一種藍寶石襯底AlN外延層高電子遷移率晶體管生長方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種藍寶石襯底AlN外延層高電子遷移率晶體管生長方法，在藍寶石襯底上依次生長高溫AlN層、中溫高Ⅴ-Ⅲ比GaN過渡層、高溫GaN緩沖層、GaN溝道層、AlN插入層、AlGaN勢壘層和GaN蓋層。本發(fā)明方法實用藍寶石作為襯底，降低成本，并采用金屬有機物化學氣相沉積在藍寶石襯底上外延生長足夠厚度的高溫AlN層，阻止了藍寶石襯底中氧的向上擴散，獲得半絕緣GaN緩沖層；同時，利用了中溫高Ⅴ-Ⅲ比GaN過渡層，降低了高溫GaN緩沖層的刃位錯密度，減少了對二維電子氣的散射，提高二維電子氣遷移率，從而實現(xiàn)高電子遷移率晶體管的制備。本發(fā)明做為一種藍寶石襯底AlN外延層高電子遷移率晶體管生長方法可廣泛應用于半導體【技術(shù)領域】。
【專利說明】一種藍寶石襯底AIN外延層高電子遷移率晶體管生長方法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導體【技術(shù)領域】，尤其是一種藍寶石襯底A1N外延層高電子遷移率晶 體管生長方法。

【背景技術(shù)】
[0002] HEMT作為微波器件的重要組成部分，廣泛用于移動通信、衛(wèi)星通信、雷達等設備 中。GaN及其III- V族化合物半導體材料由于具有大的禁帶寬度、高的電子飽和漂移速等 優(yōu)點，特別是在非摻雜的情況下，在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面就可以形成的具有高電子濃度 和高電子遷移率的二維電子氣，使其在大功率、高電壓的HEMT器件中有巨大的潛在應用價 值。由于二維電子氣的遷移率和濃度與器件的功率密度密切相關，所以提高二維電子氣的 遷移率和濃度是GaN基HEMT的關鍵所在。
[0003] 為了提高二維電子氣的性能參數(shù)，很多新型結(jié)構(gòu)、生長方法被提出，已經(jīng)驗證并商 業(yè)化的就是AlGaN/AlN/GaN結(jié)構(gòu)，利用薄的A1N插層減少合金散射和提高導帶帶階，從而提 高二維電子氣的遷移率和濃度。在器件工藝方面的技術(shù)也不斷發(fā)展，比如采用場板、不同鈍 化材料、T型柵等減小電流崩塌效應和提高器件功率密度和工作頻率。
[0004] 在襯底材料選擇方面，目前由于GaN和A1N單晶材料制備存在較大困難，無法規(guī)模 化應用，導致GaN基HEMT只能在其他異質(zhì)材料襯底上制作。Si襯底上GaN制備技術(shù)已近比 較成熟，并得到了商業(yè)化，但是距離器件應用還有很多問題需要解決。當前性能較好的GaN 基HEMT均是在SiC襯底上制作而成，但是SiC價格昂貴，限制了其推廣應用。因此，目前的 微波功率放大器還是以Si基CMOS和GaAs基增強型器件為主。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是：提供一種低成本實現(xiàn)的藍寶石襯底 A1N外延層高電子遷移率晶體管生長方法。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種藍寶石襯底A1N外延層高電子遷移率晶體管生 長方法，包括以下步驟： A、 將藍寶石襯底在氫氣氣氛中進行高溫處理； B、 在藍寶石襯底上利用三甲基鋁和氨氣在氫氣氣氛下生長厚度為1 μ m的高溫A1N 層； C、 在高溫A1N層上利用三甲基鎵和氨氣生長厚度為500nm的中溫高V -III比GaN過渡 層； D、 在中溫高V - III比GaN過渡層上生長半絕緣的高溫GaN緩沖層； E、 在高溫GaN緩沖層上生長高電子遷移率GaN溝道層； F、 在GaN溝道層上生長A1N插入層； G、 利用三甲基鋁、三甲基鎵和氨氣生長AlGaN勢壘層； H、 利用三甲基鎵和氨氣生長GaN蓋層。
[0007] 進一步，所述步驟A具體為：將藍寶石襯底在氫氣氣氛中用1020°C高溫處理15分 鐘。
[0008] 進一步，所述步驟D中生成的高溫GaN緩沖層厚度為2 μ m。
[0009] 進一步，所述步驟E中生成的GaN溝道層厚度為100nm。
[0010] 進一步，所述步驟F中生成的A1N插入層厚度為lnm。
[0011] 進一步，所述步驟G中AlGaN勢壘層中A1組分為25%。
[0012] 進一步，所述步驟G中AlGaN勢魚層的厚度為25 nm。
[0013] 進一步，所述步驟G中AlGaN勢壘層的生長過程中，保持溫度和壓力不變。
[0014] 進一步，所述步驟Η中GaN蓋層的厚度為1 nm。
[0015] 進一步，所述步驟Η中GaN蓋層的生長過程中，保持溫度和壓力不變。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明方法實用藍寶石作為襯底，降低成本，并采用金屬有 機物化學氣相沉積在藍寶石襯底上外延生長足夠厚度的高溫A1N層，阻止了藍寶石襯底中 氧的向上擴散，獲得半絕緣GaN緩沖層；同時，利用了中溫高V - III比GaN過渡層，降低了高 溫GaN緩沖層的刃位錯密度，減少了對二維電子氣的散射，提高二維電子氣遷移率，從而實 現(xiàn)高電子遷移率晶體管的制備。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為藍寶石襯底上高電子遷移率晶體管的生長結(jié)構(gòu)圖； 圖2為GaN緩沖層（002)晶面ω搖擺曲線測試結(jié)果； 圖3為GaN緩沖層（102)晶面ω搖擺曲線測試結(jié)果； 圖4為外延片方塊電阻測試結(jié)果。

