一種帶有InGaN插入層的非故意摻雜高阻GaN薄膜及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體材料技術，尤其涉及一種帶有InGaN插入層的非故意摻雜高阻GaN薄膜及其制備方法。
【背景技術】
[0002]目前，以GaN為代表的第三代寬禁帶半導體材料因其禁帶寬度大、擊穿場強高、電子飽和漂移速度高、耐腐蝕和抗輻照等突出優點，在制作高頻、高功率、抗輻射等電子器件方面發揮著舉足輕重的作用。以AlGaN/GaN異質結制備的高電子迀移率晶體管(HEMT)具有高密度和高迀移率的二維電子氣，是研制微波功率器件的理想材料。目前，制備GaN材料器件最常用的技術為金屬有機物化學氣相沉積(M0CVD)技術，然而通過M0CVD生長的GaN薄膜含有大量的0雜質及N空位等施主缺陷，會產生很高的背景載流子濃度，從而使GaN薄膜呈現n型導電類型，難以實現高阻薄膜。在這種非高阻的GaN緩沖層上生長的AlGaN/GaN基HEMT器件存在嚴重的漏電問題，極大影響了 AlGaN/GaN基HEMT的高頻性能和夾斷特性，同時增加了器件的發熱量。
[0003]為了解決以上問題，需要制備高電阻率、低載流子濃度的GaN外延層。目前，采用M0CVD技術獲得高阻GaN薄膜主要有故意的C、Fe等雜質摻雜引入深能級受主以及控制成核層生長參數引入位錯從而誘導C并入等方法。但是這些方法都有各自的缺點，比如造成反應室污染、降低薄膜晶體質量和電學性質、生長參數窗口極窄和器件生長重復性不好等。還有一種方法通過低壓生長控制非故意摻雜碳原子的并入，從而引入碳受主能級，補償背景載流子。這種方法盡管工藝簡單，但通常會引入高密度的多種類型位錯，并且由于碳雜質的自補償作用，很難在獲得高電阻率的同時又保證較高的晶體質量。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于，針對上述現有GaN外延層難以兼顧高電阻率的和較高晶體質量的問題，提出一種帶有InGaN插入層的非故意摻雜高阻GaN薄膜，該薄膜在不降低GaN生長壓力并保證薄膜較高晶體質量的情況下引入適量的刃位錯，而少量增加螺位錯，利用刃位錯誘導反應室中的碳受主并入GaN薄膜，進而補償背景電子，實現高阻GaN薄膜。
[0005]為實現上述目的，本發明采用的技術方案是:一種帶有InGaN插入層的非故意摻雜高阻GaN薄膜，包括自下而上依次設置的襯底、低溫GaN成核層、GaN緩沖層、退火重構的InGaN插入層和高阻GaN層。
[0006]進一步地，所述襯底為藍寶石。
[0007]進一步地，所述低溫GaN成核層厚度為10?200nm，優選為50-100nm ;所述GaN緩沖層厚度為1?5 μπι，優選為2-3 μπι ;所述退火重構的InGaN插入層厚度為50?200nm，優選為60_120nm ;所述高阻GaN層厚度為lOOnm?20 μ m，優選為500nm-10 μ m。
[0008]本發明的另一個目的，提供了一種帶有InGaN插入層的非故意摻雜高阻GaN薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0009]步驟1:將襯底放在反應室中熱處理；
[0010]步驟2:采用兩步生長法，在襯底上生長一層低溫GaN成核層；
[0011 ] 步驟3:在GaN成核層上生長一層非故意摻雜GaN緩沖層；
[0012]步驟4:在GaN緩沖層上生長一層InGaN插入層；
[0013]步驟5:對InGaN插入層進行高溫退火得到退火重構的InGaN插入層，退火期間持續通入一定量的TEG和NH3;
[0014]步驟6:在退火重構的InGaN插入層上生長一層非故意摻雜的高阻GaN層。
[0015]進一步地，所述低溫GaN成核層生長溫度為450?600 °C，反應室壓強為400?550Torro
[0016]進一步地，所述GaN緩沖層的生長溫度為900?1100°C，反應室壓強150?300Torro
[0017]進一步地，所述InGaN插入層的生長溫度為600?800°C，反應室壓強150?300Torro
[0018]進一步地，所述退火重構的InGaN插入層的退火溫度為1000°C以上，退火時間1?1200s，優選為200-800S，退火期間持續通入一定流量的TEG和NH3，其中TEG流量為5?lOOsccm，優選為 20-50sccm，NH3流量為 2000 ?8000sccm，優選為 3000-5000sccm，并保持反應室壓強穩定。
