氮化镓基高电子迁移率晶体管及其制作方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域,尤其涉及氮化镓基高电子迁移率晶体管及其制作方法。
背景技术
氮化镓(GaN)具有优良的物理、化学和机械性能。GaN具有良好的化学稳定性,室温下不溶于水、酸和碱,具有高的击穿电场,高的电子饱和速度和峰值速度,大的禁带宽度(3.4eV),以及良好的抗辐射性。从而使它在光电子和微电子领域有着巨大的应用前景,成为了第三代半导体材料的典型代表。以GaN为基础的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管成为微电子领域重要的器件之一,在通信和雷达,航空航天,汽车电子等领域起到重要作用。
为了能够满足在高频和大功率条件下的应用,铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)高电子迁移率晶体管需要进一步提高电子迁移率、沟道层电子浓度。现有的铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)高电子迁移率晶体管,一般结构是在衬底上生长铝氮缓冲层或低温氮化镓层,然后生长高阻氮化镓层,在高阻氮化镓层上生长氮化镓沟道层,在氮化镓构造层上生长铝镓氮势垒层。
CN101399284A(CN200710122478.1)提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管结构,包括:一衬底;一低温成核层制作在衬底的上面;一氮化镓高阻层制作在低温成核层的上面;一铟镓氮插入层制作在氮化镓高阻层的上面;一低温氮化镓隔离层制作在铟镓氮插入层的上面;一高迁移率氮化镓层制作在低温氮化镓隔离层的上面;一氮化铝插入层制作在高迁移率氮化镓层的上面;一铝镓氮势垒层制作在氮化铝插入层的上面;一氮化镓帽层,该氮化镓帽层制作在铝镓氮势垒层的上面,该氮化镓帽层有效抑制了电流崩塌效应。
CN1738055A(CN200510021536.2)提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管,通过在势垒层(4)上、栅极(2)和漏极(3)之间的生长半绝缘材料层(8),并与栅极(2)和漏极(3)相连,来达到提高晶体管的击穿电压的目的。其中的半绝缘材料层,相当于一个电阻型场板,利用这一场板对其下面的势垒层中的电场分布产生的调制作用,降低栅漏之间电场的峰值,从而提高了栅漏之间击穿所需的电压。
为了减少合金散射,增大对二维电子气的约束能力,减少电子漏电,提高迁移率,有采用在氮化镓沟道层和铝镓氮势垒层之间加入铝氮插入层。CN1783512A(CN200410009922.5)提高氮化镓基高电子迁移率晶体管性能的结构及制作方法,包括:一蓝宝石衬底或碳化硅衬底或硅衬底;一高阻半绝缘氮化镓缓冲层,该高阻半绝缘氮化镓缓冲层制作在衬底上;一高迁移率氮化镓沟道层,该高迁移率氮化镓沟道层制作在高阻半绝缘氮化镓缓冲层上;一薄层氮化铝插入层,该薄层氮化铝插入层制作在高迁移率氮化镓沟道层上,该薄层氮化铝插入层可以提高氮化镓基高电子迁移率晶体管材料的综合性能;一n型掺杂或非故意掺杂铝镓氮势垒层,该n型掺杂或非故意掺杂铝镓氮势垒层制作在薄层氮化铝插入层上。但是这种器件还是不足以满足高电子迁移率晶体管要求。
发明内容
为了克服现有技术的不足,进一步提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的迁移率和器件的稳定性,本发明提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管及其制作方法。
