本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種提高氮化鎵基功率器件擊穿電壓的外延方法。

背景技術(shù)：

以氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強(qiáng)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越性質(zhì)。在制作微波大功率器件、耐高溫器件和抗輻照器件等方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。GaN基功率器件是目前國(guó)際上大力發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)技術(shù)，也是我國(guó)能源發(fā)展中迫切需要的關(guān)鍵電力電子技術(shù)的核心技術(shù)。

以氮化鎵為代表的III族氮化物的寬禁帶半導(dǎo)體材料是功率電子行業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向。在同一擊穿電壓下，GaN功率器件的導(dǎo)通電阻只有硅器件的千分之一，這極大地降低了開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗。GaN材料由于帶隙寬、本征載流子濃度低，在高溫操作下器件性能非常穩(wěn)定。這些優(yōu)點(diǎn)都使得GaN功率器件在大功率、低損耗、高溫高可靠性、小型化、抗輻照等方面具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

雖然GaN材料理論上擊穿電壓值很高，但是目前的GaN功率器件的耐高壓能力遠(yuǎn)不及理論計(jì)算的擊穿電壓值。提高材料質(zhì)量，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)以及工藝參數(shù)，尋找充分發(fā)揮GaN基功率器件本征耐高壓特性的具體解決方案具有深遠(yuǎn)意義。降位錯(cuò)密度、提高晶體質(zhì)量以及高擊穿電壓設(shè)計(jì)、優(yōu)化工藝是材料外延面臨的主要技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種提高氮化鎵基功率器件擊穿電壓的外延方法，提高外延形成的氮化物層的質(zhì)量。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種提高氮化鎵基功率器件擊穿電壓的外延方法，包括：提供襯底；采用原子層沉積工藝，在所述襯底表面形成緩沖層；在所述緩沖層表面形成氮化鎵層。

可選的，所述緩沖層的材料包括：三氧化二鋁、氧化鉿、氧化鈦、氮化鈦、氮化鋁、氮化鋁鎵或氮化鎵中的一種或多種。

可選的，所述緩沖層為單層或多層結(jié)構(gòu)。

可選的，所述原子層沉積工藝反應(yīng)腔內(nèi)真空度為1×10^-4Pa～5×10^-4Pa，加熱溫度為250℃～800℃，時(shí)間為1min～20min。

可選的，所述緩沖層的厚度為1nm～100nm。

可選的，所述氮化鎵層的形成方法包括：金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積工藝、分子束外延工藝、氫化物氣相外延工藝或原子層外延工藝中的一種或多種。

可選的，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積工藝形成所述氮化鎵層，生長(zhǎng)溫度為1100℃～1150℃，反應(yīng)物包括三甲基鎵和氨氣，所述三甲基鎵的流量為5slm～50slm、所述氨氣的流量為80μmol/min～220μmol/min，載氣為氫氣和氮?dú)猓髁繛?0slm～80slm。

可選的，所述襯底材料包括藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、氧化鋁、鋁酸鋰或氮化鎵中的一種或多種。

本發(fā)明的外延方法，在所述采用原子層沉積工藝形成的緩沖層上形成氮化鎵層，可以消除氮化鎵基功率器件外延材料緩沖層與襯底之間的界面態(tài)，減小漏電流，提高器件擊穿電壓特性，同時(shí)有效地緩解襯底與氮化物之間的晶格適配和熱膨脹系數(shù)適配的問(wèn)題，可應(yīng)用于氮化鎵基光電或電子器件制備。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一具體實(shí)施方式的提高氮化鎵基功率器件擊穿電壓的外延方法的流程示意圖；

圖2至圖4為本發(fā)明一具體實(shí)施方式的提高氮化鎵基功率器件擊穿電壓的外延過(guò)程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的提高氮化鎵基功率器件擊穿電壓的外延方法的具體實(shí)施方式做詳細(xì)說(shuō)明。

請(qǐng)參考圖1，為本發(fā)明一具體實(shí)施方式的提高氮化鎵基功率器件擊穿電壓的外延方法的流程示意圖。

所述提高氮化鎵基功率器件擊穿電壓的外延方法包括如下步驟：

步驟S101：提供襯底；步驟S102：采用原子層沉積工藝，在所述襯底表面形成緩沖層；步驟S103：在所述緩沖層表面形成氮化鎵層。

請(qǐng)參考圖2至圖4為本發(fā)明一具體實(shí)施方式的提高氮化鎵基功率器件擊穿電壓的外延過(guò)程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

請(qǐng)參考圖2，提供襯底200。

所述襯底200的材料可以為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、鋁酸鋰、氮化鋁或氮化鎵等。并且在進(jìn)行后續(xù)工藝之前，需要對(duì)襯底表面進(jìn)行充分清洗。所述襯底的尺寸可以是2英寸、4英寸、6英寸、8英寸或12英寸。

請(qǐng)參考圖3，采用原子層沉積工藝，在所述襯底200表面形成緩沖層300。

所述緩沖層300的晶格常數(shù)通常介于襯底和氮化鎵之間，所述緩沖層300用于緩解后續(xù)待形成的氮化鎵層與襯底200之間的應(yīng)力，減少后續(xù)形成的氮化鎵層內(nèi)的位錯(cuò)等缺陷。

