CN101136432A - 宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构，包括：一衬底；一高温氮化铝成核层，该高温氮化铝成核层制作在衬底的上面；一铝(铟)镓氮超晶格缓冲层，该铝(铟)镓氮超晶格缓冲层制作在高温氮化铝成核层的上面；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铝(铟)镓氮超晶格缓冲层的上面；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(铟)镓氮层，该铝(铟)镓氮层制作在氮化铝插入层的上面。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是指一种使用超晶格结构缓冲层和高迁移率氮化镓沟道层的氮化镓基异质结场效应晶体管结构及其制作方法，可以显著降低材料的晶格缺陷和提高沟道二维电子气迁移率。
背景技术
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异质结场效应晶体管。氮化镓基异质结场效应晶体管在无线通讯、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。
氮化镓基异质结场效应晶体管的工作原理：由于组成异质结的两种材料禁带宽度不同，在氮化镓和铝(铟)镓氮(AlxInyGazN)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。
高热导率碳化硅和硅是目前制备氮化镓基高温、高频和大功率微波功率器件较为理想的衬底材料。其中碳化硅同氮化镓具有较小的晶格失配，热导率是蓝宝石的10倍，较其它异质衬底外延的氮化镓材料和异质结场效应晶体管具有更高的晶体质量，更优的散热和器件性能。但是，碳化硅比氮化镓热膨胀系数小，当碳化硅衬底和氮化镓膜生长后冷却到室温时，氮化镓膜的收缩大于衬底，使得氮化镓膜受到拉应力而容易开裂。因此，降低失配应力是在碳化硅衬底上生长高质量氮化镓外延结构需要重点解决的一个问题。硅衬底材料的生长工艺最为成熟，价格便宜，晶体质量好，适合大直径工艺，而且具有较好的高热导率和和便于光电集成，在民用领域展现了广阔的应用前景。但与氮化镓之间存在比较大的晶格失配，外延氮化镓材料晶体缺陷密度较高，材料质量较差，需要改进材料外延工艺和进一步进行结构设计，提高材料质量，发挥其高热导率长处，性能有望超过蓝宝石衬底。
在本发明以前，碳化硅衬底氮化镓基异质结场效应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。氮化铝成核层和氮化镓缓冲层缓解了衬底与氮化镓外延层之间的失配应力，降低了氮化镓外延层的缺陷密度，但仍需要进一步采取措施来消除外延结构的失配应力和降低外延膜的缺陷密度，从而避免碳化硅衬底外延的氮化镓基异质结场效应晶体管结构材料开裂和提高晶体质量。
二维电子气迁移率和浓度是表征异质结场效应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迁移率和浓度是提高氮化镓基异质结场效应晶体管的输出电流密度和功率密度的重要措施。目前，为了提高氮化镓基异质结场效应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，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高热导率碳化硅和硅衬底氮化镓基异质结场效应晶体管，具有更好散热性能；
本发明的第二个目的是提供一种氮化镓基异质结场效应晶体管，具有更低的缺陷密度和更高的晶体质量；
本发明的第三个目的是提供一种氮化镓基异质结场效应晶体管，具有更高的二维电子气迁移率；
本发明的第四个目的是提供一种氮化镓基异质结场效应晶体管，可更加有效限制沟道电子向缓冲层、势垒层和表面泄漏；
本发明的第五个目的是提供使用超晶格缓冲层结构来消除氮化镓外延层失配应力以及显著降低晶格缺陷的方法；
本发明的第六个目的是提供使用高迁移率氮化镓薄层来提高氮化镓沟道层和铝(铟)镓氮势垒层界面质量的方法；
本发明的第七个目的是提供一种氮化镓基异质结场效应晶体管及制作方法，具有工艺合理、成品率高的优点。
本发明采用经优化组合设计而成的独特复合缓冲层结构(包括高温氮化铝成核层，铝(铟)镓氮超晶格缓冲层和高阻氮化镓缓冲层)，采用新型的高迁移率氮化镓薄层作为沟道层，该层位于高阻氮化镓缓冲层和铝(铟)镓氮之间，并在高迁移率氮化镓沟道层和铝(铟)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和热膨胀失配带来的应力，降低了氮化镓外延层的缺陷密度，提高了沟道层的晶体质量，生长出了氮化镓基异质结场效应晶体管结构材料。
该缓冲层结构可有效降低氮化镓外延结构和碳化硅或硅衬底之间的失配应力，减少外延结构缺陷密度和限制沟道电子向衬底方向泄漏。铝(铟)镓氮超晶格缓冲层一个作用是可显著降低来自衬底的热膨胀失配和晶格失配导致的晶格缺陷，提高外延结构晶体质量；铝(铟)镓氮超晶格缓冲层另一个作用是可以改变来自衬底和氮化铝成核层的穿透位错等晶体缺陷的传播方向，阻止其向外延结构扩展。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，显著提高了沟道二维电子气迁移率。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多元化合物铝(铟)镓氮势垒层隔开，减少了电子散射，进一步提高了沟道二维电子气迁移率；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(铟)镓氮势垒层和表面的泄漏。