【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明： 參照圖1，說明本發(fā)明的【具體實施方式】： 第一步：將藍寶石襯底在氫氣氣氛中高溫（1020°c)處理15分鐘。
[0019] 第二步：利用TMA1 (三甲基鋁）和純度為99. 99994%的氨氣在氫氣氣氛下生長厚 度約為Ιμπι的A1N，生長溫度為1150°C，反應室壓力為50mbar，V - III比為125。
[0020] 第三步：將溫度降到980°C?1000°C之間，反應室壓力為llOmbar，V -III變?yōu)?3600,利用TMGa (三甲基鎵）和氨氣生長厚度約為500nm的GaN過渡層。
[0021] 第四步：保持反應室壓力為llOmbar，將溫度升至1KKTC左右，V -III變?yōu)?800， 生長厚度約為2 μ m的半絕緣高溫GaN緩沖層。
[0022] 第五步：保持溫度不變，反應室壓力升至400mbar，V - III為12000,在半絕緣GaN 緩沖層上生長高電子遷移率的溝道層，其厚度約為lOOnm。
[0023] 第六步：將溫度升至1150°C左右，壓力降至lOOmbar，V - III調(diào)為6000,生長厚度 為 lnm 的 A1N。
[0024] 第七步：保持溫度、壓力不變，利用TMAl、TMGa和氨氣生長A1組分為25%的AlGaN 勢壘，其厚度約為25nm。
[0025] 第八步：保持溫度、壓力不變，利用TMGa和氨氣生長lnm的GaN蓋層。
[0026] 本發(fā)明方法通過在藍寶石上直接生長A1N外延層，之后優(yōu)化生長條件得到晶體質(zhì) 量較好的半絕緣GaN緩沖層，在此基礎上生長HEMT結(jié)構(gòu)是目前較為可行的方案。這種方法 采用相對廉價的藍寶石襯底，減小了成本壓力，而且整個過程屬于原位生長，生長所需條件 不是很苛刻，容易滿足。
[0027] 本發(fā)明的具體測試結(jié)果參照圖2-圖4,外延片方塊電阻是指一個正方形的薄膜導 電材料邊到邊之間的電阻，用來衡量某塊材料的導電能力的參數(shù)。方塊電阻與二維電子氣 有如下關系：

【權(quán)利要求】
1. 一種藍寶石襯底A1N外延層高電子遷移率晶體管生長方法，其特征在于：包括以下 步驟： A、 將藍寶石襯底在氫氣氣氛中進行高溫處理； B、 在藍寶石襯底上利用三甲基鋁和氨氣在氫氣氣氛下生長厚度為1 μ m的高溫A1N 層； C、 在高溫A1N層上利用三甲基鎵和氨氣生長厚度為500nm的中溫高V -III比GaN過渡 層； D、 在中溫高V - III比GaN過渡層上生長半絕緣的高溫GaN緩沖層； E、 在高溫GaN緩沖層上生長高電子遷移率GaN溝道層； F、 在GaN溝道層上生長A1N插入層； G、 利用三甲基鋁、三甲基鎵和氨氣生長AlGaN勢壘層； H、 利用三甲基鎵和氨氣生長GaN蓋層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藍寶石襯底A1N外延層高電子遷移率晶體管生長方法， 其特征在于：所述步驟A具體為：將藍寶石襯底在氫氣氣氛中用1020°C高溫處理15分鐘。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藍寶石襯底A1N外延層高電子遷移率晶體管生長方法， 其特征在于：所述步驟D中生成的高溫GaN緩沖層厚度為2 μ m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藍寶石襯底A1N外延層高電子遷移率晶體管生長方法， 其特征在于：所述步驟E中生成的GaN溝道層厚度為lOOnm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藍寶石襯底A1N外延層高電子遷移率晶體管生長方法， 其特征在于：所述步驟F中生成的A1N插入層厚度為lnm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藍寶石襯底A1N外延層高電子遷移率晶體管生長方法， 其特征在于：所述步驟G中AlGaN勢壘層中A1組分為25%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藍寶石襯底A1N外延層高電子遷移率晶體管生長方法， 其特征在于：所述步驟G中AlGaN勢壘層的厚度為25 nm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藍寶石襯底A1N外延層高電子遷移率晶體管生長方法， 其特征在于：所述步驟G中AlGaN勢壘層的生長過程中，保持溫度和壓力不變。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藍寶石襯底A1N外延層高電子遷移率晶體管生長方法， 其特征在于：所述步驟Η中GaN蓋層的厚度為1 nm。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藍寶石襯底A1N外延層高電子遷移率晶體管生長方法， 其特征在于：所述步驟Η中GaN蓋層的生長過程中，保持溫度和壓力不變。
【文檔編號】H01L21/205GK104091759SQ201410295141
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】何苗, 陳芳勝, 鄭樹文 申請人:華南師范大學