本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高擊穿電壓氮化鎵功率材料的外延方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體功率器件是控制電能產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換和存儲的核心技術(shù)。世界上超過70％的電力應(yīng)用由半導(dǎo)體功率器件控制，其被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代社會的生產(chǎn)生活中，包括日常消費(fèi)類電子產(chǎn)品及大型數(shù)據(jù)中心的電源管理，新能源汽車、高速鐵路、城市軌道交通、船舶推動、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器、智能電網(wǎng)與光伏電子、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。如今能源已成為限制人類社會發(fā)展的瓶頸因素，因此對高效率的電力電子器件的需求非常急迫。尤其是在大數(shù)據(jù)時代和新能源應(yīng)用階段，高效節(jié)能的新材料技術(shù)的應(yīng)用價值和應(yīng)用范圍更加不可估量。

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、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、本征載流子濃度低、在高溫操作下器件性能非常穩(wěn)定、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)。這些優(yōu)點(diǎn)使得GaN基寬禁帶半導(dǎo)體器件在大功率、低損耗、高溫高可靠性、小型化、抗輻照等方面具有無法比擬的優(yōu)勢，是功率電子行業(yè)未來的發(fā)展方向。GaN基功率器件是目前國際上大力發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)技術(shù)，也是我國能源發(fā)展中迫切需要的關(guān)鍵電力電子技術(shù)的核心。

為了提高氮化鎵基功率器件性能，運(yùn)用應(yīng)力工程降低外延材料的位錯密度、提高晶體質(zhì)量以及高擊穿電壓，設(shè)計及優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)是氮化鎵功率材料面臨的主要技術(shù)難題。雖然理論上GaN材料擊穿電壓值很高，但是目前的GaN功率開關(guān)器件的耐高壓能力遠(yuǎn)不及理論計算的擊穿電壓值。其中GaN與襯底界面之間存在大量位錯缺陷，對GaN功率器件的高壓擊穿電壓特性有著重要的影響。因此針對該漏電流機(jī)制，消除界面缺陷態(tài)，提高氮化鎵器件材料的擊穿電壓特性是十分重要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種高擊穿電壓氮化鎵功率材料的外延方法，能夠提高形成的氮化鎵材料的擊穿電壓特性。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種高擊穿電壓氮化鎵功率材料的外延方法，包括：提供襯底；在所述襯底表面形成緩沖層；對所述緩沖層進(jìn)行離子注入，使所述緩沖層與襯底之間的界面態(tài)絕緣化；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氮化鋁、氮化鋁鎵或氮化鎵的一種或幾種。

可選的，所述緩沖層為單層或多層結(jié)構(gòu)。

可選的，所述緩沖層的厚度為10納米～5微米。

可選的，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形成所述緩沖層。

可選的，所述離子注入的元素包括氧、氮、氦、氟、硼或氬中的一種或幾種。

可選的，所述離子注入的能量范圍為10KeV～1000KeV。

可選的，所述離子注入的劑量范圍為1×10¹²cm^-2～1×10¹⁹cm^-2。

可選的，采用所述金屬有機(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形成所述氮化鎵層。

可選的，所述襯底的材料為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、鋁酸鋰、氮化鋁或氮化鎵。

本發(fā)明提出的氮化鎵材料的外延方法利用離子注入技術(shù)進(jìn)行界面隔離，使襯底和緩沖層之間的界面態(tài)絕緣化，消除氮化鎵基功率器件緩沖層和襯底之間的界面缺陷態(tài)，減小漏電流，提高器件擊穿電壓特性，利于氮化鎵基功率材料的規(guī)?；苽?。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一具體實(shí)施方式的高擊穿電壓氮化鎵功率材料的外延方法的流程示意圖；

圖2至圖5為本發(fā)明一實(shí)施例的高擊穿電壓氮化鎵功率材料的形成過程的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的高擊穿電壓氮化鎵功率材料的外延方法的具體實(shí)施方式做詳細(xì)說明。

請參考圖1，為本發(fā)明一具體實(shí)施方式的所述高擊穿電壓氮化鎵功率材料的外延方法的流程示意圖。

步驟S101：提供襯底。

所述襯底的材料可以為藍(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。

步驟S102：在所述襯底表面形成緩沖層。

所述緩沖層用于緩解后續(xù)待形成的氮化鎵層與襯底之間的應(yīng)力，減少后續(xù)形成的氮化鎵層內(nèi)的位錯等缺陷。

所述緩沖層的晶格常數(shù)通常介于襯底和后續(xù)待形成的氮化鎵層之間，所述緩沖層既可以是單層結(jié)構(gòu)，也可以是由不同材料層組成的多層結(jié)構(gòu)。所述緩沖層的材料包括氮化鋁、氮化鋁鎵或氮化鎵的一種或幾種。在本發(fā)明的一個具體實(shí)施方式中，從襯底表面至緩沖層頂部，所述緩沖層的晶格常數(shù)，逐漸接近氮化鎵材料的晶格常數(shù)，使得所述緩沖層內(nèi)的晶格常數(shù)逐漸發(fā)生變化，以減少缺陷的產(chǎn)生。