本发明可获得缺陷密度更低和迁移率更高的碳化硅衬底和硅衬底氮化镓基异质结场效应晶体管结构材料，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缓冲层、势垒层和表面泄漏。
本发明一种宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构，其特征在于，其中包括：
一衬底；
一高温氮化铝成核层，该高温氮化铝成核层制作在衬底的上面；
一AlxInyGazN超晶格缓冲层，该AlxInyGazN超晶格缓冲层制作在高温氮化铝成核层的上面；
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AlxInyGazN超晶格缓冲层的上面；
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AlxInyGazN层，该AlxInyGazN层制作在氮化铝插入层的上面。
其中所述的衬底采用高热导率碳化硅和硅衬底，特别是与氮化镓晶格失配较小的碳化硅衬底或半绝缘或导电4H碳化硅衬底或半绝缘或导电6H碳化硅衬底；也可采用蓝宝石等其它适合氮化镓基异质结场效应晶体管材料外延的衬底。
其中高温氮化铝成核层的厚度为0.01-0.50μm，优选值为0.03-0.30μm。
其中AlxInyGazN超晶格缓冲层的周期在2-50个之间，单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm。
其中AlxInyGazN超晶格缓冲层的具体结构为：2-50个周期的晶格常数不同的AlxInyGazN超晶格缓冲层的交替层，该AlxInyGazN超晶格缓冲层的交替层中的x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1。
其中铝AlxInyGazN超晶格缓冲层包括氮化铝/铝镓氮超晶格结构，周期在2-50个之间，氮化铝单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm；铝镓氮单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm。
其中非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的厚度为1-5μm 。
其中非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的室温电阻率大于1×106Ω.cm，优选值大于1×108Ω.cm。
其中非有意掺杂高迁移率氮化镓层的厚度为0.03-0.5μm。
其中非有意掺杂高迁移率氮化镓层的室温迁移率大于500cm2/Vs，优选值大于700cm2/Vs。
其中氮化铝插入层的厚度为0.8-3nm。
其中AlxInyGazN层为非有意掺杂的或n型掺杂的，厚度为10-50nm，该AlxInyGazN超晶格缓冲层中的x+y+z＝1，0<x≤l，0≤y<1，0<z<1。
其中AlxInyGazN超晶格缓冲层包括非有意掺杂的或n型掺杂的铝镓氮结构，该铝镓氮结构中的厚度为10-50nm，优选值范围为15-35nm，铝组分在0.05-0.5之间。
其中，在AlxInyGazN层上面还可以再生长氮化镓或铝镓氮盖帽层，该层为非有意掺杂、n型或p型，厚度为1-20nm。
本发明一种宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：在衬底上生长一层高温氮化铝成核层，生长厚度为0.01-0.50μm，优选值为0.03-0.30μm；
步骤3：在高温氮化铝成核层上生长AlxInyGazN超晶格缓冲层，周期在2-50个之间，单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm；
步骤4：改变衬底温度，在铝(铟)镓氮超晶格缓冲层上生长非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层，生长厚度为1-5μm；
步骤5：改变生长条件，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，生长厚度为0.03-0.5μm；
步骤6：改变衬底的温度，在非有意掺杂高迁移率氮化镓层上生长氮化铝插入层，生长厚度为0.8-3nm；
步骤7：最后在氮化铝插入层上生长AlxInyGazN缓冲层，生长厚度为10-50nm。
其中所述的衬底优先采用高热导率碳化硅和硅衬底，特别是与氮化镓晶格失配较小的碳化硅衬底或半绝缘或导电4H碳化硅衬底或半绝缘或导电6H碳化硅衬底；也可采用蓝宝石等其它适合氮化镓基异质结场效应晶体管材料外延的衬底。
其中在AlxInyGazN缓冲层上面生长氮化镓或铝镓氮盖帽层，厚度为1-20nm。
其中本方法是采用金属有机物化学气相沉积法或分子束外延和气相外延技术。