本发明主要利用铟氮插入层提高氮化镓基高电子迁移率晶体管性能。
一种氮化镓基高电子迁移率晶体管,其中晶体管结构包括:在衬底上生长有一铝氮缓冲层,在铝氮缓冲层上生长有一高阻氮化镓层,在高阻氮化镓层上生长有一高迁移率氮化镓沟道层,其特征在于,在高迁移率氮化镓沟道层上生长有一铟氮插入层,该铟氮插入层上生长有一铝氮插入层;在铝氮插入层上生长有一非故意掺杂铝镓氮层,所述铝氮插入层和非故意掺杂铝镓氮层共同形成势垒层。
根据本发明,优选如下:
所述衬底是蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底或氮化镓衬底。
所述的铝氮缓冲层,生长厚度10nm-50nm。该铝氮缓冲层有利于减少GaN生长缺陷,生长高质量的高阻GaN层。
所述的高阻氮化镓缓冲层,生长厚度1.0μm-8.0μm。该高阻氮化镓层可以减少器件工作时在电流缓冲层的泄漏,从而提高器件的稳定性。
所述的高迁移率氮化镓沟道层,生长厚度20-100nm。该氮化镓沟道层主要为二维电子气提供运行通道。
所述的铟氮插入层,生长厚度1-100nm;该铟氮插入层可以减少合金散射,提高迁移率。
所述的铝氮插入层,生长厚度1-10nm。该铝氮插入层可以减少合金散射,提高迁移率。
所述非故意掺杂铝镓氮层,生长厚度10-50nm。该铝镓氮层和氮化镓沟道层之间产生二维电子气。
其中铝氮层和非故意掺杂铝镓氮层共同形成势垒层,铝氮层有利于减少合金散射,提高迁移率。
本发明的氮化镓基高电子迁移率晶体管的制备方法,包括晶体管结构、源极、栅极、漏极,其中晶体管结构制作步骤如下:
(1)在一衬底上外延生长铝镓氮缓冲层,生长厚度10nm-50nm;生长温度1000~1150℃。所述衬底是蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底或氮化镓衬底。
(2)在铝镓氮缓冲层上生长高阻氮化镓缓冲层,生长厚度1.0μm-8.0μm,生长温度1000~1150℃。
(3)在高阻氮化镓层上生长一高迁移率氮化镓沟道层,生长厚度20-100nm;生长温度1000~1150℃。
(4)在高迁移率氮化镓沟道层上生长一铟氮插入层,生长厚度1-l00nm;生长温度550~950℃。
(5)在铟氮插入层上生长有一铝氮插入层,生长厚度1-10nm;生长温度900~1150℃。
(6)在铝氮插入层上生长一非故意掺杂铝镓氮层(AlXGa1-XN,0<x≤1),生长厚度10-50nm,生长温度1000-1150℃。
以上所述的外延生长采用金属有机化学气相沉积方法、分子束外延方法或氢化物气相外延方法,其中优选金属有机化学气相沉积方法。这些方法对于本领域的技术人员是熟知的。
本发明以上方法中未限定的工艺条件,均按本领域的常规选择。
本发明的技术特点及优良效果:
本发明主要技术特点是铟氮插入层。铟氮(InN)在所有的三族氮化物半导体中有最小的电子有效质量,这将导致铟氮有高的迁移率和高的饱和速度。理论上计算出InN和GaN最大的迁移率,在300K条件下分别是4400and 1000cm2/VS,77K时分别是30000和6000cm2/VS。InN在室温条件下,有极高的峰值漂移速度,这种峰值漂移饱和速度要比GaAs和GaN都要高。和GaN、AlN、GaAs相比InN有最高的峰值速度,并且峰值速度范围较宽,因此和GaN及AlN相比InN可使InN场效应管有更高速度的截止频率。铟氮中的铟原子有更好的活性,可以使界面更平整,从而减少合金散射,同样可以提高电子迁移率。铟氮的禁带宽度要比氮化镓更低,可以和铝氮之间形成更深的阱,能更好的限制二维电子气,从而提高器件的性能。因此加入铟氮插入层后,可以明显提高高电子迁移率晶体管的迁移率,提高高电子迁移率晶体管的截止频率,提高高电子迁移率晶体管的稳定性
