[发明专利]硅基氮化镓射频器件射频损耗的抑制方法

说明书

本发明公开了一种硅基氮化镓射频器件射频损耗的抑制方法，在高阻硅衬底上外延一层n型单晶硅，得到复合硅衬底，再在其上外延氮化铝和后续的氮化镓薄膜，通过复合硅衬底掺杂的n型电子与铝原子扩散带来的空穴流子复合，从而使硅衬底维持在高阻状态，降低硅基氮化镓射频器件的射频损耗。该方法在有效抑制器件射频损耗的同时，不会降低外延层的晶体质量，不影响器件的稳定性，而且操作简单快捷，成本可控。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种抑制硅基氮化镓射频器件在应用中面临的射频损耗问题的方法。

背景技术

以III族氮化物为代表的第三代半导体具有高禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度以及强极化等优异的性质，特别是基于硅(Si)衬底和碳化硅(SiC)衬底上的铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)异质结构的高迁移率晶体管(HEMT)具有开关速度快、导通电阻低、器件体积小、耐高温、节能等优异特性，有望在下一代微波射频功率器件领域得到广泛使用。

目前氮化镓基微波射频电子器件一般是采用碳化硅(SiC)衬底上外延氮化镓(GaN)，主要是由于碳化硅(SiC)衬底出色的散热性能和射频表现。而另一种衬底——硅(Si)衬底目前被应用得较少，主要是由于硅基氮化镓射频器件存在非常严重的射频损耗问题，较难直接投入应用。但是，硅基氮化镓微波射频器件却拥有绝对的成本优势，而且由于硅基大规模集成电路的成熟发展，硅基器件也具有做成集成器件的潜力。因此，解决硅基氮化镓射频器件目前存在的射频损耗问题就显得尤为重要，将推动低成本的硅基氮化镓微波射频器件的大规模应用，推动射频产业进步。

硅基氮化镓射频器件目前存在的射频损耗问题主要与氮化镓外延过程中铝原子扩散带来p型空穴导电层有关。由于硅衬底与氮化镓材料之间存在较大的晶格适配和热失配，生长过程中需要插入多层应力缓冲层，第一层是在硅衬底上外延的一层氮化铝成核层。这层氮化铝带来的氮化铝/硅界面对于射频损耗非常关键，在生长这一层氮化铝成核层时，铝原子会扩散进入硅衬底，增加了原本为高阻的硅衬底的导电性，形成了一层p型空穴导电层，从而导致了微波射频器件在工作室有较大的射频损耗。因此，如何通过有效的外延生长方法，抑制铝原子在氮化铝外延过程中向高阻硅衬底进行扩散进而抑制射频损耗，对于提高硅基氮化镓射频器件性能、降低微波射频器件成本有重要意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于抑制铝原子向硅衬底扩散带来的硅基氮化镓射频器件的射频损耗的方法：利用硅衬底的n型掺杂外延补偿铝原子外延进入硅衬底中带来的空穴载流子。主要方式是，在高阻硅衬底上外延一层n型单晶硅，在这个复合硅衬底上再外延氮化铝和后续的氮化镓薄膜。主要原理是通过掺杂的n型电子补偿铝原子扩散带来的空穴，从而使得硅衬底在外延生长氮化铝之后也维持在高阻状态。这种方法不仅不会损害上面外延层的晶体质量，而且由于目前硅外延技术非常发达，外延晶体硅的成本和质量都能够得到保障。最重要的是，一切的工作都是在进入金属有机物气相化学沉积(MOCVD)的腔室生长前对于衬底的预处理，因此不占用工厂的机时，这对于工业生产控制成本也有好处。

本发明方法简单且快捷有效，对于抑制氮化铝在硅衬底上外延过程中铝原子向硅衬底扩散带来的射频损耗，将发挥重要作用。

本发明提供的技术方案是：

一种硅基氮化镓射频器件射频损耗的抑制方法，以阻值大于5000欧姆·厘米的高阻硅衬底为所述射频器件的基底，先在该高阻硅衬底上外延一层n型单晶硅，形成复合硅衬底，然后再在该复合硅衬底上进行正常的氮化镓射频器件的外延。

所述n型单晶硅中的载流子浓度分布需要与所述射频器件因铝原子扩散在硅衬底中带来的空穴浓度分布相当，通常，所述n型单晶硅中掺杂元素的掺杂体浓度为1E14到1E17个每立方厘米，面密度在1E10到1E13个每平方厘米，掺杂深度在100纳米到2000纳米。优选的，n型单晶硅中的掺杂元素是磷元素。

优选的，在高阻硅衬底上外延的n型单晶硅层的厚度为100～3000纳米。