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5.33-26.67kPa，生长厚度为0.01-0.50μm，优选值为0.03-0.30μm。
其中所述的AlxInyGazN超晶格缓冲层的生长温度在800-1200℃之间，生长压力为5.33-26.67kPa；AlxInyGazN超晶格缓冲层的周期在2-50个之间，单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm。
其中所述的AlxInyGazN超晶格缓冲层的生长速率为0.1-0.8μm/h。
其中所述的AlxInyGazN超晶格缓冲层包括氮化铝/铝镓氮超晶格结构，生长温度在800-1200℃之间，生长压力为5.33-26.67kPa，生长速率为0.1-0.8μm/h；氮化铝/铝镓氮超晶格的周期在2-50个之间，氮化铝单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm；铝镓氮单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm。
其中所述的非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的生长温度为900-1100℃，优选值范围为1020-1100℃，生长压力为5.33-26.67kPa，生长厚度为1-5μm。
其中所述的非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的生长速率为3-5μm/h。
其中所述的非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的室温电阻率大于1×106Ω.cm，优选值大于1×108Ω.cm。
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℃，生长压力为40.00-80.00kPa，生长厚度为0.03-0.5μm。
其中所述的非有意掺杂高迁移率氮化镓层生长速率为2-3μm/h。
其中所述的非有意掺杂高迁移率氮化镓层的室温迁移率大于500cm2/Vs，优选值大于700cm2/Vs。
其中所述的氮化铝插入层的生长温度在850-1150℃之间，生长压力为5.33-26.67kPa，生长厚度为0.8-3nm。
其中所述的铝(铟)镓氮层为非有意掺杂的或n型掺杂的，生长温度在850-1150℃之间，生长压力为5.33-26.67kPa，生长厚度为10-50nm。
其中所述的AlxInyGazN层，包括非有意掺杂的或n型掺杂的铝镓氮结构，生长温度在850-1150℃之间，生长压力为5.33-26.67kPa，生长厚度为10-50nm，优选值范围为15-35nm，铝组分在0.05-0.5之间。
其中在AlxInyGazN层上面可以再生长氮化镓或铝镓氮盖帽层，该层为非有意掺杂、n型或p型，生长温度在850-1150℃之间，生长压力为5.33-40.00kPa，厚度为1-20nm。
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为本发明的氮化镓基异质结场效应晶体管的结构示意图；
图2为本发明的氮化镓基异质结场效应晶体管的较佳实施结构示意图；
图3为本发明的氮化镓基异质结场效应晶体管的另一较佳实施结构示意图；
图4为本发明的碳化硅衬底氮化镓基异质结场效应晶体管结构的X射线双晶衍射分析测试结果；
表1为本发明的氮化镓基异质结场效应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；
表2为本发明氮化镓基异质结场效应晶体管结构的较佳实施结构的各生长层具体生长温度，生长压力及生长厚度；
表3为本发明的碳化硅衬底氮化镓基异质结场效应晶体管结构的二维电子气迁移率及二维电子气浓度测试结果。
具体实施方式
本发明关键在于结构上采用经优化组合设计而成的独特复合缓冲层结构(包括高温氮化铝成核层，铝(铟)镓氮超晶格缓冲层和高阻氮化镓缓冲层)，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(铟)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和热膨胀失配带来的应力，降低了氮化镓外延层的缺陷密度，提高了沟道层的晶体质量，生长出了氮化镓基异质结场效应晶体管结构材料。该缓冲层结构可有效降低氮化镓外延结构和碳化硅衬底或硅衬底之间的失配应力，减少外延结构缺陷密度和限制沟道电子向衬底方向泄漏。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多元化合物铝(铟)镓氮势垒层隔开，减少了电子散射，进一步提高了沟道二维电子气迁移率；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(铟)镓氮势垒层和表面的泄漏。
请参阅图1所示，本发明一种氮化镓基异质结场效应晶体管的结构，其特征在于，其中包括：
一衬底10，该衬底10材料优先采用高热导率碳化硅和硅衬底，特别是与氮化镓晶格失配较小的碳化硅衬底；
一高温氮化铝成核层20，该层高温氮化铝成核层20制作在衬底10的上面，厚度为0.01-0.50μm，优选值为0.03-0.30μm；