[0019]進一步地，所述的高阻GaN層的生長溫度為900?1100°C以上，反應室壓強150?300Torro
[0020]進一步地，所帶有InGaN插入層的非故意摻雜高阻GaN薄膜采用M0CVD技術生長。
[0021]進一步地，帶有InGaN插入層的非故意摻雜高阻GaN薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0022]步驟1:將襯底放在反應室中熱處理；
[0023]步驟2:采用兩步生長法，以比為載氣，以TMG和見13為生長源，在襯底上生長一層低溫GaN成核層；
[0024]步驟3:在高溫900?1100°C、恒壓條件下，以氏為載氣，以TMG和NH3為生長源，
在GaN成核層上生長一層1?5 μ m厚的非故意摻雜GaN緩沖層；
[0025]步驟4:保持壓力不變，降低溫度至600?800°C，載氣為N2，鎵源切換為TEG，NH3為氮源，在GaN緩沖層上生長一層InGaN插入層，厚度為50?200nm ；
[0026]步驟5:保持壓力不變，對InGaN插入層進行高溫退火，退火期間持續通入一定量的TEG和NH3，其中TEG流量為5?lOOsccm，NH3流量為2000?8000sccm ；
[0027]步驟6:保持溫度900?1100°C、壓力150?300Torr條件下，氮源為氨氣(NH3)，載氣為H2，鎵源為TMG，在退火重構的InGaN插入層上生長一層非故意摻雜的高阻GaN層。
[0028]本發明一種帶有InGaN插入層的非故意摻雜高阻GaN薄膜結構科學、合理，其制備方法簡單、易行，與現有技術相比較，具有以下優點:
[0029]1、本發明帶有InGaN插入層的非故意摻雜高阻GaN薄膜通過引入退火重構的InGaN插入層，使得在該插入層上生長的GaN層刃型位錯密度增加，從而誘導碳雜質并入GaN薄膜，引入的碳受主能夠補償背景載流子，使得GaN外延層的電阻率大大提高。
[0030]2、本發明帶有InGaN插入層的非故意摻雜高阻GaN薄膜的制備方法工藝簡單，重復性好，生長參數可控性強，不需要額外引入新的摻雜材料，無記憶效應，能更好地滿足工業生產制造的需求，且晶體質量優于采用傳統工藝低壓生長的高阻GaN薄膜。
【附圖說明】
[0031]圖1為帶有InGaN插入層的非故意摻雜高阻GaN薄膜的結構示意圖；
[0032]圖2為帶有InGaN插入層的非故意摻雜高阻GaN薄膜的二次離子質譜測試結果。
【具體實施方式】
[0033]以下結合實施例對本發明進一步說明:
[0034]實施例1
[0035]如圖1所示，本實施例提供了一種帶有InGaN插入層的非故意摻雜高阻GaN薄膜，包括:
[0036]一襯底，其材料為藍寶石；
[0037]—低溫GaN成核層，其制作在襯底上，其中低溫GaN成核層的厚度為25nm ;
[0038]—GaN緩沖層，其制作在低溫GaN成核層上，生長溫度在1045°C，厚度為3.2 μ m ;
[0039]—退火重構的InGaN插入層，其制作在GaN緩沖層上，厚度約65nm ；InGaN插入層的生長溫度為770°C，生長結束后升溫至1050°C高溫退火600s。
[0040]一高阻GaN層，其制作在退火重構的InGaN插入層上，生長溫度為1050°C，厚度為650nmo
[0041]本實施例帶有InGaN插入層的非故意摻雜高阻GaN薄膜的制備方法，包括以下工藝步驟:
[0042]步驟1:將襯底在M0CVD設備中熱處理；
[0043]步驟2:采用兩步生長法，以比為載氣，以TMG和見13為生長源，在襯底上生長一層低溫GaN成核層，厚度25nm ；
[0044]步驟3:升溫至1045°C，壓力降低至188Torr，在GaN成核層上生長一層非故意摻雜GaN緩沖層，厚度為3.2 μπι;
[0045]步驟4:降溫至770°C，反應室壓強維持在188Torr，載氣切換為N2，鎵源切換為TEG，在GaN緩沖層上生長一層InGaN插入層，厚度約65nm ;
[0046]步驟5:升高溫度至1050°C，反應室壓強維持在188Torr，對InGaN插入層高溫退火600s，退火期間持續通入TEG流量為llsccm，MV流量為5000sccm ；
[0047]步驟6:退火結束后，保持溫度1050°C、壓力188Torr，載氣切換為H2，鎵源切換為TMG，生長高阻GaN層，厚度為650nm。