一種在Si襯底上制備高遷移率AlGaN/GaN電子功率器件的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體光電子技術領域，涉及一種在Si襯底上制備高迀移率AlGaN/GaN電子功率器件的方法，尤其涉及一種在Si襯底上采用變溫AlN緩沖層，AlGaN/GaN超晶格應力調控層制備高迀移率AlGaN/GaN電子功率器件的方法。
【背景技術】
[0002]Si襯底尺寸大、價廉可以降低外延生長成本。對比硬度大、導熱差的絕緣藍寶石襯底，導電的Si襯底可以有效簡化襯底減薄加工工藝，降低光電子器件制作工藝成本。在Si上金屬有機物氣相外延(metalorganic vapor phase epitaxy，M0VPE)生長GaN的難點在于:GaN纖維鋅礦結構的(0001)與金剛石結構的Si (111)襯底的晶格失配為20.4%,會產生大量的位錯;GaN與Si之間的熱失配高達56%，外延生長結束后的降溫工程中，外延層將承受很大的張應力。由于外延層厚度遠小于襯底厚度，所以在外延層中會產生微裂紋，嚴重影響GaN器件特性。Si襯底上直接生長GaN時，NH3容易與襯底Si發生反應而在襯底表面形成非晶態的SiN，影響GaN的生長質量。金屬Ga與襯底Si之間也有很強的化學反應，會對襯底造成回溶，從而破壞界面的平整。在高溫生長時，襯底中的Si會擴散至緩沖層表面，如果控制不當，將會影響GaN的生長模式，從而破壞晶體質量。此外由于Si是非極性半導體，在其上生長GaN、AlN或其他極性半導體時將會產生一些化合物極性相關的問題。
[0003]采用合適的緩沖層是解決Si襯底生長GaN時晶格失配、Si擴散和極性問題的有效手段，同時在一定程度上也可以緩解薄膜中的應力。為此人們嘗試過許多方法，如AlAs、A1N、以及AlGaN/AIN等復合緩沖層。其中AlN結果最好，其主要優點是既可以和GaN在同一反應室進行生長，又可以避免高溫生長時SiN的形成。根據其應力釋放機理提出許多解決方法:
[0004](I)緩沖層應力補償法:通過緩沖層對上層GaN提供一個壓應力來補償熱失配造成的張應力。結果表明裂紋密度明顯減少，且光學特性也有較大提高。
[0005](2)插入層應力剪裁法:通過插入層來調節薄膜內部的應力狀態，或阻擋由于熱失配從襯底傳入的張應力的傳播。如超晶格插入層法:插入1個周期的AlN/GaN超晶格作插入層，生長GaN總厚度為2μπι，隨著超晶格插入層層數的增加，張應變減少。TEM顯示位錯密度隨厚度變化而減小。
[0006]然而采用目前主流的插入層方法不能夠完全消除應力，且存在缺陷密度大，翹曲等問題。
[0007]本發明，在大尺寸Si襯底上，采用多層其Al組分梯度漸變的應力調控層方法制備無裂紋GaN薄膜，可以有效地解決至今技術中仍存在的不良應力及缺陷，有效地緩解翹曲。
【發明內容】
[0008]—種在Si襯底上制備高迀移率AlGaN/GaN電子功率器件的方法，其特征在于，先在Si襯底上采用金屬有機化學氣相外延技術生長低溫AlN成核層;然后生長高溫AlN緩沖層，在此基礎上生長AltL2Ga0.sN應力調控層:生長高阻GaN外延層;生長10-20個周期AltL2GaN0.s/GaN應力調控層;再生長高阻GaN外延層。然后生長15nmAlGaN/lnmGaN異質結。有效地解決至今異質外延技術尚且存在的應力、翹曲及缺陷，獲得無裂紋、高迀移率AlGaN/GaN電子功率器件。
[0009 ]本發明一種在S i襯底上制備高迀移率AI GaN/GaN電子功率器件的方法，按以下步驟進行:
[0010]步驟一，在金屬有機化合物氣相外延反應室中，在氫氣(H2)氣氛、溫度950°C?1000 0C、反應室壓力50torr-100torr下，通入TMAl作為III族源，NH3作為V族源(取V/111比為50?1000)，在Si襯底101上面，生長20nm-30nm低溫AlN成核層102;
[0011]步驟二，在氫氣(H2)氣氛，溫度1070°C?1100°C，反應室壓力50torr-100torr下，通入TMAl作為III族源，NH3作為V族源(取V/III比為100?1000)，生長200nm-300nm高溫AlN緩沖層103;
[0012]步驟三，在氫氣(H2)氣氛、溫度1060°C?1070°C、反應室壓力75torr-100torr下，通入TMAl、TMGa作為111族源，NH3作為V族源(取V/III比為100?4000)，變溫生長300nmAl0.2Ga0.sN應力調控層104，生長溫度從1070°C線性變化到1060°C;