一铝(铟)镓氮(AlxInyGazN)超晶格缓冲层30，该氮铝(铟)镓氮(AlxInyGazN)30制作在高温氮化铝成核层20的上面，铝(铟)镓氮(AlxInyGazN)超晶格的周期在2-50个之间，单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm。
该铝(铟)镓氮(AlxInyGazN)超晶格缓冲层的具体结构为：2-50个周期的晶格常数不同的铝(铟)镓氮(AlxInyGazN)的交替层，其中x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1。
该铝(铟)镓氮(AlxInyGazN)超晶格缓冲层包括氮化铝/铝镓氮(AlxGa1-xN，0≤x<1)超晶格结构，该结构为一较佳实施超晶格结构，周期在2-50个之间，氮化铝单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm；铝镓氮单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm。
该铝(铟)镓氮(AlxInyGazN)超晶格缓冲层包括氮化铝/氮化镓(AlxGa1-xN，x＝0)超晶格结构，该结构为另一较佳实施超晶格结构，周期在2-50个之间，氮化铝单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm；氮化镓单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm。
一非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层40，该非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层40制作在铝(铟)镓氮(AlxInyGazN)超晶格缓冲层30的上面，厚度为1-5μm；
该非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的室温电阻率大于1×106Ω.cm，优选值大于1×108Ω.cm。
一非有意掺杂高迁移率氮化镓层50，该非有意掺杂高迁移率氮化镓层50制作在非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层40的上面，厚度为0.03-0.5μm；
该非有意掺杂高迁移率氮化镓层的室温迁移率大于500cm2/Vs，优选值大于700cm2/Vs。
一氮化铝插入层60，该氮化铝插入层60制作在非有意掺杂高迁移率氮化镓层50的上面，厚度为0.8-3nm；
一非有意掺杂或n型掺杂铝(铟)镓氮(AlxInyGazN)层70，该铝(铟)镓氮(AlxInyGazN)层70制作在氮化铝插入层60的上面，厚度为10-50nm，其中x+y+z＝1，0<x≤1，0≤y<1，0≤z<1。
该铝(铟)镓氮(AlxInyGazN)层一较佳实施结构为非有意掺杂的或n型掺杂的铝镓氮结构(y＝0)，厚度为10-50nm，优选值范围为15-35nm，铝组分在0.05-0.5之间。
在铝(铟)镓氮层上面还可以再生长氮化镓或铝镓氮盖帽层，该层可以为非有意掺杂、n型或p型，厚度为1-20nm。
请再参阅图1所示，本发明一种氮化镓基异质结场效应晶体管的制作方法，包括如下步骤：
选择一衬底10，该衬底10的材料优先采用高热导率碳化硅和硅衬底，特别是与氮化镓晶格失配较小的碳化硅衬底，其中碳化硅衬底包括但不局限于半绝缘或导电4H碳化硅衬底或半绝缘或导电6H碳化硅衬底。
首先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5.33-26.67kPa(40-200torr)，生长厚度为0.01-0.50μm，优选值为0.03-0.30μm；
然后在高温氮化铝成核层20上生长铝(铟)镓氮超晶格缓冲层30，该铝(铟)镓氮超晶格缓冲层30的生长温度在800-1200℃之间，生长压力为5.33-26.67kPa(40-200torr)；铝(铟)镓氮超晶格的周期在2-50个之间，单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm；
该铝(铟)镓氮超晶格缓冲层的生长速率为0.1-0.8μm/h。
该铝(铟)镓氮(AlxInyGazN)超晶格缓冲层一较佳实施结构为氮化铝/铝镓氮(AlxGa1-xN，0≤x<1)超晶格结构，生长温度在800-1200℃之间，生长压力为5.33-26.67kPa(40-200torr)，生长速率为0.1-0.8μm/h；氮化铝/铝镓氮(AlxGa1-xN，0≤x<1)超晶格的周期在2-50个之间，氮化铝单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm；铝镓氮单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm。