附图说明
图1本发明铝镓氮/氮化镓晶体管结构示意图。
图2本发明铝镓氮/氮化镓晶体管产品示意图。
图中,30、衬底,31、铝氮缓冲层,32、高阻氮化镓层,33、氮化镓沟道层,34、铟氮插入层,35、铝氮插入层,36、铝镓氮势垒层。S、源极,G、栅极,D、漏极。
具体实施方式
为了进一步说明本发明内容,以下结合具体实施例及附图对本发明进行进一步描述。下面四个实施例均采用金属有机化学气相沉积方法生长。
实施例1:蓝宝石衬底
首先对蓝宝石衬底进行高温清洗,清洗时间10分钟。再在蓝宝石(0001)面生长铝氮缓冲层31,生长温度1100℃,生长厚度30nm。
在铝氮缓冲层31上生长一层高阻氮化镓层32,生长厚度3μm,生长温度1120℃。
在高阻氮化镓层32上生长一层氮化镓沟道层33,生长厚度30nm,生长温度1080℃。
在氮化镓沟道层33上生长一层铟氮插入层34,生长厚度10nm,生长温度650℃。该层含有铟氮,铟氮在所有的三族氮化物半导体中有最小的电子有效质量,有高的迁移率和高的饱和速度。从而提高器件的迁移率。此外铟氮中的铟原子有更好的活性,可以使界面更平整,从而减少合金散射,同样可以提高电子迁移率。铟氮的禁带宽度要比氮化镓更低,可以和铝氮之间形成更深的阱,能更好的限制二维电子气,从而提高器件的性能。
在铟氮插入层34上生长一层铝氮插入层35,生长厚度6nm,生长温度1100℃。
在氮化铝插入层35上生长一层铝镓氮势垒层36(AlXGa1-XN,x=0.25),生长厚度25nm,生长温度1100℃。
实施例2:碳化硅衬底
首先对碳化硅衬底进行高温清洗,清洗时间10分钟;再生长铝氮缓冲层31,生长温度1100℃,生长厚度30nm。
在铝氮缓冲层31上生长一层高阻氮化镓层32,生长厚度3μm,生长温度1120℃。
在高阻氮化镓层32上生长一层氮化镓沟道层33,生长厚度30nm,生长温度1080℃。
在氮化镓沟道层33上生长一层铟氮插入层34,生长厚度10nm,生长温度650℃。
在铟氮插入层34上生长一层铝氮插入层35,生长厚度8nm,生长温度1100℃。
在氮化铝插入层35上生长一层铝镓氮势垒层36,生长厚度30nm,铝组分占25%,生长温度1100℃。
本发明晶体管结构中关键技术是铟氮插入层,和GaN及AlN相比InN可使InN场效应管有更高速度的截止频率。因此加入铟氮插入层后,可以明显提高高电子迁移率晶体管的迁移率,提高高电子迁移率晶体管的截止频率,提高高电子迁移率晶体管的稳定性。室温霍尔测量结果显示本发明的高迁移率晶体管结构具有良好的电学特性(见表1)。
表1、本发明AlGaN/AlN/InN/GaN和AlGaN/AlN/GaN两种结构的常温霍尔测试结果比较
注:作为对比样品的AlGaN/AlN/GaN HEMT结构选自CN1783512A(CN200410009922.5)实施例。
结果表明,本发明实施例1(蓝宝石衬底)和实施例2(碳化硅衬底)两个样品室温下电子浓度分别是1.30×1013cm-2、1.22×1013m-2,电子迁移率分别是1537cm2V-2s-1、1852cm2V-2s-1,比同样衬底的AlGaN/AlN/GaN HEMT结构性能要高。说明本发明的AlGaN/AlN/InN/GaN HEMT结构两种衬底都能够提高电子迁移率和电子浓度,都能够提高器件的电学特性。
综上,本发明提供了一种新结构的高电子迁移率晶体管能够有效的减少合金散射,提高了电子在沟道层内的束缚能力,增加了高电子迁移率晶体管电子迁移率和电子浓度,有利于截止频率的调高,提高了器件的稳定性和可靠性。因此本发明的高迁移率晶体管是一种很有潜力的新结构晶体管。