專利名稱：復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，屬于半導體單晶薄膜的外延生長技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)基高電子遷移率場效應(yīng)晶體管(HEMT)是一種基于氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型電子器件，氮化物材料特有的極化效應(yīng)使得在異質(zhì)結(jié)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(xiàn)工作。器件具有高頻、大功率的優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于無線通信基站、電力電子器件等信息收發(fā)、能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域，符合當前節(jié)能環(huán)保、綠色低碳的發(fā)展理念；GaN HEMT外延材料結(jié)構(gòu)一般包括襯底、成核層、緩沖層、溝道層和勢壘層。襯底一般為藍寶石、碳化硅(SiC)、單晶硅(Si)。對于通常采用的鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，緩沖層和溝道層均為GaN，勢壘層為AlGaN。在這種單異質(zhì)結(jié)構(gòu)中溝道層和緩沖層均為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沖層，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，一種有效的方法是采用低組分的AlGaN作緩沖層構(gòu)成AlxGahN/GaNAlyGa1^yN雙異質(zhì)結(jié)HEMT。在這種結(jié)構(gòu)中，2DEG溝道層與緩沖層之間形成GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)，得益于AlGaN的大帶隙和極化效應(yīng)，在GaN/AlGaN界面產(chǎn)生負極化電荷，抬高了導帶能級，增強了 2DEG限域性。然而，在AlGaN中由于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，顯著低于GaN薄膜130W/mK的熱導率。降低Al組分有助于提高熱導率，當組分為O. 04時，熱導率為70 W/mK，但仍低于GaN。由于AlGaN緩沖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(yīng)用潛力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)和生長方法；通過采用AlyGai_yN/GaN復合結(jié)構(gòu)代替通常采用的單一結(jié)構(gòu)的AlyG&1_yN緩沖層；與單一結(jié)構(gòu)AlyGapyN緩沖層一樣，這種復合結(jié)構(gòu)緩沖層依然能夠與GaN溝道層形成GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)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；由于隨著AlGaN合金中存在合金散射，AlGaN的熱導率低于GaN。因此，這種AlyGai_yN/GaN復合緩沖層在增強2DEG限域性的同時，熱導率顯著提高，是一種降低AlGaN緩沖層HEMT器件的自熱效應(yīng)的有效方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是其特征是襯底上是生長成核層；成核層上是第一緩沖層；第一緩沖層上是生長第二緩沖層；第二緩沖層上是生長溝道層；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(jīng)清洗、吹干后在反應(yīng)室內(nèi)高溫烘烤；
第二步，在襯底上生長成核層；
第三步，在成核層上第一緩沖層；
第四步，在第一緩沖層上生長第二緩沖層；
第五步，在第二緩沖層上生長溝道層；
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 ；
所述的第一緩沖層是生長在成核層上的GaN薄膜，厚度為O. 1-2. 5um ；
所述的第二緩沖層為生長在第一緩沖層上的AlyGai_yN薄膜，可以是組分恒定的(Al組分范圍y=0. 02-0. 08，優(yōu)化值為O. 04)，也可以是組分漸變的(由第一緩沖層向溝道層方向Al組分由O漸變到y(tǒng), y=0. 02-0. 08，優(yōu)化值為O. 04)，厚度為O. 1-1. Oum ；
所述的溝道層為GaN，生長在第一緩沖層上，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(zhì)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有以下優(yōu)點1)采用AlyGai_yN/GaN復合緩沖層依然能夠與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)復合緩沖層中AlyGai_yN部分較薄，可以提高緩沖層熱導率，有效降低AlGaN緩沖層HEMT器件的自熱效應(yīng)。3、)在GaN緩沖層上生長的AlyG&1_yN緩沖層的晶體質(zhì)量能得到有效提高。有助于進一步提升器件的性能及可靠性。


附圖I是AlyGai_yN/GaN復合緩沖層GaN HEMT外延材料結(jié)構(gòu)示意圖。圖中的I是襯底為藍寶石、SiC或51，2是成核層為6&隊么故或416&13是第一緩沖層為GaN薄膜，4是第二緩沖層為AlyGai_yN薄膜。其中第二緩沖層4可以是組分恒定的(Al組分y=0. 02-0. 08，優(yōu)化值為O. 04)，也可以是組分漸變的(由第一緩沖層3向溝道層5方向Al組分由O漸變到y(tǒng), y=0. 02-0. 08，優(yōu)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(shù)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(gòu)成AlyGai_yN/GaN復合緩沖層；