该铝(铟)镓氮(AlxInyGazN)超晶格缓冲层另一较佳实施结构为氮化铝/氮化镓(AlxInyGazN，x＝0，y＝0)超晶格结构，生长温度在800-1200℃之间，生长压力为5.33-26.67kPa(40-200torr)，生长速率为0.1-0.8μm/h；氮化铝/氮化镓(AlxGa1-xN，x＝0，y＝0)超晶格的周期在2-50个之间，氮化铝单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm；氮化镓单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm。
改变衬底温度，在氮化铝/铝镓氮(AlxGa1-xN，0≤x<1)超晶格缓冲层30上生长非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层40，非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的生长温度在900-1100℃之间，优选值范围为1020-1100℃，生长压力为5.33-26.67kPa(40-200torr)，生长厚度为1-5μm；
该非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的生长速率为3-5μm/h。
该非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的室温电阻率大于1×106Ω.cm，优选值大于1×108Ω.cm。
该非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层一种较佳高阻形成方式为非故意掺杂高阻氮化镓层，该层通过综合和精确控制生长温度、生长压力、III-V比、生长速率、载气种类和流量等生长条件来引入晶格缺陷，从而形成高阻氮化镓外延层。
改变生长条件，在非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层40上生长非有意掺杂高迁移率氮化镓层50，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40.00-80.00kPa(300-600torr)，生长厚度为0.03-0.5μm；
该非有意掺杂高迁移率氮化镓层生长速率为2-3μm/h。
该非有意掺杂高迁移率氮化镓层的室温迁移率大于500cm2/Vs，优选值大于700cm2/Vs。
该非有意掺杂高迁移率氮化镓层高迁移率实现，通过综合调控生长温度、生长压力、III-V比、生长速率、载气种类和流量等来实现，其中生长压力调节是非常重要的一个因素。
改变衬底温度，在非有意掺杂高迁移率氮化镓层50上生长氮化铝插入层60，该氮化铝插入层的生长温度在850-1150℃之间，生长压力为5.33-26.67kPa(40-200torr)，生长厚度为0.8-3nm；
最后生长铝(铟)镓氮层70，该铝(铟)镓氮层为非有意掺杂的或n型掺杂的，生长温度在850-1150℃之间，生长压力为5.33-26.67kPa(40-200torr)，生长厚度为10-50nm。
该铝(铟)镓氮层其中铝(铟)镓氮(AlxInyGazN)层包括非有意掺杂的或n型掺杂的铝镓氮结构(y＝0)，该结构为一较佳实施结构，生长温度在850-1150℃之间，生长压力为5.33-26.67kPa(40-200torr)，生长厚度为10-50nm，优选值范围为15-35nm，铝组分在0.05-0.5之间。
在铝(铟)镓氮层上面还可以再生长氮化镓或铝镓氮盖帽层，该层可以为非有意掺杂、n型或p型，生长温度在850-1150℃之间，生长压力为5.33-40.00kPa(40-300torr)，厚度为1-20nm。
实施例
本发明氮化镓基异质结场效应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 | 备注 | |
| 高温氮化铝成核层20 | 800-1200℃ | 5.33-26.67kPa | 0.01-0.50μm，优选值为0.03-0.30μm | ||
| 铝(铟)镓氮超晶格层30(AlxInyGazN) | 单层 | 800-1200℃ | 5.33-26.67kPa | 1-50nm，优选值范围为2-30nm | 其中，x+y+z＝1，0≤x≤l，0≤y≤1，0≤z≤1；周期在2-50个之间 |
| 高阻氮化镓层40 | 90-1100℃，优选值范围为1020-1100℃， | 5.33-26.67kPa | 1-5μm | ||
| 高迁移率氮化镓层50 | 900-1100℃ | 40-80kPa | 0.03-0.5μm | ||
| 氮化铝插入层60 | 850-1150℃ | 5.33-26.67kPa | 0.8-3nm | ||
| 铝(铟)镓氮层70(AlxInyGazN) | 850-1100℃ | 5.33-26.67kPa | 10-50nm | 其中x+y+z＝1，0＜x≤1，0≤y<1，0≤z<1 | |
图2和图3所示为根据本发明构成的HEMT两个较佳具体实施例，包括：
一衬底10，优先采用高热导率碳化硅和硅衬底，特别是与氮化镓晶格失配较小的碳化硅衬底，其中碳化硅衬底包括但不局限于半绝缘或导电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
一氮化铝/铝镓氮超晶格层或氮化铝/氮化镓超晶格层30，该层制作在高温氮化铝成核层20的上面；
