[发明专利]一种获得低损耗Si上GaN基材料的方法及射频器件

说明书

本发明公开了一种获得低损耗Si上GaN基材料的方法，预先在高阻Si衬底上通过物理气相沉积(PVD)生长一层溅射的AlN薄膜，随后在PVD‑AlN薄膜上采用MOCVD进行后续GaN基材料的外延生长。本发明利用PVD工艺低温快生长速率的优势削弱Al扩散行为，并且使Si衬底被AlN覆盖，从而减少反应室在前一次外延生长过程中残留的Al和/或Ga向Si衬底的扩散，因此起到降低Si衬底中的Al和/或Ga杂质浓度、降低损耗的作用，无需生长三元合金过渡层，有效解决Si上GaN在射频器件应用中面临的射频损耗问题。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种解决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

以氮化镓(GaN)为代表的III族氮化物半导体具有大禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度以及强极化效应等优异的性质，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)异质结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)具有功率密度大、器件体积小及可在高频下应用等优异特性，因此在射频器件领域大有可为。

目前商业化的GaN基射频器件一般是采用SiC衬底进行AlGaN/GaN异质结构的外延，这得益于SiC衬底较好的散热性能和射频表现。而另一种衬底Si目前被应用得较少，主要原因之一就是由于Si上GaN基射频器件存在非常严重的射频损耗问题，导致器件工作效率低下，造成大量能量的损耗，故很难较快投入商业化应用。但是，Si上GaN基射频器件由于采用了具有更大尺寸和更低价格的Si作为衬底，因此拥有绝对的成本优势；而且由于Si基成熟的大规模集成电路，Si上GaN基射频器件也具有做成集成器件的潜力。因此，解决Si上GaN基射频器件目前存在的射频损耗问题就显得尤为重要，这将推动低成本的GaN微波射频器件的大规模应用，推动射频产业的进步。

导致Si上GaN基材料射频损耗大的重要原因之一是III族原子(Al/Ga)高温(600℃)时向衬底的扩散。它们作为浅受主掺杂剂在衬底表面形成P型空穴导电层，增加了原本为高阻的Si衬底的导电性，从而导致了微波射频器件在工作时有较大的射频损耗。其中，扩散到衬底的Al来自外延生长时通入的三甲基铝(TMAl)，其扩散强弱与温度和处于高温的时间呈正相关。此外，还存在一种Al/Ga扩散进Si衬底的途径。金属有机物化学气相沉积(MOCVD)中的近耦合喷淋(CCS)反应室的喷淋头(showerhead)和盛放外延片的石墨盘(susceptor)两者与外延片距离小，在外延生长过程中就会有大量Al/Ga，如含Al/Ga的副产物或未反应的Al/Ga源粘附在喷淋头和石墨盘上，这就对于下次外延生长过程造成了污染：这些残余Al/Ga在下次外延生长的升温及原位热处理过程就会到达衬底表面发生扩散行为。

对于现有传统抑制扩散的方案，一般采用预通氨气产生氮化硅阻挡层、降低生长温度等方案，如US2006118819A1。但这些方案都是以牺牲晶体质量为代价，同时对抑制Al/Ga的扩散也非常有限。

如何能高效地抑制Al/Ga在高温外延生长时向衬底的扩散进而抑制射频损耗，对于提高Si上GaN基射频器件的性能，以及降低目前已经迈入产业化的射频器件的成本有重要意义。

发明内容