6)關(guān)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(shù)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厚組分恒定AlyGai_yN，Al組分y=0. 04，與4)的GaN構(gòu)成AlyGai_yN/GaN復合緩沖層；
6)關(guān)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(shù)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(gòu)成AlGaN/GaN復合緩沖層；
6)關(guān)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(shù)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厚組分恒定AlyGai_yN，Al組分y=0. 04，與4)的GaN構(gòu)成AlyGai_yN/GaN復合緩沖層；
6)關(guān)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(shù)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(gòu)成AlyGai_yN/GaN復合緩沖層；7)關(guān)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(shù)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厚組分恒定AlyGai_yN，Al組分y=0. 04，與5)的GaN構(gòu)成AlyGai_yN/GaN復合緩沖層；
7)關(guān)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(shù)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(gòu)成AlyGai_yN/GaN復合緩沖層；
6)關(guān)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(shù)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厚組分恒定AlyGai_yN，Al組分y=0. 04，與5)的GaN構(gòu)成AlyGai_yN/GaN復合緩沖層；
7)關(guān)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(quán)利要求
1.復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，其特征是襯底上是生長成核層；成核層上是第一緩沖層；第一緩沖層上是生長第二緩沖層；第二緩沖層上是生長溝道層；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(jīng)清洗、吹干后在反應(yīng)室內(nèi)高溫烘烤； 第二步，在襯底上生長成核層； 第三步，在成核層上第一緩沖層； 第四步，在第一緩沖層上生長第二緩沖層； 第五步，在第二緩沖層上生長溝道層； 第六步，在溝道層上生長勢壘層； 第七步，降至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，其特征是所述的第一緩沖層為GaN，生長在成核層表面，第二緩沖層為AlyGai_yN生長在第一緩沖層上面，第一緩沖層和第二緩沖層構(gòu)成AlyGai_yN/GaN復合緩沖層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，其特征是所述的AlyGai_yN/GaN復合緩沖層中的第二緩沖層是組分恒定的Al組分范圍y=0. 02-0. 08，或是組分漸變的由第一緩沖層向溝道層方向Al組分由O漸變到y(tǒng)，y=0. 02-0. 08。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氮復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，其特征是所述AlyGai_yN/GaN復合緩沖層中的第二緩沖層的厚度為O. 1-1. Oum，第一緩沖層的厚度為 O. 1-2. 5mο
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，其特征是所述的AlyGai_yN/GaN復合緩沖層的生長溫度為70(Tl200°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，其特征是所述的溝道層為GaN，厚度為10-500nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，其特征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(zhì)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明是復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是襯底上是生長成核層；成核層上是第一緩沖層；在緩沖層上是生長緩沖層；在第二緩沖層上是生長溝道層；在溝道層上是生長勢壘層；其生長方法包括，襯底經(jīng)清洗、吹干后在反應(yīng)室內(nèi)高溫烘烤；在襯底上生長成核層；在成核層上第一緩沖層；在緩沖層上生長緩沖層；在緩沖層上生長溝道層；在溝道層上生長勢壘層；降至室溫。優(yōu)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?？梢蕴岣呔彌_層熱導率，有效降低AlGaN緩沖層HEMT器件的自熱效應(yīng)。AlyGa1-yN緩沖層的晶體質(zhì)量能得到有效提高。有助于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(yōu)先權(quán)日2012年5月7日
發(fā)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