CN102646700A - 复合缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明是复合缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其结构是衬底上是生长成核层；成核层上是第一缓冲层；在缓冲层上是生长缓冲层；在第二缓冲层上是生长沟道层；在沟道层上是生长势垒层；其生长方法包括，衬底经清洗、吹干后在反应室内高温烘烤；在衬底上生长成核层；在成核层上第一缓冲层；在缓冲层上生长缓冲层；在缓冲层上生长沟道层；在沟道层上生长势垒层；降至室温。优点：依然能够与GaN沟道层形成导带带阶，增强2DEG限域性，提高器件的微波性能和功率特性。可以提高缓冲层热导率，有效降低AlGaN缓冲层HEMT器件的自热效应。AlyGa1-yN缓冲层的晶体质量能得到有效提高。有助于进一步提升器件的性能及可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及的是复合缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，属于半导体单晶薄膜的外延生长技术领域。
背景技术
氮化镓（GaN）基高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）是一种基于氮化物异质结构的新型电子器件，氮化物材料特有的极化效应使得在异质结界面势阱中形成高浓度的二维电子气（2DEG）沟道，通过肖特基栅压控制沟道电子实现工作。器件具有高频、大功率的优异特性，广泛应用于无线通信基站、电力电子器件等信息收发、能量转换等领域，符合当前节能环保、绿色低碳的发展理念；GaN HEMT外延材料结构一般包括衬底、成核层、缓冲层、沟道层和势垒层。衬底一般为蓝宝石、碳化硅（SiC）、单晶硅（Si）。对于通常采用的铝镓氮/氮化镓（AlGaN/GaN）异质结构，缓冲层和沟道层均为GaN，势垒层为AlGaN。在这种单异质结构中沟道层和缓冲层均为GaN，之间不能形成导带带阶，沟道二维电子气的限域性较差，电子容易溢出沟道进入缓冲层，从而降低了沟道的夹断性能，造成器件的输出电导增大和击穿性能下降，进而降低了器件的频率性能和功率特性；为了增强GaN HEMT沟道二维电子气限域性，提高器件性能，一种有效的方法是采用低组分的AlGaN作缓冲层构成AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN双异质结HEMT。在这种结构中，2DEG沟道层与缓冲层之间形成GaN/AlGaN异质结，得益于AlGaN的大带隙和极化效应，在GaN/AlGaN界面产生负极化电荷，抬高了导带能级，增强了2DEG限域性。
然而，在AlGaN中由于存在声子的合金散射，使得AlGaN合金的热导率大幅下降，组分在0.2-0.8之间的AlGaN薄膜的热导率只有20W/mK，显著低于GaN薄膜130W/mK的热导率。降低Al组分有助于提高热导率，当组分为0.04时，热导率为70 W/mK，但仍低于GaN。由于AlGaN缓冲层较低的热导率使得器件的输出电流随着漏极偏压的增大而下降，造成器件的输出功率下降，效率降低，从而影响了GaN HEMT大功率方向的应用潜力。
发明内容
本发明提出一种复合缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构和生长方法；通过采用AlyGa1-yN/GaN复合结构代替通常采用的单一结构的AlyGa1-yN缓冲层；与单一结构AlyGa1-yN缓冲层一样，这种复合结构缓冲层依然能够与GaN沟道层形成GaN/AlGaN异质结，产生导带带阶，增强HEMT材料2DEG限域性，提高器件的频率性能和功率特性；由于随着AlGaN合金中存在合金散射，AlGaN的热导率低于GaN。因此，这种AlyGa1-yN/GaN复合缓冲层在增强2DEG限域性的同时，热导率显著提高，是一种降低AlGaN缓冲层HEMT器件的自热效应的有效方法。
本发明的技术解决方案是：其特征是衬底上是生长成核层；成核层上是第一缓冲层；第一缓冲层上是生长第二缓冲层；第二缓冲层上是生长沟道层；沟道层上是生长势垒层；
其生长方法，包括以下步骤：
第一步，衬底经清洗、吹干后在反应室内高温烘烤；
第二步，在衬底上生长成核层；
