CN100418199C - 铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：先在蓝宝石(0001)衬底或碳化硅(0001)衬底或硅(111)衬底晶面上采用金属有机物化学气相沉积方法或分子束外延方法或氢化物气相外延方法生长一薄层氮化铝成核层；步骤2：之后生长一层较厚的高阻半绝缘氮化镓缓冲层；步骤3：接着生长高铝含量的铝镓氮势垒层，包括未掺杂铝镓氮空间隔离层、n型掺杂的铝镓氮载流子供给层；步骤4：最后生长一薄层氮化镓盖帽层。

Description

铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别指具有高二维电子气浓度的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法。
背景技术
III-V族氮化镓(GaN)及其化合物半导体材料形成的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构在高温、高频、大功率、抗辐射微波器件和电路领域有非常重要的应用前景，这主要是因为组成AlGaN/GaN异质结构的半导体材料具有大的禁带宽度，高的击穿电场，好的化学稳定性以及强的抗辐射能力，同时也因为GaN材料具有高的电子饱和漂移速度和峰值漂移速度，更重要的是因为在AlGaN/GaN异质结界面附近GaN材料一侧可形成具有高电子浓度和高电子迁移率的二维电子气。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管在航天航空、高温强辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子等方面有重要的作用。高性能的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管和电路需要高浓度的二维电子气和高的二维电子气迁移率，提高二维电子气浓度和迁移率是提高AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管和电路性能的关键所在。
本发明以前的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构的势垒层AlGaN具有较低的铝组分，一般在10-25％之间。提高二维电子气浓度的方法主要有增加势垒层n型掺杂的浓度、调整AlGaN势垒层的厚度、采用沟道掺杂等。而通过采用高Al势垒层结构来提高沟道二维电子气浓度的研究极少。
AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构不同于其它材料结构最大的一个特点就是，即使势垒层非故意掺杂，沟道中的二维电子气的浓度都可以达到1013cm-2，远远超过了传统的砷化镓(GaAs)基和磷化铟基高电子迁移率晶体管结构材料所能产生的二维电子气浓度。要增加沟道层中2DEG的浓度，其一要增加AlGaN和GaN之间导带的不连续性，以增加沟道对电荷的控制作用；其二要增加极化作用，以增加极化电荷浓度，增加沟道电子浓度。提高势垒层中Al的含量，是增加沟道中2DEG浓度的重要方法，因为AlGaN势垒层中Al的含量增加，可以增加AlGaN的禁带宽度，增加AlGaN和GaN之间导带的不连续性；而且Al含量增加，也增加了AlGaN的自发极化和压电极化作用，增加了极化电荷密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其可极大地提高铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管(AlGaN/GaNHEMT)结构的二维电子气浓度，从而极大地改善铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管和电路的性能，提高输出功率，降低微波系统的体积和重量。
本发明一种铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：先在蓝宝石(0001)衬底或碳化硅(0001)衬底或硅(111)衬底晶面上采用金属有机物化学气相沉积方法或分子束外延方法或氢化物气相外延方法生长一薄层氮化铝成核层；
步骤2：之后生长一层较厚的高阻半绝缘氮化镓缓冲层；
步骤3：接着生长铝含量为25-50％的铝镓氮势垒层，包括未掺杂铝镓氮空间隔离层、n型掺杂的铝镓氮载流子供给层；
步骤4：最后生长一薄层氮化镓盖帽层。
其中步骤1所述的薄层氮化铝成核层，生长厚度约20nm。
其中步骤2所述的半绝缘氮化镓缓冲层，缓冲层厚度为1.5-3.5μm。
其中步骤3所述的铝镓氮空间隔离层和n型掺杂的铝镓氮载流子供给层两部分，生长厚度分别约为2-3nm和150-300nm。
其中步骤4所述的势垒层之上再生长一薄层氮化镓盖帽层，生长厚度约为1nm。
