CN101005034A - 碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种碳化硅衬底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：选择一种碳化硅衬底；采用金属有机物化学气相沉积法，在衬底上生长一层高温氮化铝成核层；改变衬底温度，在高温氮化铝成核层上生长非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层；改变生长室压力，在非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层上生长非有意掺杂高迁移率氮化镓层；改变衬底温度和生长室压力，在非有意掺杂高迁移率氮化镓层上生长氮化铝插入层；最后在氮化铝插入层上生长铝镓氮层。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是指一种碳化硅衬底上氮化镓高电子迁移率晶体管及制作方法。
背景技术
由于传统的硅和砷化镓基高电子迁移率晶体管已无法满足高温、高频、大功率和抗辐射应用的需要，促使人们开发新的半导体材料体系和器件来满足这种需要。氮化镓作为第三代宽禁带半导体的典型代表，具有优良的热稳定性及化学稳定性、高击穿电压、高电子饱和漂移速度及优良的抗辐射性能，特别适合制备具有高温、高频、大功率和抗辐照特性的高电子迁移率晶体管。氮化镓高电子迁移率晶体管在无线通讯、航天航空、雷达、高温辐射环境、石油勘探、自动化控制、汽车电子等领域具有广阔的应用前景。
氮化镓高电子迁移率晶体管的工作原理：由于组成异质结的两种材料禁带宽度不同，在氮化镓和铝镓氮异质结界面处形成了势阱和势垒，由于极化效应或调制掺杂产生的自由电子，积累在非掺杂的氮化镓层靠近界面的三角形势阱中，形成二维电子气，由于使势阱中的这些电子与势垒中的电离杂质空间分离，大大降低了库仑散射，从而显著提高了材料的迁移率。研制成器件后，通过栅电极可控制异质结界面处的二维电子气浓度，在一定的直流偏压下，可对高频微波信号进行放大。
氮化镓高电子迁移率晶体管结构最常用的衬底材料为碳化硅和蓝宝石，碳化硅同氮化镓的晶格常数更为接近，因此异质外延的氮化镓材料具有更高的晶体质量，而且碳化硅热导率是蓝宝石的10倍，是制备氮化镓基高温、高频和大功率微波功率器件的理想衬底材料。碳化硅衬底较其它衬底外延的氮化镓材料和高电子迁移率晶体管具有更优的散热和其它性能。
在本发明以前，碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管经常采用的结构为：在半绝缘碳化硅衬底上依次生长氮化铝成核层和通过掺杂补偿得到的氮化镓高阻层，再生长铝镓氮层。二维电子气浓度和电子迁移率是表征高电子迁移率晶体管结构材料质量的重要参数，同时提高沟道中二维电子气浓度和电子迁移率是提高氮化镓高电子迁移率晶体管的输出电流密度和功率密度的重要措施。目前，为了提高氮化镓高电子迁移率晶体管结构材料的二维电子气浓度和迁移率，通常对铝镓氮势垒层进行n型掺杂，可以在一定程度上提高沟道中的二维电子气浓度。但掺杂会降低材料晶格的完整性和产生电离杂质，从而导致铝镓氮层的晶体质量下降，氮化镓和铝镓氮层之间的界面粗糙程度增加，因此其迁移率的提高效果并不理想。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管，具有更好散热性能。
本发明的第二个目的是提供一种碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管，具有更高二维电子气迁移率；
本发明的第三个目的是提供一种碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管，可更加有效限制沟道电子向势垒层和表面泄漏的碳化硅衬底上；
本发明的第四个目的是提供一种碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管及制作方法，具有工艺合理、成品率高的优点。
本发明采用新型的高迁移率氮化镓薄层作为沟道层，并在氮化镓沟道层和铝镓氮势垒层之间引入一薄层氮化铝插入层，通过精确控制生长条件，如温度、压力、V/III比，有效缓解了晶格失配带来的应力和提高了沟道层的晶体质量，生长出了碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管结构材料。高迁移率氮化镓沟道层为二维电子气提供了一个良好的通道，显著提高了沟道电子迁移率。氮化铝插入层的一个作用是利用二元化合物将沟道电子和三元化合物铝镓氮势垒层隔开，减少了电子散射，进一步提高了沟道电子迁移率；氮化铝插入层的另一个作用是利用其禁带宽度大于氮化镓的特点，有效限制了电子向铝镓氮势垒层和表面的泄漏。本发明可获得迁移率更高的碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管结构材料，同时提高了材料的晶体质量和样品表面的平整度；该材料结构具有更好的散热性能，并可更加有效限制沟道电子向势垒层和表面泄漏。
本发明提供一种碳化硅衬底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：
选择-碳化硅衬底；
采用金属有机物化学气相沉积法，在衬底上生长一层高温氮化铝成核层；
改变衬底温度，在高温氮化铝成核层上生长非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层；
改变生长室压力，在非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层上生长非有意掺杂高迁移率氮化镓层；
改变衬底温度和生长室压力，在非有意掺杂高迁移率氮化镓层上生长氮化铝插入层；
最后在氮化铝插入层上生长铝镓氮层。
其中所述的衬底为半绝缘或导电4H碳化硅衬底或半绝缘或导电6H碳化硅衬底。
其中所述的高温氮化铝成核层的生长温度为800-1200℃，生长压力为200-500torr，生长厚度为0.01-0.10μm。
其中所述的非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的生长温度在900-1100℃之间，生长压力为100-300torr，生长厚度为1-5μm。
其中所述的非有意掺杂高迁移率氮化镓层的生长温度在900-1100℃之间，生长压力为300-600torr，生长厚度为0.05-0.5μm。