一非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层40，该非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层40制作在氮化铝/铝镓氮(氮化镓)超晶格层30’的上面；
一非有意掺杂高迁移率氮化镓层50，该非有意掺杂高迁移率氮化镓层50制作在非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层40的上面；
一氮化铝插入层60，该氮化铝插入层60制作在非有意掺杂高迁移率氮化镓层50的上面；
一非有意掺杂或n型掺杂铝镓氮层70，该铝镓氮层70制作在氮化铝插入层60的上面。
图2和图3所示具体实施例的各生长层具体生长温度，生长压力及生长厚度如表2所示，图2和图3所示具体实施例更详细结构和制备方法见参照图1的说明。
表2
| 生长层名称 | 生长温度 | 生长压力 | 生长厚度 | 备注 | |
| 高温氮化铝成核层20 | 800-1200℃ | 5.33-26.67kPa | 0.01-0.50μm，优选值为0.03-0.30μm | ||
| 氮化铝/铝镓氮(氮化镓)超晶格层30 | 氮化铝铝镓氮或 | 800-1200℃ | 5.33-26.67kPa5.33- | 1-50nm，优选值为2-30nm1-50nm， | 氮化铝/铝镓氮(AlxGa1-xN，0≤x<1＝超晶格周期在2-50个之间 |
| 氮化镓 | 800-1200℃ | 26.67kPa | 优选值为2-30nm | ||
| 高阻氮化镓层40 | 900-1100℃，优选值范围为1020-1100℃， | 5.33-26.67kPa | 1-5μm | ||
| 高迁移率氮化镓层50 | 900-1100℃ | 40-80kPa | 0.03-0.5μm | ||
| 氮化铝插入层60 | 850-1150℃ | 5.33-26.67kPa | 0.8-3nm | ||
| 铝镓氮层70 | 850-1100℃ | 5.33-26.67kPa | 10-50nm， | A1组分在 | |
| 优选值范围为15-35nm， | 0.05-0.5之间 |
对图3所示具体实施例方法获得的样品进行测试分析，样品衬底为半绝缘6H碳化硅衬底，高阻氮化镓缓冲层30”和铝镓氮势垒层70均为非有意掺杂，测试结果证明用此方法生长获得的氮化镓基异质结场效应晶体管材料具有很高的晶体质量和二维电子气迁移率。X射线双晶衍射分析证明该材料及其界面结晶完整，晶体质量高，图4显示GaN(0002)，SiC(0006)和AlN(0002)衍射峰强度高，峰位清晰，而且氮化铝/氮化镓(AlxGa1-xN，x＝0)超晶格卫星峰清晰、陡峭。变温霍耳测试结果证明该材料的室温二维电子气迁移率达到2042cm2/V.s，二维电子气浓度为1.072×1013/cm2，在80K和500K时二维电子气迁移率分别为11535cm2/V.s和715cm2/V.s(表3)。
表3
| 项目 | 室温 | 80K | 500K |
| 二维电子气迁移率(cm2/V.s) | 2042 | 11535 | 715 |
| 二维电子气浓度(1013/cm2) | 1.072 | 1.023 | 0.927 |
本发明降低了工艺难度，减少了工艺步骤，获得了具有更低缺陷密度和更高迁移率的氮化镓基异质结场效应晶体管结构材料，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缓冲层、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 (32)
1.一种宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构，其特征在于，其中包括：
一衬底；
一高温氮化铝成核层，该高温氮化铝成核层制作在衬底的上面；
一AlxInyGazN超晶格缓冲层，该AlxInyGazN超晶格缓冲层制作在高温氮化铝成核层的上面；
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AlxInyGazN超晶格缓冲层的上面；
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AlxInyGazN层，该AlxInyGazN层制作在氮化铝插入层的上面。
2.根据权利要求1所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构，其特征在于，其中所述的衬底采用高热导率碳化硅和硅衬底，特别是与氮化镓晶格失配较小的碳化硅衬底或半绝缘或导电4H碳化硅衬底或半绝缘或导电6H碳化硅衬底；也可采用蓝宝石等其它适合氮化镓基异质结场效应晶体管材料外延的衬底。
3.根据权利要求1所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构，其特征在于，其中高温氮化铝成核层的厚度为0.01-0.50μm，优选值为0.03-0.30μm。
4.根据权利要求1所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构，其特征在于，其中AlxInyGazN超晶格缓冲层的周期在2-50个之间，单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm。