本发明的关键在于解决提高AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构沟道二维电子气浓度的问题。本发明以前提高AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构沟道二维电子浓度的方法主要有增加势垒层n型掺杂的浓度、调整AlGaN势垒层的厚度、采用沟道掺杂结构等。本发明提出采用高Al含量AlGaN势垒层结构来提高沟道二维电子气的浓度。采用高Al组分势垒层结构，将势垒层Al的组分增加为25-50％，大大增加了AlGaN/GaN之间导带的不连续性和材料的自发极化、压电极化作用，因而增加了沟道之间导带的不连续性和材料的自发极化、压电极化作用，因而增加了沟道电子浓度；同时为了解决Al组分提高给异质结构带来的其它不利影响，又增加了GaN缓冲层的厚度，提高了外延材料的晶体质量，增加了异质结界面的平整度，减小了对电子的散射，保证了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管整体性能的提高。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合具体实施方式及附图对本发明作一详细的描述，其中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的铝镓氮/氮化镓HEMT结构三轴X射线衍射测试结果图；
图3是本发明的铝镓氮/氮化镓HEMT结构的变温霍尔效应测试结果图。
具体实施方式
首先请参阅参阅图1，本发明一种铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：先在蓝宝石(0001)衬底或碳化硅(0001)衬底或硅(111)衬底10晶面上采用金属有机物化学气相沉积方法或分子束外延方法或氢化物气相外延方法生长一薄层氮化铝成核层20，该薄层氮化铝成核层20，生长厚度约20nm；
步骤2：之后生长一层较厚的高阻半绝缘氮化镓缓冲层30，该半绝缘氮化镓缓冲层30，缓冲层厚度为1.5-3.5μm；
步骤3：接着生长高铝含量的铝镓氮势垒层70，包括未掺杂铝镓氮空间隔离层40、n型掺杂的铝镓氮载流子供给层50，铝镓氮空间隔离层40和n型掺杂的铝镓氮载流子供给层50两部分，生长厚度分别约为2-3nm和150-300nm；该势垒层70中铝的含量高达25-50％；
步骤4：最后生长一薄层氮化镓盖帽层60，该薄层氮化镓盖帽层60的生长厚度约为1nm。
实施例
请再参阅图1，首先在衬底蓝宝石(0001)10晶面上采用分子束外延技术生长一层氮化铝成核层20，衬底温度约600-700℃，生长厚度约02nm。
在氮化铝成核层20上生长一厚层非故意掺杂的半绝缘氮化镓缓冲层30，衬底温度约800℃，氮气流量为1.2sccm，RF功率400W，生长厚度2μm。
在氮化镓缓冲层30上生长高Al含量的势垒层70，包括非故意掺杂的空间隔离层40和n型掺杂的载流子供给层50，生长厚度分别为3nm和21nm，Al的含量均为43.2％，载流子供给层中Si的掺杂浓度为2×10-18cm-3。
最后生长氮化镓盖帽层60，生长厚度为1nm。
用此方法生长的AlGaN/GaN晶体质量较高，在三轴X射线衍射图谱中观察到了GaN和AlGaN的(0002)衍射峰(图2)，利用Vagard定理，计算得到势垒层中Al的含量高达43.2％。变温霍尔测量显示此高电子迁移率晶体管结构有良好的电学特性(图3)，室温下二维电子气浓度为1.429×1013cm-2，80K时为1.427×1013cm-2，500K时为1.506×1013cm-2，三种情况下相应的二维电子的迁移率分别为1268cm2/V.s、2463cm2/V.s、423cm2/V.s，表明增加势垒层中Al的组分可以大大提高沟道电子浓度，并且通过优化结构设计和生长条件，并没有影响电子的迁移率。
本发明利用高Al含量势垒层结构的方法提高了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构的二维电子浓度，并通过优化高电子迁移率晶体管结构的设计和生长条件减小了Al组分增加对材料晶体质量和二维电子气迁移率的影响，最终在衬底蓝宝石上得到了高二维电子气浓度的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构，对高性能高温、大功率、高频、抗辐射AlGaN/GaN微波器件和电路的制造打下了基础。

Claims (4)

1. 一种铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：先在蓝宝石(0001)衬底或碳化硅(0001)衬底或硅(111)衬底晶面上采用金属有机物化学气相沉积方法或分子束外延方法或氢化物气相外延方法生长一薄层氮化铝成核层；
步骤2：之后生长一层较厚的高阻半绝缘氮化镓缓冲层；
步骤3：接着生长铝含量为25-50％的铝镓氮势垒层，包括未掺杂铝镓氮空间隔离层、n型掺杂的铝镓氮载流子供给层；
步骤4：最后生长一薄层氮化镓盖帽层，该薄层氮化镓盖帽层的厚度为1nm。
2. 根据权利要求1所述的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中步骤1所述的薄层氮化铝成核层，生长厚度为20nm。
3. 根据权利要求1所述的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中步骤2所述的半绝缘氮化镓缓冲层，缓冲层厚度为1.5-3.5μm。
4. 根据权利要求1所述的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中步骤3所述的铝镓氮空间隔离层和n型掺杂的铝镓氮载流子供给层两部分，生长厚度分别为2-3nm和150-300nm。
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