為了起到足夠的應(yīng)力緩沖效果，所述緩沖層的厚度為10納米～5微米。

在本發(fā)明的具體實(shí)施方式中，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等外延工藝形成所述緩沖層。但是由于緩沖層與襯底界面上也會存在一定缺陷，導(dǎo)致界面態(tài)存在，產(chǎn)生界面電荷，容易引起漏電流。

步驟S103：對所述緩沖層進(jìn)行離子注入，使所述緩沖層與襯底之間的界面態(tài)絕緣化。

通過注入離子，吸附緩沖層與襯底之間的界面電荷或者缺陷，使界面態(tài)密度下降，實(shí)現(xiàn)界面態(tài)絕緣化。所述離子注入的元素包括氧、氮、氦、氟、硼或氬中的一種或幾種。所述注入離子位于緩沖層內(nèi)，還可以部分位于襯底表面附近。

為了使得注入離子進(jìn)入緩沖層的一定深度并到達(dá)所述襯底與緩沖層的界面，需要使得注入離子具有一定的能量。在一個具體實(shí)施方式中，所述離子注入的能量范圍為10KeV～1000KeV。為了確保所述離子注入，能夠?qū)⒔缑鎽B(tài)絕緣化，所述離子注入的劑量范圍為1×10¹²cm^-2～1×10¹⁹cm^-2。

步驟S104：在所述緩沖層表面形成氮化鎵層?？梢圆捎媒饘儆袡C(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形成所述氮化鎵層。

通過離子注入，使得襯底與緩沖層之間的界面態(tài)絕緣化之后，再在所述緩沖層表面形成氮化鎵層，可以消除氮化鎵基功率器件的緩沖層與襯底之間的界面缺陷態(tài)，減小漏電流，提高器件擊穿電壓特性。并且離子注入的工藝易于操作，便于規(guī)?；苽涓邠舸╇妷旱牡壒β什牧?。

請參考圖2至圖5，為本發(fā)明形成高擊穿電壓氮化鎵功率材料的實(shí)施例。

請參考圖2，提供襯底200，該實(shí)施例中，所述襯底200為8英寸硅片，晶向<111>。首先依次將硅襯底進(jìn)行有機(jī)溶劑清洗、氫氟酸腐蝕、去離子水沖洗及氮?dú)夂娓桑顾龉枰r底表面徹底清潔。

請參考圖3，在所述襯底200表面形成緩沖層300。

該實(shí)施例中，將所述襯底200放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔體內(nèi)，將生長溫度升至1100℃～1150℃，并向反應(yīng)腔體內(nèi)通入：三甲基鋁(TMAl)，流量為50μmol/min～180μmol/min；三甲基鎵(TMGa)，流量為80μmol/min～220μmol/min；N源為氨氣，流量為5slm～50slm；氫氣和氮?dú)鉃檩d氣，流量為10slm～80slm。

依次生長150nm的氮化鋁層、100nm的鋁組分為75％的氮化鋁鎵層、150nm的鋁組分解為50％的氮化鋁鎵層和350nm的鋁組分為25％的氮化鋁鎵層，以上四層構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)的緩沖層300，其中，鋁組分為鋁的摩爾比，可以通過調(diào)節(jié)通過氣體中三甲基鋁的比例，調(diào)整形成的氮化鋁鎵層中鋁的組分大小。隨著鋁組分的逐漸減小，所述緩沖層300內(nèi)的晶格常數(shù)逐漸發(fā)生變化，接近后續(xù)待形成的氮化鎵的晶格常數(shù)。

請參考圖4，對所述緩沖層300進(jìn)行離子注入，使所述緩沖層300和襯底200之間的界面態(tài)絕緣化。

該實(shí)施例中，離子注入的元素為氮，注入能量為350KeV，劑量為1×10¹⁵cm^-2。該工藝消除了緩沖層300和襯底200之間的界面態(tài)，使界面態(tài)絕緣化，極大減小了界面漏電流。該實(shí)施例中，緩沖層300以及襯底200表面附近均注入了氮。

請參考圖5，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積工藝在所述緩沖層300表面形成氮化鎵層400。反應(yīng)腔生長壓力為60mbar～600mbar，生長溫度為980℃～1050℃，通入：三甲基鎵，流量為80μmol/min～220μmol/min；N源為氨氣，流量為5slm～50slm；氫氣和氮?dú)鉃檩d氣，流量為10slm～80slm。

上述氮化鎵材料的外延方法利用離子注入技術(shù)進(jìn)行界面隔離，使襯底和緩沖層之間的界面態(tài)絕緣化，消除氮化鎵基功率器件緩沖層和襯底之間的界面缺陷太，減小漏電流，提高器件擊穿電壓特性，利于氮化鎵基功率材料的規(guī)?；苽?。

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)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。