複合緩衝層的氮化物高電子遷移率電晶體外延結構的製作方法
2023-04-23 12:23:06 2
專利名稱：複合緩衝層的氮化物高電子遷移率電晶體外延結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是複合緩衝層的氮化物高電子遷移率電晶體外延結構，屬於半導體單晶薄膜的外延生長技術領域。
背景技術：
氮化鎵(GaN)基高電子遷移率場效應電晶體(HEMT)是一種基於氮化物異質結構的新型電子器件，氮化物材料特有的極化效應使得在異質結界面勢阱中形成高濃度的二維電子氣(2DEG)溝道，通過肖特基柵壓控制溝道電子實現工作。器件具有高頻、大功率的優異特性，廣泛應用於無線通信基站、電力電子器件等信息收發、能量轉換等領域，符合當前節能環保、綠色低碳的發展理念；GaN HEMT外延材料結構一般包括襯底、成核層、緩衝層、溝道層和勢壘層。襯底一般為藍寶石、碳化矽(SiC)、單晶矽(Si)。對於通常採用的鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN)異質結構，緩衝層和溝道層均為GaN，勢壘層為AlGaN。在這種單異質結構中溝道層和緩衝層均為GaN，之間不能形成導帶帶階，溝道二維電子氣的限域性較差，電子容易溢出溝道進入緩衝層，從而降低了溝道的夾斷性能，造成器件的輸出電導增大和擊穿性能下降，進而降低了器件的頻率性能和功率特性；為了增強GaN HEMT溝道二維電子氣限域性，提高器件性能，一種有效的方法是採用低組分的AlGaN作緩衝層構成AlxGahN/GaNAlyGa1^yN雙異質結HEMT。在這種結構中，2DEG溝道層與緩衝層之間形成GaN/AlGaN異質結，得益於AlGaN的大帶隙和極化效應，在GaN/AlGaN界面產生負極化電荷，抬高了導帶能級，增強了 2DEG限域性。然而，在AlGaN中由於存在聲子的合金散射，使得AlGaN合金的熱導率大幅下降，組分在O. 2-0. 8之間的AlGaN薄膜的熱導率只有20W/mK，顯著低於GaN薄膜130W/mK的熱導率。降低Al組分有助於提高熱導率，當組分為O. 04時，熱導率為70 W/mK，但仍低於GaN。由於AlGaN緩衝層較低的熱導率使得器件的輸出電流隨著漏極偏壓的增大而下降，造成器件的輸出功率下降，效率降低，從而影響了 GaN HEMT大功率方向的應用潛力。
發明內容
本發明提出一種複合緩衝層的氮化物高電子遷移率電晶體外延結構和生長方法；通過採用AlyGai_yN/GaN複合結構代替通常採用的單一結構的AlyG&1_yN緩衝層；與單一結構AlyGapyN緩衝層一樣，這種複合結構緩衝層依然能夠與GaN溝道層形成GaN/AlGaN異質結，產生導帶帶階，增強HEMT材料2DEG限域性，提高器件的頻率性能和功率特性；由於隨著AlGaN合金中存在合金散射，AlGaN的熱導率低於GaN。因此，這種AlyGai_yN/GaN複合緩衝層在增強2DEG限域性的同時，熱導率顯著提高，是一種降低AlGaN緩衝層HEMT器件的自熱效應的有效方法。本發明的技術解決方案是其特徵是襯底上是生長成核層；成核層上是第一緩衝層；第一緩衝層上是生長第二緩衝層；第二緩衝層上是生長溝道層；溝道層上是生長勢壘層；其生長方法，包括以下步驟
第一步，襯底經清洗、吹乾後在反應室內高溫烘烤；
第二步，在襯底上生長成核層；
第三步，在成核層上第一緩衝層；
第四步，在第一緩衝層上生長第二緩衝層；
第五步，在第二緩衝層上生長溝道層；
第六步，在溝道層上生長勢壘層；
第七步，降至室溫。所述的襯底是藍寶石、SiC或Si ；
所述的成核層是AIN、GaN或AlGaN ；
