[发明专利]一种在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜外延生长方法

说明书

本发明公开了一种在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜外延生长方法，是在MOCVD设备中进行的，包括衬底处理、缓冲层生长、GaN薄膜生长，特征是：在GaN薄膜外延生长时在含H₂的气氛下通入金属有机物：三甲基铟（TMIn）。TMIn在GaN薄膜生长过程中可以分解反应室里石墨和喷头上沉积的GaN材料，加快GaN薄膜的生长速率，提高有机源的利用率，同时生长结束之后石墨和喷头干净，增加MOCVD生长的稳定性、重复性，并由此减少清理石墨和喷头的工作量，大幅降低生长成本。高温下TMIn在晶格中不容易形成In‑N键，保证了GaN薄膜的晶格结构的完整性。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜外延生长方法。

背景技术

作为第三代宽禁带半导体材料，GaN 拥有大的电子饱和漂移速率和高的击穿电场，是制造大功率电子功率器件和高频微波器件的重要材料。当前，得益于 MOCVD 技术在GaN 薄膜生长技术的突破，已成功地制备出金属场效应晶体管（MESFET）、异质结场效应晶体管（HFET）、调制掺杂场效应晶体管（MODFET）等新型器件。调制掺杂的 AlGaN/GaN 结构具有高的电子迁移率（2000 cm²/Vs）、高的饱和速度（1×10⁷cm/s）、较低的介电常数，是制作微波器件的优选材料；GaN 具有较宽的禁带宽度（3.4eV），以SiC 或Si为衬底，具有良好的散热性能，非常有利于器件在高功率条件下工作。同时，GaN 基半导体材料具有直接带隙，其带隙可通过改变 Al和In的组分从0.7 eV（InN）调至6.2 eV（AlN），发射光谱可以在紫外到红外范围内变化，是一种理想的 LED 发光材料。GaN相关的材料及器件研究获得了迅猛发展之后，材料及器件制造的稳定性、可重复性、以及降低成本开始颇受关注。

目前，典型GaN器件结构中的主体是GaN，占了器件结构总厚度的70%以上。在生长过程中GaN材料除了沉积在衬底上之外，还会沉积在反应室内的喷头及石墨等上面，衬底外的这些产物过厚不但会导致生长的不稳定性，影响重复性，而且会给后续反应室的清理工作带来麻烦；此外，也会降低有机源的利用率。通常解决石墨和喷头上的沉积物的办法是更换石墨，将石墨放置高温炉内烘烤以去除沉积物；喷头上的沉积物到一定厚度之后需要人工清理，这对生长的稳定带来不确定性，同时也浪费设备机时，无形之间大幅增加成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效地在线清理反应室的石墨及喷头上的沉积物、提高有机源的利用率、加快生长速率、达到降低成本、提高外延生长的稳定性及可重复性、保证外延薄膜具有较高晶体质量的GaN薄膜外延生长方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜外延生长方法，是在MOCVD设备中进行的，包括衬底处理、缓冲层生长、GaN薄膜生长，其中：通过三甲基镓（TMGa）或三乙基镓（TEGa）和氨气发生反应生长GaN薄膜；其特征在于：在GaN薄膜生长阶段通入作为石墨和喷头清洗剂的三甲基铟（TMIn），GaN薄膜生长阶段的载气为H₂或H₂和N₂的混合气体。

所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅或GaN中的一种。

衬底处理的时候，温度为1100℃-1300℃，衬底处理的载气为H₂、N₂的一种或两种的混合气体。

生长缓冲层时通入NH₃ 和三甲基铝（TMAl）生长AlN缓冲层，或者通入NH₃和三甲基镓（TMGa）生长GaN缓冲层，生长缓冲层的载气为H₂、N₂的一种或两种的混合气体，生长温度为500℃-1000℃。

在GaN薄膜生长阶段，生长温度为1100℃-1200℃。