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CN113936993A - 一种氮化镓器件的制备方法 - Google Patents

一种氮化镓器件的制备方法 Download PDF

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CN113936993A CN202110996352.7A CN202110996352A CN113936993A CN 113936993 A CN113936993 A CN 113936993A CN 202110996352 A CN202110996352 A CN 202110996352A CN 113936993 A CN113936993 A CN 113936993A
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汪琼
黄永
程晨言
陈兴
王东
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Abstract

本发明公开了一种氮化镓器件的制备方法，包括如下步骤：采用化学气相沉积法在衬底上生长氮化铝界面层；其中，化学气相沉积反应室中的铝源和氨气均为脉冲方式通入，且在每一个通入氨气的时间段中，铝源均存在通入和关闭两种状态，在每一个关闭氨气的时间段中，铝源均处于通入状态；在氮化铝界面层上依次生长高阻层、沟道层和势垒层；高阻层为氮化镓层或者铝镓氮层。通过该发明中的方法，能够提高制备得到的氮化铝界面层也即氮化镓器件的质量，且制备效率较高。

Description

一种氮化镓器件的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及到一种氮化镓器件的制备方法。
背景技术
随着微电子技术的发展，以氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料有更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场和较高的电子饱和漂移速度、稳定的化学性能、以及耐高温和抗辐射等物理性质，用氮化镓材料制作电子器件可以进一步减少芯片面积、提高工作频率、提高工作温度、降低导通电阻以及提高击穿电压等，氮化镓材料在制备微波毫米波器件方面有巨大的潜力。
由于氮化镓自支撑衬底技术的不成熟，目前氮化镓微波毫米波器件中，氮化镓基的材料主要淀积在异质衬底上，目前为止用于氮化镓材料生长的衬底主要有碳化硅和硅(下文统称为硅衬底)。而由于在硅衬底上进行氮化镓基的材料外延时，硅与氮化镓晶体材料的晶格失配比较大，因此，一般会在氮化镓材料层与硅衬底之间插入氮化铝层作为成核层和过渡层，但是采用现有的方法生长的氮化铝层的晶体材料质量比较差，缺陷比较多，从而影响氮化镓器件整体的质量。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于解决氮化镓器件中的氮化镓材料层与硅衬底之间采用现有方法生长的氮化铝层晶体材料质量比较差，缺陷比较多，导致氮化镓器件整体的质量较差的问题。
为此，本发明提供了一种氮化镓器件的制备方法，包括如下步骤：采用化学气相沉积法在衬底上生长氮化铝界面层；其中，化学气相沉积反应室中的铝源和氨气均为脉冲方式通入，且在每一个通入氨气的时间段中，铝源均存在通入和关闭两种状态，在每一个关闭氨气的时间段中，铝源均处于通入状态；在氮化铝界面层上依次生长高阻层、沟道层和势垒层；高阻层为氮化镓层或者铝镓氮层。
进一步地，化学气相沉积反应室中的铝源在通入第一时间段后关闭，氨气在经过第一时间段开启后，铝源和氨气以脉冲方式通入。
进一步地，铝源对应的一个脉冲内铝源的通入时间长度是铝源的关闭时间长度的两倍。
进一步地，铝源对应的一个脉冲内铝源通入的时间长度和氨气对应的一个脉冲内氨气通入的时间长度相同。
进一步地，铝源对应的一个脉冲内铝源关闭的时间长度与第一时间段的时间长度相同。
进一步地，氮化铝界面层上还生长有氮化铝/铝镓氮超晶格结构层。