所述的第一緩衝層是生長在成核層上的GaN薄膜，厚度為O. 1-2. 5um ；
所述的第二緩衝層為生長在第一緩衝層上的AlyGai_yN薄膜，可以是組分恆定的(Al組分範圍y=0. 02-0. 08，優化值為O. 04)，也可以是組分漸變的(由第一緩衝層向溝道層方向Al組分由O漸變到y, y=0. 02-0. 08，優化值為O. 04)，厚度為O. 1-1. Oum ；
所述的溝道層為GaN，生長在第一緩衝層上，厚度為10-500nm ；
所述的勢壘層生長在溝道層上，可以是III-V族氮化物多元合金薄膜及其異質結構。本發明具有以下優點1)採用AlyGai_yN/GaN複合緩衝層依然能夠與GaN溝道層形成導帶帶階，增強2DEG限域性，提高器件的微波性能和功率特性。2)複合緩衝層中AlyGai_yN部分較薄，可以提高緩衝層熱導率，有效降低AlGaN緩衝層HEMT器件的自熱效應。3、)在GaN緩衝層上生長的AlyG&1_yN緩衝層的晶體質量能得到有效提高。有助於進一步提升器件的性能及可靠性。
附圖I是AlyGai_yN/GaN複合緩衝層GaN HEMT外延材料結構示意圖。圖中的I是襯底為藍寶石、SiC或51，2是成核層為6&隊麼故或416&13是第一緩衝層為GaN薄膜，4是第二緩衝層為AlyGai_yN薄膜。其中第二緩衝層4可以是組分恆定的(Al組分y=0. 02-0. 08，優化值為O. 04)，也可以是組分漸變的(由第一緩衝層3向溝道層5方向Al組分由O漸變到y, y=0. 02-0. 08，優化值為O. 04)。
具體實施例方式實施例I :
1)選擇藍寶石襯底，利用MOCVD技術生長；
2)1080°C和lOOTorr，氫氣氣氛烘烤5分鐘；
3)降溫至550°C，通入氨氣和三甲基鎵，在襯底表面生長20nm厚GaN成核層；
4)升溫至1080°C，通入氨氣和三甲基鎵，生長I.Oum厚GaN; 5)通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵，生長I.Oum厚組分漸變AlyGai_yN，Al組分y從下向上由O漸變到O. 04，與4)的GaN構成AlyGai_yN/GaN複合緩衝層；
6)關閉三甲基鋁，1080°C，生長200nm厚GaN溝道層；
7)再打開三甲基鋁，生長25nm厚AlGaN勢壘層；8)降至室溫。實施例2:
1)選擇藍寶石襯底，利用MOCVD技術生長；
2)1080°C和lOOTorr，氫氣氣氛烘烤5分鐘；
3)降溫至550°C，通入氨氣和三甲基鎵，在襯底表面生長20nm厚GaN成核層；
4)升溫至1080°C，通入氨氣和三甲基鎵，生長I.Oum厚GaN;
5)通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵，生長I.Oum厚組分恆定AlyGai_yN，Al組分y=0. 04，與4)的GaN構成AlyGai_yN/GaN複合緩衝層；
6)關閉三甲基鋁，1080°C，生長IOOnm厚GaN溝道層；
7)再打開三甲基鋁，生長25nm厚AlGaN勢壘層；
8)降至室溫。實施例3:
1)選擇SiC襯底，利用MOCVD技術生長；
2)1080°C和lOOTorr，氫氣氣氛烘烤10分鐘；
3)1150°C，通入氨氣和三甲基鋁，在襯底表面生長50nm厚AlN成核層；
4)降溫至1080°C，通入氨氣和三甲基鎵，生長I.2um厚GaN ；
5)通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵，生長0.Sum厚組分漸變AlyGai_yN，Al組分從下向上由O漸變到0. 05，與4)的GaN構成AlGaN/GaN複合緩衝層；