本發(fā)明的具體實(shí)施方式中，采用原子層沉積工藝形成所述緩沖層300，所述緩沖層300可以是單層結(jié)構(gòu)，也可以是由不同材料層組成的多層結(jié)構(gòu)。所述緩沖層300材料包括：三氧化二鋁、氧化鉿、氧化鈦、氮化鈦、氮化鋁、氮化鋁鎵或氮化鎵中的一種或多種。所述緩沖層300為多層結(jié)構(gòu)時(shí)，不同層的晶格常數(shù)逐漸發(fā)生變化，位于襯底200表面附近的晶格常數(shù)最接近襯底200的晶格常數(shù)，頂層的晶格常數(shù)最接近后續(xù)形成的氮化鎵層的晶格常數(shù)，從而可以降低所述緩沖層300內(nèi)由于與襯底200的晶格常數(shù)導(dǎo)致的晶格缺陷，減少緩沖層300與襯底200界面上的界面態(tài)，減少界面上的界面漏電流。當(dāng)所述緩沖層300為單層結(jié)構(gòu)時(shí)，可以選擇晶格常數(shù)最接近氮化鎵的材料作為緩沖層300的材料。

在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式中，所述原子層沉積工藝的反應(yīng)腔內(nèi)真空度為1×10^-4Pa～5×10^-4Pa，加熱溫度為250℃～800℃，時(shí)間為1min～20min，由于沉積溫度較低，不會(huì)對(duì)器件性能造成影響。所述原子層沉積工藝能夠以原子層堆疊的形式形成所述緩沖層300，所述原子層沉積工藝通過(guò)在襯底表面形成吸附層，進(jìn)一步通過(guò)化學(xué)反應(yīng)以單層原子層的形式逐漸生長(zhǎng)形成薄膜，因此，形成的緩沖層300的均勻性較高，缺陷較少，且形成的緩沖層300的表面更平整、更有利于厚度的控制。進(jìn)一步的，由于首先要在襯底200表面形成吸附層，因此形成的所述緩沖層300與襯底200之間的界面質(zhì)量較好，界面缺陷較少，進(jìn)一步可以減少后續(xù)形成的氮化鎵層與襯底200之間的界面態(tài)，減少形成的器件的界面漏電流。

若所述緩沖層300的厚度過(guò)低，對(duì)應(yīng)力緩沖效果較低，若所述緩沖層300的厚度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致形成的器件厚度過(guò)大，并且對(duì)形成的功率器件的擊穿電壓造成不利的影響，因此，在本發(fā)明的具體實(shí)施方式中，所述緩沖層300的厚度為1nm～100nm。在本發(fā)明的其他具體實(shí)施方式中，可以根據(jù)器件的性能要求，合理設(shè)計(jì)所述緩沖層300的厚度。

請(qǐng)參考圖4，在所述緩沖層300表面形成氮化鎵層400。

所述氮化鎵層400可以采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積工藝、分子束外延工藝、氫化物氣相外延工藝或原子層外延工藝中的一種或多種工藝形成。

在所述緩沖層300表面形成氮化鎵層400，由于所述緩沖層300與氮化鎵層400的晶格常數(shù)差異較低，可以有效提高所述氮化鎵層400的晶體質(zhì)量，降低所述氮化鎵層400內(nèi)的位錯(cuò)密度，從而提高形成的氮化鎵層400的質(zhì)量。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用8英寸的硅為襯底，襯底晶向?yàn)?lt;111>，首先對(duì)所述襯底進(jìn)行化學(xué)有機(jī)溶劑清洗和氫氟酸腐蝕，然后用去離子水清洗并用氮?dú)夂娓伞?/p>

然后將清潔好的襯底放入原子層沉積系統(tǒng)，在所述硅襯底表面形成一定厚度的AlN薄膜，作為緩沖層。在采用原子層沉積工藝外延形成所述AlN薄膜時(shí)，采用三甲基鋁、氨氣作為反應(yīng)源氣體，依次通入原子層沉積系統(tǒng)內(nèi)，三甲基鋁的流量為50μmol/min～180μmol/min，反應(yīng)腔內(nèi)真空度為1×10^-4Pa～5×10^-4Pa，加熱溫度為400℃，時(shí)間為2min，形成的AlN薄膜厚度為10nm。隨后以形成好的AlN薄膜作為緩沖層，利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積工藝(MOCVD)在所述AlN薄膜上進(jìn)行氮化鎵薄膜的外延生長(zhǎng)。該實(shí)施例中，采用的MOCVD系統(tǒng)為德國(guó)愛(ài)思強(qiáng)行型式反應(yīng)腔，其可以放置5個(gè)8英寸硅襯底，生長(zhǎng)溫度為1100℃～1150℃，反應(yīng)物包括三甲基鎵和氨氣，所述三甲基鎵的流量為5slm～50slm、所述氨氣的流量為80μmol/min～220μmol/min，載氣為氫氣和氮?dú)?，流量?0slm～80slm，在所述AlN薄膜上形成氮化鎵層。

在所述采用原子層沉積工藝形成的緩沖層上形成氮化鎵層，可以消除氮化鎵基功率器件外延材料緩沖層與襯底之間的界面態(tài)，減小漏電流，提高器件擊穿電壓特性，同時(shí)有效地緩解襯底與氮化鎵層之間的晶格適配和熱膨脹系數(shù)適配的問(wèn)題，可應(yīng)用于氮化鎵基光電或電子器件制備。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。