进一步地，氮化铝/铝镓氮超晶格结构层的生长温度为1050-1250℃，生长压力为50-200torr。
进一步地，衬底为Si衬底，或者由Si基础衬底制备成的SiC-on-Si复合衬底，或者由SOI基础衬底制备成的SiC-on-SOI复合衬底。
本发明提供的技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的氮化镓器件的制备方法，通过在制备氮化铝界面层的过程中，将化学气象沉积反应室中的铝源和氨气均设置为脉冲方式通入，且在每一个通入氨气的时间段中，铝源均存在通入和关闭两种状态，在每一个关闭氨气的时间段中，铝源均处于通入状态，从而在一定程度上分开铝源和氨气，解决了氮原子对铝原子具有较强的吸附能力使铝原子的表面迁移率较低而导致的生长出来的氮化铝界面层质量较差的问题，从而能够提高使用该方法制备得到的氮化铝界面层也即氮化镓器件的质量；此外，铝源和氨气并未完全分开，还能够提高氮化铝界面层的生长速度，且使氮化铝界面层中的铝原子的表面迁移率能够得到有效控制。
2、本发明提供的氮化镓器件的制备方法，通过在将铝源和氨气以脉冲方式通入之前，先在第一时间段内单独通入铝源(在该第一时间段，氨气处于关闭状态)，从而使整个氮化铝界面层具有一个平整的铝基底，从而进一步提高氮化铝界面层也即提高使用该方法制备得到的整个氮化镓器件的质量。
3、本发明提供的氮化镓器件的制备方法，通过在氮化铝界面层上生长氮化铝/铝镓氮超晶格结构层(氮化铝/铝镓氮超晶格结构层生长与氮化铝界面层和高阻层之间)，能够缓解氮化铝界面层和高阻层(氮化镓层或者铝镓氮层)的晶格失配，且由于镓原子的扩散长度高于铝原子，因此该氮化铝/铝镓氮超晶格结构层中的铝镓氮插入层能够更利于位错弯曲以及横向生长，且可以使位错在超晶格界面处湮灭，从而进一步提高该方法制备得到的氮化镓器件的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的一种氮化镓器件的制备方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例提供的一种氮化镓器件的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种铝源和氨气的通入脉冲图；
图4为本发明实施例提供的另一种铝源和氨气的通入脉冲图；
附图标记说明：
L1-衬底；L21-氮化铝界面层；L22-氮化铝/铝镓氮超晶格结构层；L3-高阻层；L4-沟道层；L5-势垒层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实施例提供了一种氮化镓器件的制备方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S10：采用化学气相沉积法在衬底L1上生长氮化铝界面层L21，其中，化学气相沉积反应室中的铝源和氨气均为脉冲方式通入，且在每一个通入氨气的时间段中，铝源均存在通入和关闭两种状态，在每一个关闭氨气的时间段中，铝源均处于通入状态。
在本实施例中，铝源对应的脉冲的周期和氨气对应的脉冲的周期可以相同也可以不同，只要在预定脉冲数之内，每一个通入氨气的时间段中，铝源均存在通入和关闭两种状态，在每一个关闭氨气的时间段中，铝源均处于通入状态即可。具体地，预定脉冲数可以根据具体应用场景的需要进行设置，如，预定脉冲数可以在10个-50个之间。
在本实施例中，为了提高制备得到的氮化铝界面层L21的规整性，可以将铝源对应的脉冲的周期设置为与氨气对应的脉冲的周期相同，且为了保证每一个通入氨气的时间段中，铝源均存在通入和关闭两种状态，在每一个关闭氨气的时间段中，铝源均处于通入状态，可以将铝源对应的一个脉冲内铝源通入的时间长度设置为与铝源关闭的时间长度不同，和/或，将氨气对应的一个脉冲内氨气通入的时间长度设置为与氨气关闭的时间长度不同。
在本实施例中，为了进一步提高制备得到的氮化铝界面层L21的规整性，可以将铝源对应的一个脉冲内铝源通入的时间长度设置为与氨气对应的一个脉冲内氨气通入的时间长度相同；此时，铝源对应的一个脉冲内铝源通入的时间长度和铝源关闭的时间长度不同，且氨气对应的一个脉冲内氨气通入的时间长度和氨气关闭的时间长度不同。