6)關閉三甲基鋁，1080°C，生長IOOnm厚GaN溝道層；
7)再打開三甲基鋁，1080°C，生長20nm厚AlGaN勢壘層；
8)降至室溫。實施例4:
1)選擇SiC襯底，利用MOCVD技術生長；
2)1080°C和lOOTorr，氫氣氣氛烘烤10分鐘；
3)1150°C，通入氨氣和三甲基鋁，在襯底表面生長50nm厚AlN成核層；
4)降溫至1080°C，通入氨氣和三甲基鎵，生長I.Oum厚GaN;
5)通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵，生長I.Oum厚組分恆定AlyGai_yN，Al組分y=0. 04，與4)的GaN構成AlyGai_yN/GaN複合緩衝層；
6)關閉三甲基鋁，1080°C，生長200nm厚GaN溝道層；
7)再打開三甲基鋁，1080°C，生長20nm厚AlGaN勢壘層；
8)降至室溫。實施例5
1)選擇單晶Si襯底，利用MOCVD技術生長；
2)1100°C和lOOTorr，氫氣氣氛烘烤10分鐘；
3)降溫至1060°C，通入三甲基鋁處理30秒，在Si襯底表面形成Al層；
4)通入氨氣和三甲基鋁生長300nm厚的AlN成核層；
5)升溫至1100°C，通入氨氣和三甲基鎵，生長I.Oum厚GaN;
6)通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵，生長I.Oum厚組分漸變AlyGai_yN，Al組分y從下向上由O漸變到0. 06，與5)的GaN構成AlyGai_yN/GaN複合緩衝層；7)關閉三甲基鋁，1080°C，生長IOOnm厚GaN溝道層；
8)再打開三甲基鋁，1100°C，生長25nm厚AlGaN勢壘層；
9)降至室溫。實施例6:
1)選擇單晶Si襯底，利用MOCVD技術生長；
2)1100°C和lOOTorr，氫氣氣氛烘烤10分鐘；
3)降溫至1060°C，通入三甲基鋁處理30秒，在Si襯底表面形成Al層；
4)通入氨氣和三甲基鋁生長300nm厚的AlN成核層；
5)升溫至1100°C，通入氨氣和三甲基鎵，生長I.5um厚GaN ；
6)通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵，生長I.Oum厚組分恆定AlyGai_yN，Al組分y=0. 04，與5)的GaN構成AlyGai_yN/GaN複合緩衝層；
7)關閉三甲基鋁，1080°C，生長IOOnm厚GaN溝道層；
8)再打開三甲基鋁，1100°C，生長25nm厚AlGaN勢壘層；
9)降至室溫。實施例7:
1)選擇SiC襯底，利用MOCVD技術生長；
2)1080°C和lOOTorr，氫氣氣氛烘烤10分鐘；
3)1180°C，通入氨氣和三甲基鋁，在襯底表面生長50nm厚AlN成核層；
4)降溫至1100°C，通入氨氣和三甲基鎵，生長I.5um厚GaN ；
5)通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵，生長0.5um厚組分漸變AlyGai_yN，Al組分y從下向上由O漸變到0. 04，與4)的GaN構成AlyGai_yN/GaN複合緩衝層；
6)關閉三甲基鋁，1080°C，生長200nm厚GaN溝道層；
7)降溫至900°C，通入氨氣、三甲基鋁和三甲基銦，生長12nm厚InAlN勢壘層；
8)降至室溫。實施例8:
1)選擇單晶Si襯底，利用MOCVD技術生長；
2)1100°C和lOOTorr，氫氣氣氛烘烤10分鐘；
3)降溫至1060°C，通入三甲基鋁處理30秒，在Si襯底表面形成Al層；