[0013]步驟四，在氫氣(H2)氣氛、溫度1050°C?1060°C、反應室壓力100torr-150torr下，通入TMGa作為III族源，NH3作為V族源(取V/III比為1000?10000)，生長800nm-1000nm高阻GaN外延層105;
[0014]步驟五，在氫氣(H2)氣氛、溫度1050°C?1060°C、反應室壓力75torr-100torr下，，通入TMGa、TMAl作為III族源，NH3作為V族源(取V/III比為1000?10000)，生長10-20個周期3nmAl0.2Ga0.8N/3nmGaN應力調控層 106;
[0015]步驟六，在氫氣(H2)氣氛、溫度1050°C?1060°C、反應室壓力150torr-200torr下，，通入TMGa作為III族源，NH3作為V族源(取V/III比為1000?10000)，生長800nm-1000nm高阻GaN外延層107 ；
[0016]步驟七，在氫氣(H2)氣氛、溫度1060°C?1070°C、反應室壓力75torr-100torr下，，通入TMGa、TMAl作為111族源，順3作為￥族源(取￥/111比為1000?10000)，生長1醒AlN/15]111^16&1'1/1111116&1'1異質結108。
[0017]應當指出的是，(I)在Si襯底上采用變溫AlN緩沖層，首先采用950°C-1000°C，生長20nm-30nm低溫AlN成核層(102)，然后在此基礎上采用1070°C?1500°C生長200nm-300nm高溫AlN緩沖層(103); (2)采用變溫300nm AlQ.2GaQ.8N應力調控層(104)，其生長溫度從1070°C線性變化到1060°C ; (3)采用10-20個周期3nmAl0.2Ga0.8N/3nmGaN應力調控層(106)，其結構為為超晶格結構。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明實施例1方法，一種在Si襯底上制備高迀移率AlGaN/GaN電子功率器件的剖面結構示意圖；
[0019]圖1中，101: Si襯底102:低溫AlN成核層103:高溫AlN緩沖層104:變溫A ItL2Ga0.8N應力調控層105:高阻GaN外延層106^1().:^().必/^~應力調控層107:高阻63_卜延層108^故/AlGaN/GaN異質結。
[0020]圖2是采用本發明方法在Si襯底上制備的高迀移率AlGaN/GaN電子功率器件外延片的顯微照片；其中，樣品I是采用普通方法制備的四英寸Si襯底上AlGaN/GaN電子功率器件外延片的顯微照片;樣品2是采用本專利技術方案多步插入層方法制備的四英寸Si襯底上AlGaN/GaN電子功率器件外延片的顯微照片。
【具體實施方式】
[0021]本發明提供一種在Si襯底上制備無裂紋GaN的方法。使用三甲基鎵(TMGa)，三甲基鋁(TMAl)作為III族源，氨氣(NH3)作為V族源，硅烷(SiH4)作為η型摻雜源，在Si襯底上采用
(I)變溫AlN緩沖層，(2)變溫3OOnm △1().:^().必應力調控層，(3)(311111從163~(311111)63~應力調控層為超晶格結構。這樣一來，有效地解決至今異質外延技術尚且存在的應力、翹曲及缺陷，獲得無裂紋、高晶體質量的GaN薄膜，制備高迀移率AlGaN/GaN HEMT器件。
[0022]實施例1
[0023]使用Aixtron公司產品-緊耦合垂直反應室MOCVD生長系統;在生長過程中，使用三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)作為III族源，氨氣(NH3)作為V族源，硅烷(SiH4)作為η型摻雜源，二茂鎂(Cp2Mg)作為P型摻雜源；
[0024]首先，在MOCVD反應室中將Si襯底101加熱到1080°C，在H2氣氛下，高溫處理5-10分鐘后，在金屬有機化合物氣相外延反應室中，在氫氣(H2)氣氛、溫度950°C、反應室壓力50torr下，通入TMAl作為III族源，NH3作為V族源(取V/III比為50?1000)，在Si襯底101上面，生長20nm低溫AlN成核層102;在氫氣(H2)氣氛，溫度1070°C，反應室壓力50torr下，通入TMAl作為III族源，NH3作