其中所述的氮化铝插入层的生长温度在850-1100℃之间，生长压力为100-300torr，生长厚度为0.8-3nm。
其中所述的铝镓氮层为非有意掺杂的或n型掺杂的，生长温度在850-100℃之间，生长压力为100-300torr，生长厚度为15-35nm，Al组分在0.05-0.5之间。
本发明一种碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，其中包括：
一碳化硅衬底；
一高温氮化铝成核层，该层高温氮化铝成核层制作在碳化硅衬底的上面；
一非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层，该非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层制作在高温氮化铝成核层的上面；
一非有意掺杂高迁移率氮化镓层，该非有意掺杂高迁移率氮化镓层制作在非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的上面；
一氮化铝插入层，该氮化铝插入层制作在非有意掺杂高迁移率氮化镓层的上面；
一非有意掺杂或n型掺杂铝镓氮层，该铝镓氮层制作在氮化铝插入层的上面。
其中所述的衬底为半绝缘或导电4H碳化硅衬底或半绝缘或导电6H碳化硅衬底。
其中高温氮化铝成核层的厚度为0.01-0.1μm。
其中非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的厚度为1-5μm。
其中非有意掺杂高迁移率氮化镓层的厚度为0.05-0.5μm。
其中氮化铝插入层的厚度为0.8-3nm。
其中铝镓氮层为非有意掺杂的或n型掺杂的，厚度为15-35nm，铝组分在0.05-0.5之间。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施方式对本发明作一详细的描述，其中：
图1为本发明的碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管的结构示意图；
图2为本发明的碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管结构的电子迁移率及二维电子气浓度随温度的变化曲线；
图3为本发明的碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管结构的表面粗糙度测试结果。
具体实施方式
本发明关键在于结构上采用新型的高迁移率氮化镓薄层作为沟道层，并在氮化镓沟道层和铝镓氮势垒层之间引入一薄层氮化铝插入层，工艺上通过精确控制生长条件，如温度、压力、V/III比，来有效缓解晶格失配带来的应力和提高沟道层的晶体质量，从而外延生长出高品质的碳化硅衬底氮化镓晶体管结构材料。高迁移率氮化镓沟道层为二维电子气提供了一个良好的通道，显著提高了沟道迁移率和晶体质量。氮化铝插入层的一个作用是利用二元化合物将沟道电子和三元化合物铝镓氮势垒层隔开，减少了电子散射，进一步提高了沟道电子迁移率；氮化铝插入层的另一个作用是利用其禁带宽度大于氮化镓的特点，有效限制了电子向铝镓氮势垒层和表面的泄漏。
请参阅图1所示，本发明一种碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，包括如下步骤：
选择-碳化硅衬底10，该衬底10的材料为半绝缘或导电4H碳化硅衬底或半绝缘或导电6H碳化硅衬底；
采用金属有机物化学气相沉积法，首先在衬底上生长一层高温氮化铝成核层20，该高温氮化铝成核层20的生长温度为800-1200℃，生长压力为200-500torr，生长厚度为0.01-0.10μm；
改变衬底温度10，在高温氮化铝成核层20上生长非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层30，非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的生长温度在900-1100℃之间，生长压力为100-300torr，生长厚度为1-5μm；
改变生长室压力，在非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层30上生长非有意掺杂高迁移率氮化镓层40，该非有意掺杂高迁移率氮化镓层的生长温度在900-1100℃之间，生长压力为300-600torr，生长厚度为0.05-0.5μm；
改变衬底温度和生长室压力，在非有意掺杂高迁移率氮化镓层40上生长氮化铝插入层50，该氮化铝插入层的生长温度在850-1100℃之间，生长压力为100-300torr，生长厚度为0.8-3nm；
最后生长铝镓氮层60，该铝镓氮层为非有意掺杂的或n型掺杂的，生长温度在850-1100℃之间，生长压力为100-300torr，生长厚度为15-35nm，Al组分在0.05-0.5之间。
请再参阅图1所示，本发明一种碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管的结构，其特征在于，其中包括：
一碳化硅衬底10，该碳化硅衬底10材料为半绝缘或导电4H碳化硅衬底或半绝缘或导电6H碳化硅衬底；
一高温氮化铝成核层20，该层高温氮化铝成核层20制作在碳化硅衬底10的上面，厚度为0.01-0.1μm；
一非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层30，该非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层30制作在高温氮化铝成核层20的上面，厚度为1-5μm；
一非有意掺杂高迁移率氮化镓层40，该非有意掺杂高迁移率氮化镓层40制作在非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层30的上面，厚度为0.05-0.5μm；
一氮化铝插入层50，该氮化铝插入层制作在非有意掺杂高迁移率氮化镓层40的上面，厚度为0.8-3nm；
一非有意掺杂或n型掺杂铝镓氮层60，该铝镓氮层制作在氮化铝插入层50的上面，厚度为15-35nm，Al组分在0.05-0.5之间。
本发明碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管结构的各生长层具体生长温度，生长压力及生长厚度如表1所示：
表1
| 生长层名称 | 生长温度 | 生长压力 | 生长厚度 |
| 高温氮化铝成核层 | 800-1200℃ | 200-500torr | 0.01-0.10μm |