4)通入氨氣和三甲基鋁生長300nm厚的AlN成核層；
5)升溫至1100°C，通入氨氣和三甲基鎵，生長I.5um厚GaN ；
6)通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵，生長I.Oum厚組分恆定AlyGai_yN，Al組分y=0. 04，與5)的GaN構成AlyGai_yN/GaN複合緩衝層；
7)關閉三甲基鋁，1080°C，生長IOOnm厚GaN溝道層；
8)1100°C，通入氨氣和三甲基鋁，生長8nm厚AlN勢壘層；
9)降至室溫。
權利要求
1.複合緩衝層的氮化物高電子遷移率電晶體外延結構，其特徵是襯底上是生長成核層；成核層上是第一緩衝層；第一緩衝層上是生長第二緩衝層；第二緩衝層上是生長溝道層；溝道層上是生長勢壘層； 其生長方法，包括以下步驟 第一步，襯底經清洗、吹乾後在反應室內高溫烘烤； 第二步，在襯底上生長成核層； 第三步，在成核層上第一緩衝層； 第四步，在第一緩衝層上生長第二緩衝層； 第五步，在第二緩衝層上生長溝道層； 第六步，在溝道層上生長勢壘層； 第七步，降至室溫。
2.根據權利要求I所述的複合緩衝層的氮化物高電子遷移率電晶體外延結構，其特徵是所述的第一緩衝層為GaN，生長在成核層表面，第二緩衝層為AlyGai_yN生長在第一緩衝層上面，第一緩衝層和第二緩衝層構成AlyGai_yN/GaN複合緩衝層。
3.根據權利要求I所述的複合緩衝層的氮化物高電子遷移率電晶體外延結構，其特徵是所述的AlyGai_yN/GaN複合緩衝層中的第二緩衝層是組分恆定的Al組分範圍y=0. 02-0. 08，或是組分漸變的由第一緩衝層向溝道層方向Al組分由O漸變到y，y=0. 02-0. 08。
4.根據權利要求I所述的氮複合緩衝層的氮化物高電子遷移率電晶體外延結構，其特徵是所述AlyGai_yN/GaN複合緩衝層中的第二緩衝層的厚度為O. 1-1. Oum，第一緩衝層的厚度為 O. 1-2. 5mο
5.根據權利要求I所述的複合緩衝層的氮化物高電子遷移率電晶體外延結構，其特徵是所述的AlyGai_yN/GaN複合緩衝層的生長溫度為70(Tl200°C。
6.根據權利要求I所述的複合緩衝層的氮化物高電子遷移率電晶體外延結構，其特徵是所述的溝道層為GaN，厚度為10-500nm。
7.根據權利要求I所述的複合緩衝層的氮化物高電子遷移率電晶體外延結構，其特徵是所述的勢壘層生長在溝道層上，為III-V族氮化物多元合金薄膜及其異質結構。
全文摘要
本發明是複合緩衝層的氮化物高電子遷移率電晶體外延結構，其結構是襯底上是生長成核層；成核層上是第一緩衝層；在緩衝層上是生長緩衝層；在第二緩衝層上是生長溝道層；在溝道層上是生長勢壘層；其生長方法包括，襯底經清洗、吹乾後在反應室內高溫烘烤；在襯底上生長成核層；在成核層上第一緩衝層；在緩衝層上生長緩衝層；在緩衝層上生長溝道層；在溝道層上生長勢壘層；降至室溫。優點依然能夠與GaN溝道層形成導帶帶階，增強2DEG限域性，提高器件的微波性能和功率特性。可以提高緩衝層熱導率，有效降低AlGaN緩衝層HEMT器件的自熱效應。AlyGa1-yN緩衝層的晶體質量能得到有效提高。有助於進一步提升器件的性能及可靠性。
文檔編號H01L29/06GK102646700SQ20121013785
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月7日 優先權日2012年5月7日
發明者倪金玉, 張東國, 彭大青, 李亮, 李忠輝, 董遜 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所