5.根据权利要求4所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构，其特征在于，其中AlxInyGazN超晶格缓冲层的具体结构为：2-50个周期的晶格常数不同的AlxInyGazN超晶格缓冲层的交替层，该AlxInyGazN超晶格缓冲层的交替层中的x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1。
6.根据权利要求4所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构，其特征在于，其中铝AlxInyGazN超晶格缓冲层包括氮化铝/铝镓氮超晶格结构，周期在2-50个之间，氮化铝单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm；铝镓氮单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm。
7.根据权利要求1所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构，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。
8.根据权利要求7所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构，其特征在于，其中非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层的室温电阻率大于1×106Ω.cm，优选值大于1×108Ω.cm。
9.根据权利要求1所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构，其特征在于，其中非有意掺杂高迁移率氮化镓层的厚度为0.03-0.5μm。
10.根据权利要求9所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构，其特征在于，其中非有意掺杂高迁移率氮化镓层的室温迁移率大于500cm2/Vs，优选值大于700cm2/Vs。
11.根据权利要求1所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构，其特征在于，其中氮化铝插入层的厚度为0.8-3nm。
12.根据权利要求1所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构，其特征在于，其中AlxInyGazN层为非有意掺杂的或n型掺杂的，厚度为10-50nm，该AlxInyGazN超晶格缓冲层中的x+y+z＝1，0＜x≤1，0≤y＜1，0≤z＜1。
13.根据权利要求12所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构，其特征在于，其中AlxInyGazN超晶格缓冲层包括非有意掺杂的或n型掺杂的铝镓氮结构，该铝镓氮结构中的厚度为10-50nm，优选值范围为15-35nm，铝组分在0.05-0.5之间。
14.根据权利要求1所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构，其特征在于，其中，在AlxInyGazN层上面还可以再生长氮化镓或铝镓氮盖帽层，该层为非有意掺杂、n型或p型，厚度为1-20nm。
15.一种宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：在衬底上生长一层高温氮化铝成核层，生长厚度为0.01-0.50μm，优选值为0.03-0.30μm；
步骤3：在高温氮化铝成核层上生长AlxInyGazN超晶格缓冲层，周期在2-50个之间，单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm；
步骤4：改变衬底温度，在铝(铟)镓氮超晶格缓冲层上生长非有意掺杂或掺杂氮化镓高阻层，生长厚度为1-5μm；
步骤5：改变生长条件，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，生长厚度为0.03-0.5μm；
步骤6：改变衬底的温度，在非有意掺杂高迁移率氮化镓层上生长氮化铝插入层，生长厚度为0.8-3nm；
步骤7：最后在氮化铝插入层上生长AlxInyGazN缓冲层，生长厚度为10-50nm。
16.根据权利要求15所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，其中所述的衬底优先采用高热导率碳化硅和硅衬底，特别是与氮化镓晶格失配较小的碳化硅衬底或半绝缘或导电4H碳化硅衬底或半绝缘或导电6H碳化硅衬底；也可采用蓝宝石等其它适合氮化镓基异质结场效应晶体管材料外延的衬底。
17.根据权利要求15所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，其中在AlxInyGazN缓冲层上面生长氮化镓或铝镓氮盖帽层，厚度为1-20nm。
18.根据权利要求15所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，其中本方法是采用金属有机物化学气相沉积法或分子束外延和气相外延技术。
