氮极性面GaN材料及其制作方法

摘要

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材料结晶质量差、表面形貌粗糙、背景载流子浓度高、制作工艺流程复杂等问题。其材料结构，自下而上包括衬底、ScN成核层、氮极性面GaN外延层。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10nm‑100nm的ScN成核层；用分子束外延方法，在ScN成核层上生长GaN外延层，完成材料制备。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微波毫米波单片集成电路。

说明书

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微波毫米波单片集成电路。

背景技术

以GaN为代表的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、抗辐照等领域具有重要的应用价值。氮化物半导体材料形成的异质结界面具有高面密度和高迁移率特性的二维电子气，非常适合制备高电子迁移率晶体管，应用于固态微波功率放大器和微波毫米波单片集成电路中。目前GaN半导体材料和器件研究主要聚焦于镓极性面，这是由于镓极性面材料易于实现高质量生长，基于镓极性面材料的器件工艺比较成熟。然而，氮极性面GaN材料在提高器件工作频率和输出功率方面有诸多天然优势。氮极性面GaN异质结势垒层在沟道层下方，形成天然的背势垒，可以提高二维电子气限域性，不受器件栅长和势垒层厚度等比例缩小规则限制。同时，GaN沟道层材料位于外延材料顶部，易实现低欧姆接触电阻。

高质量氮极性面GaN材料生长是提高GaN基电子器件性能的主要途径之一。由于氮极性面氮化镓单晶衬底材料尺寸小且价格高，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材料过程会产生高密度位错缺陷，引起器件可靠性退化；

二是氮化镓材料极性控制难度大，易发生极性翻转，出现镓极性GaN材料；

三是生长的氮极性GaN材料背景载流子浓度高，形成体漏电通道降低器件击穿电压；

四是生长的氮极性GaN材料晶体质量差，表面形貌粗糙不光滑，坑状缺陷多；

五是异质外延氮极性GaN材料，需要采用斜切衬底，增加材料外延成本；

六是金属有机物化学气相淀积技术需要富氮生长条件，阻碍了金属原子在薄膜生长表面的迁移能力和扩散长度。

七是氮极性面GaN材料需要采用Fe掺杂补偿背景载流子，增加了工艺控制难度。

八是AlN成核层和GaN缓冲层生长时需要改变生长温度和气流切换，生长过程需要短暂间隔，这会增加背景掺杂杂质的结合。

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材料及其制作方法，以提高氮极性面GaN材料解决质量和表面形貌，降低背景载流子浓度和工艺流程复杂度。

本发明的技术方案是这样实现的：

1、一种氮极性面GaN材料，自下而上包括衬底、成核层和GaN外延层，其特征在于：所述成核层采用ScN，其厚度为10nm-100nm；

所述成核层和GaN外延层采用分子束外延技术生长；

所述衬底采用蓝宝石材料、Si材料和SiC材料中的任意一种材料。

2、一种氮极性面GaN材料的其制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在衬底基片上，利用分子束外延方法在温度为650℃-720℃，氮气流量为2.3sccm，钪束流平衡蒸气压为2.0×10

2)用分子束外延方法，在温度为650℃-720℃，氮气流量为2.3sccm，镓束流平衡蒸气压为5.0×10

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明由于采用ScN作为成核层，可有效实现极性调控和氮极性面GaN外延层。

2.本发明由于采用ScN作为成核层，可有效吸附和俘获异质外延界面处非故意掺杂杂质，降低氮极性面GaN材料背景载流子浓度。

3.本发明采用分子束外延技术生长氮极性面GaN外延层，在富镓条件下易增强金属原子在薄膜生长表面的迁移能力和扩散长度，可提高氮极性面GaN材料结晶质量和表面形貌。

4.本发明中衬底可采用常规非斜切面衬底，降低了材料外延成本。

5.本发明中ScN成核层和GaN外延层生长不间断，减小了非故意掺杂杂质吸附。

6.本发明中氮极性面GaN材料生长不需要采用Fe掺杂补偿背景载流子，生长工艺简单、控制难度低、工艺重复性和一致性高。

附图说明

图1是传统生长氮极性面GaN材料的结构示意图；

图2是本发明采用ScN成核层生长氮极性面GaN材料的结构示意图；

图3是本发明制作氮极性面GaN材料的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行进一步详细描述。

参照图2，本发明的氮极性面GaN材料，自下而上，包括衬底1、成核层2、GaN外延层3。其中成核层采用ScN，厚度为10nm-100nm；成核层和GaN外延层采用分子束外延技术生长；衬底采用蓝宝石材料、Si材料和SiC材料中的任意一种材料；氮极性面GaN外延层的厚度根据实际需求确定。

参照图3，本发明制作氮极性面GaN材料给出如下三种实施例。

实施例一，外延采用10nm厚ScN成核层的SiC衬底上氮极性面GaN材料。

步骤一，外延ScN成核层，如图3(b)。

使用分子束外延技术在SiC衬底上外延厚度为10nm的ScN成核层。

外延ScN成核层采用的工艺条件为：温度为720℃，氮气流量为2.3sccm，钪束流平衡蒸气压为3.0×10

步骤二，外延氮极性面GaN外延层，如图3(c)。

使用分子束外延技术在ScN成核层上外延氮极性面GaN外延层。

外延氮极性面GaN外延层采用的工艺条件为：温度为720℃，氮气流量为2.3sccm，镓束流平衡蒸气压为8.0×10

实施例二，淀积采用100nm厚ScN成核层的Si衬底上氮极性面GaN材料。

步骤1，使用分子束外延技术淀积ScN成核层，如图3(b)。

设定温度为650℃，氮气流量为2.3sccm，钪束流平衡蒸气压为2.0×10

步骤2，使用分子束外延技术淀积氮极性面GaN外延层，如图3(c)。

设置温度为650℃，氮气流量为2.3sccm，镓束流平衡蒸气压为5.0×10

实施例三，生长采用60nm厚ScN成核层的蓝宝石衬底上氮极性面GaN材料。

步骤A，生长ScN成核层，如图3(b)。

使用分子束外延技术，在温度为680℃，氮气流量为2.3sccm，钪束流平衡蒸气压为2.5×10

步骤B，生长氮极性面GaN外延层,如图3(c)。

使用分子束外延技术，在温度为680℃，氮气流量为2.3sccm，镓束流平衡蒸气压为6.8×10

以上描述仅是本发明的三个具体事例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求范围之内。