一种SiC基异质集成氮化镓薄膜与HEMT器件的制备方法

摘要

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。

说明书

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10

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SiO

对所述SiC晶圆进行氢离子注入；

去除所述SiO

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SiO

可选地，所述SiO

可选地，所述氢离子注入的次数为1～5次。

可选地，所述氢离子注入的能量为20keV至2MeV，剂量为1×10

可选地，所述SiO

可选地，所述湿法腐蚀的溶液包括HF、BOE中的至少一种。

可选地，所述退火处理的温度为900℃～1150℃，时间为2～12小时，气氛为氮气、氩气、真空中的至少一种。

可选地，所述氮化镓薄膜的厚度为1～10μm。

可选地，所述在所述氮化镓薄膜的表面制备HEMT器件，包括：

在所述氮化镓薄膜的表面同质外延生长氮化镓缓冲层和氮化镓沟道层；

在所述氮化镓沟道层上生长铝镓氮势垒层；

在所述铝镓氮势垒层上生长介质层、源电极和漏电极，所述源电极和所述漏电极分别位于所述介质层的两端；

在所述介质层上方生长栅电极，所述栅电极位于所述源电极和所述漏电极之间。

采用上述技术方案，本申请所述的SiC基异质集成氮化镓薄膜与HEMT 器件的制备方法具有如下有益效果：

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、低成本的高掺杂导电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SiC基GaN射频器件的大规模应用提供了可行性方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一种可选的SiC基异质集成氮化镓薄膜与HEMT器件的制备方法的流程图；

图2为本申请实施例一种可选的SiC晶圆的示意图；

图3为形成SiO

图4为注入氢离子后的SiC晶圆的示意图；

图5为形成氮化镓薄膜后的SiC晶圆的示意图；

图6为本申请实施例一种可选的HEMT器件的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

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10

请参见图1，图1是本申请实施例一种可选的SiC基异质集成氮化镓薄膜与HEMT器件的制备方法的流程图，该图1中包括：

S1:获取SiC晶圆1，SiC晶圆1的结构如图2所示，其中，SiC晶圆1 的Si面晶向为沿[0001]轴或偏4°；

S2:在SiC晶圆1的Si面上形成SiO

S3:对SiC晶圆1进行氢离子注入，形成富氢层3，结合图4所示；

S4:去除SiO

S5:对SiC晶圆1进行退火处理；

S6:在SiC晶圆1的Si面上形成氮化镓薄膜4，结合图5所示；

S7:在氮化镓薄膜4的表面制备HEMT器件。

作为一种可选的实施方式，SiO

作为一种可选的实施方式，SiO

作为一种可选的实施方式，步骤S3中，氢离子注入的次数为1～5次。

作为一种可选的实施方式，步骤S3中，氢离子注入的能量为20keV至2MeV，剂量为1×10

需要说明的是，若SiC晶圆1的Si面晶向为偏4°，氢离子注入的方向应不与上述的晶轴偏向重合。

作为一种可选的实施方式，步骤S4中，SiO

作为一种可选的实施方式，步骤S4中的湿法腐蚀的溶液包括HF、BOE 中的至少一种。

作为一种可选的实施方式，步骤S5中，退火处理的温度为 900℃～1150℃，时间为2～12小时，气氛为氮气、氩气、真空中的至少一种。

在具体实施中，退火温度随氢离子注入剂量提升而升高。

作为一种可选的实施方式，步骤S6中，氮化镓薄膜4的厚度为1～10μm。

作为一种可选的实施方式，结合图6所示的本申请实施例一种可选的 HEMT器件的示意图，步骤S7具体包括：

S701：在步骤S6形成的氮化镓薄膜4(该图6中未示出氮化镓薄膜4) 的表面同质外延生长氮化镓缓冲层601和氮化镓沟道层602；

S702：在氮化镓沟道层602上生长铝镓氮势垒层603；

S703：在铝镓氮势垒层603上生长介质层604、源电极605和漏电极 606，该源电极605和漏电极606分别位于介质层604的两端；

S704：在介质层604上方生长栅电极607，该栅电极607位于源电极 605和漏电极605之间。

在具体实施中，本申请实施例提供的SiC基异质集成氮化镓薄膜与HEMT 器件的制备方法的具体工艺流程可以如下：

提供SiC晶圆，该SiC晶圆的Si面晶向为沿[0001]轴；利用PECVD于 SiC晶圆的Si面沉积50nm厚的SiO

具体地，HEMT器件的制备工艺包括以下步骤：

沿SiC晶圆的Si面异质外延50nm厚的AlGaN过渡层，而后异质外延 5μm厚的N型氮化镓薄膜；

在氮化镓薄膜上直接同质外延生长氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层，GaN 缓冲层的厚度范围200nm～20μm，GaN沟道层厚度范围50nm～300nm；

在GaN沟道层上生长铝镓氮势垒层，在与GaN沟道层的界面处形成高浓度二维电子气沟道，铝镓氮势垒层的化学结构式为AlxGaxN，其中0

在铝镓氮势垒层上生长介质层，两端生长源电极和漏电极，介质层为 SiNx薄膜材料，用于隔绝栅电极与铝镓氮势垒层直接接触，防止器件工作时漏电；其中，采用电子束蒸发的方法，依次蒸发锑(或锗)/钛/铝/钛/金五种金属材料，形成多层金属，在氮气气氛下经900℃退火30s形成合金并形成欧姆接触，即成为器件的源电极和漏电极；

在介质层上、源电极和漏电极之间，生长栅电极；其中，通过光刻和刻蚀工艺将介质层中间的一部分去掉，采用电子束蒸发镊/铂/金/钛四种金属材料，在450℃下进行600s退火，形成肖特基接触，即形成栅电极，形成完整的HEMT器件。最终，得到一种SiC基异质集成氮化镓薄膜与晶体管的微电子器件。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。