在本实施例中，铝源对应的一个脉冲内铝源通入的时间长度和铝源关闭的时间长度之间的具体比例可以根据实际应用场景中对氮化铝界面层L21的生产速度和铝原子的表面迁移率的要求进行具体设置，具体地，铝源对应的一个脉冲内铝源通入的时间长度可以是铝源关闭的时间长度的一点五倍、两倍或者三倍等，以铝源对应的一个脉冲内铝源通入的时间长度是铝源关闭的时间长度的两倍为例，则铝源对应的脉冲图形和氨气对应的脉冲图形如图2所示。
在本实施例中，铝源对应脉冲的周期同样可以根据具体应用场景的需求进行设置，如，可以将该周期设置为在3-15秒之间，如，3秒、6秒、9秒或者15秒等。
具体地，以铝源对应脉冲的周期为6秒，且铝源对应的一个脉冲内铝源通入的时间长度为铝源关闭的时间长度的两倍，氨气对应的脉冲的周期与铝源对应的脉冲的周期相同，氨气对应的一个脉冲内氨气通入的时间长度与铝源对应的一个脉冲内铝源通入的时间长度相同为例，则氮化铝界面生长过程中，铝源和氨气的具体通入方式如下：
步骤A：关闭氨气并同时通入铝源。此步骤中虽然从关闭氨气并同时通入铝源开始描述，但是并非局限于此，步骤A也可以为通入氨气并同时关闭铝源等其他方式，此后的步骤B-步骤D对应调整。
步骤B：2秒后通入氨气并同时关闭铝源。
步骤C：2秒后通入铝源。
步骤D：在铝源通入2秒后，氨气的通入时间达到4秒，关闭氨气。此时，氨气和铝源均经过了一个脉冲。
步骤E：重复上述步骤A-步骤D，重复次数可以为10-50次。铝源和氨气对应的脉冲图如图2所示(图2中以5个脉冲进行示出)。
步骤S20：在氮化铝界面层L21上依次生长高阻层L3、沟道层L4和势垒层L5，且高阻层L3为氮化镓层或者铝镓氮层。
在本实施例中，经过上述步骤S10和S20后制备得到的氮化镓器件如图3所示。
在本实施例中，高阻层L3可以采用金属有机气相外延沉积非故意掺杂方式生长的薄膜层，具体地，该薄膜层的厚度范围可以为1um-5um。
在本实施例中，沟道层L4同样可以为氮化镓薄膜层或者铝镓氮薄膜层，且同样可以采用金属有机气相外延沉积非故意掺杂方式制备得到，具体地，该沟道层L4的厚度范围可以为50-300nm。
在本实施例中，势垒层L5为铝镓氮薄膜层，可以采用金属有机气相外延沉积方式制备得到，其厚度可以为5-35nm。
本申请中，为了缓解氮化铝界面层L21和高阻层L3(氮化镓层或者铝镓氮层)的晶格失配，如图3所示，还可以在氮化铝界面层L21上生长氮化铝/铝镓氮超晶格结构层L22；且由于镓原子的扩散长度高于铝原子，因此该氮化铝/铝镓氮超晶格结构层L22中的铝镓氮插入层能够更利于位错弯曲以及横向生长，且可以使位错在超晶格界面处湮灭，从而进一步提高该方法制备得到的氮化镓器件的质量。具体地，该氮化铝/铝镓氮超晶格结构层L22可以采用高温低压的生长条件下的金属有机气相外延沉积方式制备得到，具体地，其生长温度可以为1050-1250℃，生长压力可以为50-200torr，超晶格周期可以为5-40次。
本申请中，为了进一步提高氮化铝界面层L21的质量，可以设置化学气相沉积反应室中的铝源在通入第一时间段后关闭，氨气在经过第一时间段开启后，铝源和氨气以脉冲方式通入，从而使整个氮化铝界面层L21具有一个平整的铝基底。具体地，第一时间段的长度在1-5秒之间，第一时间段可以与铝源对应的一个脉冲内铝源通入的时间长度相同，也可以不同；当第一时间段可以与铝源对应的一个脉冲内铝源通入的时间长度相同，且铝源对应的一个脉冲内铝源通入的时间长度为铝源关闭的时间长度的两倍，氨气对应的脉冲的周期与铝源对应的脉冲的周期相同，氨气对应的一个脉冲内氨气通入的时间长度与铝源对应的一个脉冲内铝源通入的时间长度相同时，可以将第一时间段看做是铝源对应的脉冲以及氨气对应的脉冲的一部分；以第一时间段为5秒为例，则氮化铝界面生长过程中，铝源和氨气的具体通入方式如下：
步骤a：通入铝源5秒。此时氨气为关闭状态。
步骤b：关闭铝源，并同时开启氨气。
步骤c：在铝源关闭5秒后，开启铝源。
步骤d：在铝源通入5秒后，氨气的通入时间达到10秒，关闭氨气。
