專利名稱：一種生長高阻GaN薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生長高阻GaN薄膜的方法。
背景技術(shù)：
GaN基氮化物半導(dǎo)體作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的典型代表，不僅在發(fā)光二極管(LED)，激光器(LD)，紫外探測器方面有重要應(yīng)用，而且在研制高溫、高頻、大功率微波電子器件方面也極具前途。由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)存在很強的極化電場，會在界面處產(chǎn)生高濃度二維電子氣，并具有很高的電子遷移率，因此GaN基的高遷移率晶體管(HEMT)在微波功率器件應(yīng)用方面極具優(yōu)勢，成為國內(nèi)外研究、開發(fā)熱點。如圖1 GaN基HEMT器件材料的結(jié)構(gòu)示意圖所示，圖中虛線代表二維電子氣溝道位置。在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)下方外延高阻GaN可以保證在柵極加電壓的情況下，電流能迅速夾斷，降低跨導(dǎo)，對增強HEMT器件的調(diào)控效果和頻率特性有重要作用。
生長GaN薄膜的MOCVD工藝過程分為以下四個階段1)烘烤階段氫氣(H2)氛下，在1100℃高溫烘烤襯底15分鐘；2)成核階段降溫至550℃并以三甲基鎵和氨氣為源生長低溫GaN成核層，厚度為25nm；3)退火階段在250秒內(nèi)將溫度升高到1050℃并恒溫120秒；4)外延生長階段通入三甲基鎵，以每小時1800nm的生長速度生長外延層GaN薄膜，厚度為2000nm。
由于用MOCVD技術(shù)生長的GaN薄膜存在大量N空位和氧雜質(zhì)，會產(chǎn)生較高的背景電子濃度，從而使GaN呈現(xiàn)n型導(dǎo)電類型。因此如何用MOCVD工藝生長高阻GaN成為HEMT器件材料制備的一個難點。
目前，用MOCVD技術(shù)獲得高阻GaN薄膜的主要方法是p型雜質(zhì)補償法，這種方法的優(yōu)點是重復(fù)性好，能獲得較高阻值的GaN(方塊電阻一般在1010以上)；缺點是會給系統(tǒng)造成長久的污染，而且雜質(zhì)散射效應(yīng)會影響器件性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種生長高阻GaN薄膜的方法。
本發(fā)明所提供的生長高阻GaN薄膜的方法，是在MOCVD設(shè)備中進(jìn)行的，包括烘烤、成核、退火和外延生長階段，其中，在退火階段，退火壓力應(yīng)在75托以下。
在本發(fā)明中，優(yōu)選的退火壓力為50-75托。退火溫度為1050℃-1090℃，退火時間為150秒-250秒。
在本發(fā)明方法中，在烘烤階段，烘烤溫度為1100℃-1150℃；在成核階段，成核溫度為520℃-580℃；在外延生長階段，外延生長溫度為1050℃-1090℃。
應(yīng)用MOCVD制備GaN薄膜時，在退火階段，隨著溫度升高，低溫GaN成核層部分分解，殘留的部分再結(jié)晶形成成核島，然后進(jìn)行高溫外延生長。在這一過程中成核島將逐漸合并，形成連續(xù)膜，外延層逐漸變平滑。在島與島的合并處會產(chǎn)生大量的刃型位錯，成核島的數(shù)量越多，刃型位錯密度就越高。
本發(fā)明通過降低退火階段的反應(yīng)室壓力(稱為退火壓力)來增加成核島密度，從而增加刃型位錯，從而獲得自補償?shù)母咦鐶aN薄膜，所得高阻GaN薄膜的方塊電阻高，常溫下能達(dá)到1011Ω/sq以上，符合工業(yè)應(yīng)用要求，并且表面平整度高。本發(fā)明方法簡單易行，與現(xiàn)有MOCVD生長GaN基HEMT材料結(jié)構(gòu)的工藝過程兼容，并且不會對MOCVD系統(tǒng)造成污染。


圖1為GaN基HEMT器件材料結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為GaN薄膜方塊電阻、刃型位錯和螺型位錯密度隨低溫GaN成核層生長后退火壓力變化的示意圖；其中方塊代表方塊電阻，圓圈代表刃型位錯密度，三角代表螺型位錯密度；圖3為GaN薄膜在原子力顯微鏡下的表面形貌圖。
具體實施例方式
實施例1、生長GaN薄膜1)用金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備，襯底采用(0001)面的藍(lán)寶石襯底，通入H2，反應(yīng)室壓力為300torr，在1100℃下加熱15min，清潔襯底；2)降溫到550℃左右，通入三甲基鎵和氨氣，H2作為載氣。反應(yīng)室壓力為300torr，以每小時300nm的生長速度生長緩沖層，厚度為25nm；3)停止通三甲基鎵，繼續(xù)通入氨氣，用60秒時間把反應(yīng)室壓力分別降低到75torr、160torr、250torr、400torr(根據(jù)圖2數(shù)據(jù))，并將溫度升高到1070℃，保持60秒；4)通入三甲基鎵，在1070℃下以每小時2000nm的生長速度外延生長GaN薄膜，厚度2000nm。
用MOCVD生長的GaN薄膜中存在兩種類型的位錯螺型位錯和刃型位錯。大量實驗表明刃型位錯會在禁帶中引入受主能級形成電子陷阱，因此增加刃型位錯能大量捕獲導(dǎo)帶電子從而降低背景電子濃度，起到自補償效果，從而制備出高阻GaN薄膜。
如圖2所示，隨著退火壓力的降低，GaN薄膜中刃型位錯密度迅速升高，而螺型位錯密度基本不變，同時GaN薄膜的方塊電阻顯著升高。當(dāng)GaN薄膜的方塊電阻達(dá)到了1010Ω/sq以上，基本上即可以稱為高阻GaN薄膜。例如，退火壓力降到75torr時，GaN薄膜的方塊電阻達(dá)到了1011Ω/sq。
圖3是退火壓力為75torr時所得GaN薄膜在原子力顯微鏡下的表面形貌圖，照片尺寸為1μm×1μm。結(jié)果表明，本發(fā)明方法所得到的高阻GaN薄膜表面具有很高的表面平整度，表面粗糙度RMS只有0.15nm。
權(quán)利要求
1.一種生長高阻GaN薄膜的方法，是在MOCVD設(shè)備中進(jìn)行的，包括烘烤、成核、退火和外延生長階段，其特征在于在退火階段，退火壓力應(yīng)在75托以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于退火壓力為50-75托。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在退火階段，退火溫度為1050℃-1090℃，退火時間為150秒-250秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的方法，其特征在于在烘烤階段，烘烤溫度為1100℃-1150℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的方法，其特征在于在成核階段，成核溫度為550℃-580℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的方法，其特征在于在外延生長階段，外延生長溫度為1050℃-1090℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生長高阻GaN薄膜的方法。本發(fā)明方法是在MOCVD設(shè)備中進(jìn)行的，包括烘烤、成核、退火和外延生長階段，其中，在退火階段，退火壓力在75托以下。本發(fā)明方法通過降低退火階段的反應(yīng)室壓力(稱為退火壓力)來增加成核島密度，從而增加刃型位錯，從而獲得自補償?shù)母咦鐶aN薄膜，所得高阻GaN薄膜的方塊電阻高，能達(dá)到10
文檔編號H01L21/335GK1971852SQ20061014414
公開日2007年5月30日 申請日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月28日
發(fā)明者沈波, 許諫, 許福軍, 苗振林, 潘堯波, 楊志堅, 張國義 申請人:北京大學(xué)