500～730℃的循环温度状态下实施间隔循环原位掺杂，即温度降至500～600℃范围时掺杂，温度升至600～730℃范围时则停止掺杂，循环进行。

而且，在制备过程中，于720～730℃下生长三维GaN成核层后逐渐过渡到750～780℃下生长二维GaN外延层。

由上述技术方案可知，本发明在衬底经高温氮化后，依次高温生长AlN成核层，低温生长三维GaN成核层，再高温生长二维GaN外延层，继续外延生长GaN的同时，实施原位过渡金属(Fe和Cr)掺杂，制备高位错密度，相对粗糙的GaN绝缘外延层。然后采用AlGaN/GaN超晶格或多周期间歇式原子层脉冲沉积法，生长GaN过渡层。最后，在高III/V比条件下二维生长低位错密度、表面光滑的GaN外延层。且以这种GaN绝缘或半绝缘外延层为衬底，可生长微波器件结构。

在上述过程中用到的脉冲原子层沉积生长法，是Ga或Al金属源与N源分别以脉冲模式，先后进入反应生长室生长出GaN层或AlN层，这样可以增强III族金属原子在生长表面的迁移，在与N原子结合之前找到能量最低点，从而有利于薄膜的二维生长，有效提高每一层材料的晶体质量，同时还能既降低GaN绝缘外延层的应力，又阻挡位错延伸。

经测试，用本发明方法制备的GaN绝缘或半绝缘外延层的性能参数可达到：载流子浓度≤1×10¹⁴cm^-2，XRD(002)摇摆曲线的半高宽(FWHM)≤0.15°，5μm×5μm范围内表面平整度(RMS)≤0.3nm的高质量GaN绝缘或半绝缘外延层。

附图说明

图1是用本发明方法制备的GaN绝缘或半绝缘外延层的示意图。

图2是原位掺杂Fe金属元素获得的GaN绝缘层的原子力显微镜图片。

图3是生长完GaN绝缘层后再采用AlGaN/GaN超晶格过渡，生长的高质量的GaN外延层的原子力显微镜图片。

图4是本发明方法制备的高晶体质量绝缘GaN外延层的截面透射电镜(TEM)图片。

图5是本发明方法制备的高晶体质量绝缘GaN外延层的截面高分辨透射电镜(HRTEM)图片。

具体实施方式

选择两英寸的Al₂O₃、SiC或Si作为衬底，在生长之前衬底在810℃下清洁10分钟。将衬底置于反应生长室中，衬底在800～850℃温度范围内的任一温度下高温氮化10～30分钟，本实施例具体为810℃，然后在750～780℃温度范围内的任一温度下高温生长10～20nm的AlN(Al/N＞1)缓冲层，本实施例是在765℃下生长了10nm AlN缓冲层，再在720～730℃温度范围内的任一温度下低温生长20～40nm的三维GaN成核层，本实施例是在720℃下生长了20nm的GaN成核层，然后将温度逐渐升高到750～780℃温度范围内的任一温度下高温生长100～150nm的二维GaN外延层，本实施例是逐渐升高到760℃生长了100nm的二维GaN外延层。接着继续外延生长GaN的同时实施原位掺杂金属Fe、Cr或Mg(本实施例以Fe为例)，生长出相对粗糙、厚度为0.5～2μm(实施例生长了1μm)的GaN绝缘层(参见图2)，在实施原位掺杂时可采用局部6掺杂和/或间隔掺杂和/或连续掺杂的方法。本实施例中是在550℃实行连续原位掺杂。通过实验，也可以在500～730℃的循环温度状态下实行间隔循环原位掺杂，即温度降至500～600℃范围时掺杂，温度升至600～730℃范围时则停止掺杂，循环进行。生长完GaN绝缘层后，采用AlGaN/GaN超品格或多周期间歇式原子层脉冲沉积法，生长得GaN过渡层，以阻止和减少绝缘层中的穿透位错延伸到外延层(实施例采用了AlGaN/GaN超晶格结构)。最后，在720～730℃、高III/V比条件下生长出高晶体质量、表面光滑的GaN外延层(参见图3，RMS＝0.2nm，现有技术一般在0.3nm左右)，其厚度不超过1μm。采用本发明所制备的GaN绝缘或半绝缘外延层的示意图见图1，图1中从下至上各层分别为衬底7，AlN缓冲层6，低温生长的三维GaN成核层5，高温生长的二维GaN外延层4，GaN绝缘层3，AlGaN/GaN超晶格2，高晶体质量、表面光滑的GaN外延层1。图4、图5分别是本发明方法制备的高晶体质量绝缘GaN外延层的截面透射电镜(TEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)图片，图片显示用本发明的制备方法可得到高晶体质量、表面光滑的GaN绝缘或半绝缘外延层。