19.根据权利要求15所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，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5.33-26.67kPa，生长厚度为0.01-0.50μm，优选值为0.03-0.30μm。
20.根据权利要求15所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，其中所述的AlxInyGazN超晶格缓冲层的生长温度在800-1200℃之间，生长压力为5.33-26.67kPa；AlxInyGazN超晶格缓冲层的周期在2-50个之间，单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm。
21.根据权利要求20所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，其中所述的AlxInyGazN超晶格缓冲层的生长速率为0.1-0.8μm/h。
22.根据权利要求20所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，其中所述的AlxInyGazN超晶格缓冲层包括氮化铝/铝镓氮超晶格结构，生长温度在800-1200℃之间，生长压力为5.33-26.67kPa，生长速率为0.1-0.8μm/h 氮化铝/铝镓氮超晶格的周期在2-50个之间，氮化铝单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm；铝镓氮单层生长厚度为1-50nm，优选值为2-30nm。
23.根据权利要求15所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，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为900-1100℃，优选值范围为1020-1100℃，生长压力为5.33-26.67kPa，生长厚度为1-5μm。
24.根据权利要求23所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，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速率为3-5μm/h。
25.根据权利要求23所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，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室温电阻率大于1×106Ω.cm，优选值大于1×108Ω.cm。
26.根据权利要求15所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，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℃，生长压力为40.00-80.00kPa，生长厚度为0.03-0.5μm。
27.根据权利要求26所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，其中所述的非有意掺杂高迁移率氮化镓层生长速率为2-3μm/h。
28.根据权利要求26所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，其中所述的非有意掺杂高迁移率氮化镓层的室温迁移率大于500cm2/Vs，优选值大于700cm2/Vs。
29.根据权利要求15所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，其中所述的氮化铝插入层的生长温度在850-1150℃之间，生长压力为5.33-26.67kPa，生长厚度为0.8-3nm。
30.根据权利要求15所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，其中所述的铝(铟)镓氮层为非有意掺杂的或n型掺杂的，生长温度在850-1150℃之间，生长压力为5.33-26.67kPa，生长厚度为10-50nm。
31.根据权利要求15所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，其中所述的AlxInyGazN层，包括非有意掺杂的或n型掺杂的铝镓氮结构，生长温度在850-1150℃之间，生长压力为5.33-26.67kPa，生长厚度为10-50nm，优选值范围为15-35nm，铝组分在0.05-0.5之间。
32.根据权利要求15所述的宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，其中在AlxInyGazN层上面可以再生长氮化镓或铝镓氮盖帽层，该层为非有意掺杂、n型或p型，生长温度在850-1150℃之间，生长压力为5.33-40.00kPa，厚度为1-20nm。
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