| 氮化镓高阻层 | 900-1100℃ | 100-300torr | 1-5μm |
| 高迁移率氮化镓层 | 900-1100℃ | 300-600torr | 0.05-0.5μm |
| 氮化铝插入层 | 850-1100℃ | 100-300torr | 0.8-3nm |
| 铝镓氮层 | 850-1100℃ | 100-300torr | 15-35nm |
对由以上步骤获得的样品进行测试分析，证明用此方法生长获得的碳化硅衬底新结构氮化镓高电子迁移率晶体管材料具有很高的迁移率。变温霍耳测试结果证明该材料的室温电子迁移率大于1800cm2/V.s，二维电子气浓度大于1.0×1013cm-2(图2)，低温80K时电子气迁移率大于11500cm2/V.s，二维电子气浓度大于1.0×1013cm-2；原子力显微镜测试结果证实该材料表面粗糙度小于0.30nm(图3)。
本发明降低了工艺难度，减少了工艺步骤，获得了具有更高迁移率的碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管结构材料，同时提高了材料的晶体质量和样品表面的平整度；该材料结构具有更好的散热性能，并可更加有效限制沟道电子向势垒层和表面泄漏。因此，本发明可显著改善和提高氮化镓基高温、高频、大功率器件和电路的性能。
Claims (14)
1.一种碳化硅衬底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：
选择-碳化硅衬底；
采用金属有机物化学气相沉积法，在衬底上生长一层高温氮化铝成核层；
改变衬底温度，在高温氮化铝成核层上生长非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层；
改变生长室压力，在非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层上生长非有意掺杂高迁移率氮化镓层；
改变衬底温度和生长室压力，在非有意掺杂高迁移率氮化镓层上生长氮化铝插入层；
最后在氮化铝插入层上生长铝镓氮层。
2.根据权利要求1所述的氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中所述的衬底为半绝缘或导电4H碳化硅衬底或半绝缘或导电6H碳化硅衬底。
3.根据权利要求1所述的氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中所述的高温氮化铝成核层的生长温度为800-1200℃，生长压力为200-500torr，生长厚度为0.01-0.10μm。
4.根据权利要求1所述的氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中所述的非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的生长温度在900-1100℃之间，生长压力为100-300torr，生长厚度为1-5μm。
5.根据权利要求1所述的氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中所述的非有意掺杂高迁移率氮化镓层的生长温度在900-1100℃之间，生长压力为300-600torr，生长厚度为0.05-0.5μm。
6.根据权利要求1所述的氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中所述的氮化铝插入层的生长温度在850-1100℃之间，生长压力为100-300torr，生长厚度为0.8-3nm。
7.根据权利要求1所述的氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中所述的铝镓氮层为非有意掺杂的或n型掺杂的，生长温度在850-1100℃之间，生长压力为100-300torr，生长厚度为15-35nm，Al组分在0.05-0.5之间。
8.一种碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，其中包括：
一碳化硅衬底；
一高温氮化铝成核层，该层高温氮化铝成核层制作在碳化硅衬底的上面；
一非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层，该非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层制作在高温氮化铝成核层的上面；
一非有意掺杂高迁移率氮化镓层，该非有意掺杂高迁移率氮化镓层制作在非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的上面；
一氮化铝插入层，该氮化铝插入层制作在非有意掺杂高迁移率氮化镓层的上面；
一非有意掺杂或n型掺杂铝镓氮层，该铝镓氮层制作在氮化铝插入层的上面。
9.根据权利要求8所述的碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，其中所述的衬底为半绝缘或导电4H碳化硅衬底或半绝缘或导电6H碳化硅衬底。
10.根据权利要求8所述的碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，其中高温氮化铝成核层的厚度为0.01-0.10μm。
11.根据权利要求8所述的碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，其中非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的厚度为1-5μm。
12.根据权利要求8所述的碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，其中非有意掺杂高迁移率氮化镓层的厚度为0.05-0.5μm。
13.根据权利要求8所述的碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，其中氮化铝插入层的厚度为0.8-3nm。
14.根据权利要求8所述的碳化硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，其中铝镓氮层为非有意掺杂的或n型掺杂的，厚度为15-35nm，铝组分在0.05-0.5之间。
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