步骤e：在氨气关闭5秒后，铝源的通入时间达到10秒，关闭铝源。
步骤f：重复上述步骤b-步骤e，重复次数可以为10-50次。铝源和氨气对应的脉冲图形如图4所示(图4中以5个脉冲进行示出)。
本申请中，衬底L1可以为Si衬底，此外，为了降低该氮化镓器件的制备方法的制备成本，还可以将衬底L1设置为由Si基础衬底制备成的SiC-on-Si复合衬底，或者由SOI基础衬底制备成的SiC-on-SOI复合衬底。具体地，SiC-on-Si复合衬底和SiC-on-SOI复合衬底的制备，可以采用热处理、碳化或者外延生长碳化硅等方式实现，以采用热处理方式基于Si基础衬底制备SiC-on-Si复合衬底为例，可以将Si基础衬底置于高温炉内，在含碳气氛下热处理3-5min，生成SiC-on-Si的复合衬底。
本申请中的氮化镓器件的制备方法，通过在制备氮化铝界面层L21的过程中，将化学气象沉积反应室中的铝源和氨气均设置为脉冲方式通入，且在每一个通入氨气的时间段中，铝源均存在通入和关闭两种状态，在每一个关闭氨气的时间段中，铝源均处于通入状态，从而在一定程度上分开铝源和氨气，解决了氮原子对铝原子具有较强的吸附能力使铝原子的表面迁移率较低而导致的生长出来的氮化铝界面层质量较差的问题，从而能够提高使用该方法制备得到的氮化铝界面层也即氮化镓器件的质量；此外，铝源和氨气并未完全分开，还能够提高氮化铝界面层的生长速度，且使氮化铝界面层中的铝原子的表面迁移率能够得到有效控制。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种氮化镓器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用化学气相沉积法在衬底(L1)上生长氮化铝界面层(L21)；其中，化学气相沉积反应室中的铝源和氨气均为脉冲方式通入，且在每一个通入氨气的时间段中，铝源均存在通入和关闭两种状态，在每一个关闭氨气的时间段中，铝源均处于通入状态；
在所述氮化铝界面层(L21)上依次生长高阻层(L3)、沟道层(L4)和势垒层(L5)；所述高阻层(L3)为氮化镓层或者铝镓氮层。
2.根据权利要求1所述的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积反应室中的铝源在通入第一时间段后关闭，氨气在经过所述第一时间段开启后，铝源和氨气以脉冲方式通入。
3.根据权利要求2所述的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，铝源对应的一个脉冲内铝源的通入时间长度是铝源的关闭时间长度的两倍。
4.根据权利要求1-3任一项所述的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，铝源对应的一个脉冲内铝源通入的时间长度和氨气对应的一个脉冲内氨气通入的时间长度相同。
5.根据权利要求4所述的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，铝源对应的一个脉冲内铝源关闭的时间长度与所述第一时间段的时间长度相同。
6.根据权利要求1-5任一项所述的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，所述氮化铝界面层(L21)上还生长有氮化铝/铝镓氮超晶格结构层(L22)。
7.根据权利要求6所述的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，所述氮化铝/铝镓氮超晶格结构层(L22)的生长温度为1050-1250℃，生长压力为50-200torr。
8.根据权利要求6或7所述的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，所述衬底(L1)为Si衬底，或者由Si基础衬底制备成的SiC-on-Si复合衬底，或者由SOI基础衬底制备成的SiC-on-SOI复合衬底。
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