第三步，在成核层上第一缓冲层；
第四步，在第一缓冲层上生长第二缓冲层；
第五步，在第二缓冲层上生长沟道层；
第六步，在沟道层上生长势垒层；
第七步，降至室温。
所述的衬底是蓝宝石、SiC或Si；
所述的成核层是AlN、GaN或AlGaN；
所述的第一缓冲层是生长在成核层上的GaN薄膜，厚度为0.1-2.5um；
所述的第二缓冲层为生长在第一缓冲层上的AlyGa1-yN薄膜，可以是组分恒定的（Al组分范围y=0.02-0.08，优化值为0.04），也可以是组分渐变的（由第一缓冲层向沟道层方向Al组分由0渐变到y，y=0.02-0.08，优化值为0.04），厚度为0.1-1.0um；
所述的沟道层为GaN，生长在第一缓冲层上，厚度为10-500nm；
所述的势垒层生长在沟道层上，可以是III-V族氮化物多元合金薄膜及其异质结构。
本发明具有以下优点：1）采用AlyGa1-yN/GaN复合缓冲层依然能够与GaN沟道层形成导带带阶，增强2DEG限域性，提高器件的微波性能和功率特性。2）复合缓冲层中AlyGa1-yN部分较薄，可以提高缓冲层热导率，有效降低AlGaN缓冲层HEMT器件的自热效应。3、）在GaN缓冲层上生长的AlyGa1-yN缓冲层的晶体质量能得到有效提高。有助于进一步提升器件的性能及可靠性。
附图说明
附图1是AlyGa1-yN/GaN复合缓冲层GaN HEMT外延材料结构示意图。
图中的1是衬底为蓝宝石、SiC或Si，2是成核层为GaN、AlN或AlGaN，3是第一缓冲层为GaN薄膜，4是第二缓冲层为AlyGa1-yN薄膜。其中第二缓冲层4可以是组分恒定的（Al组分y=0.02-0.08，优化值为0.04），也可以是组分渐变的（由第一缓冲层3向沟道层5方向Al组分由0渐变到y，y=0.02-0.08，优化值为0.04）。
具体实施方式
实施例1：
1）选择蓝宝石衬底，利用MOCVD技术生长；
2）1080℃和100Torr，氢气气氛烘烤5分钟；
3）降温至550℃，通入氨气和三甲基镓，在衬底表面生长20nm厚GaN成核层；
4）升温至1080℃，通入氨气和三甲基镓，生长1.0um厚GaN；
5）通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生长1.0um厚组分渐变AlyGa1-yN，Al组分y从下向上由0渐变到0.04，与4）的GaN构成AlyGa1-yN/GaN复合缓冲层；
6）关闭三甲基铝，1080℃，生长200nm厚GaN沟道层；
7）再打开三甲基铝，生长25nm厚AlGaN势垒层；
8）降至室温。
实施例2：
1）选择蓝宝石衬底，利用MOCVD技术生长；
2）1080℃和100Torr，氢气气氛烘烤5分钟；
3）降温至550℃，通入氨气和三甲基镓，在衬底表面生长20nm厚GaN成核层；
4）升温至1080℃，通入氨气和三甲基镓，生长1.0um厚GaN；
5）通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生长1.0um厚组分恒定AlyGa1-yN，Al组分y=0.04，与4）的GaN构成AlyGa1-yN/GaN复合缓冲层；
6）关闭三甲基铝，1080℃，生长100nm厚GaN沟道层；
7）再打开三甲基铝，生长25nm厚AlGaN势垒层；
8）降至室温。
实施例3：
1）选择SiC衬底，利用MOCVD技术生长；
2）1080℃和100Torr，氢气气氛烘烤10分钟；
3）1150℃，通入氨气和三甲基铝，在衬底表面生长50nm厚AlN成核层；
4）降温至1080℃，通入氨气和三甲基镓，生长1.2um厚GaN；
5）通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生长0.8um厚组分渐变AlyGa1-yN，Al组分从下向上由0渐变到0.05，与4）的GaN构成AlGaN/GaN复合缓冲层；
6）关闭三甲基铝，1080℃，生长100nm厚GaN沟道层；
7）再打开三甲基铝，1080℃，生长20nm厚AlGaN势垒层；
8）降至室温。
实施例4：
1）选择SiC衬底，利用MOCVD技术生长；
2）1080℃和100Torr，氢气气氛烘烤10分钟；
3）1150℃，通入氨气和三甲基铝，在衬底表面生长50nm厚AlN成核层；
4）降温至1080℃，通入氨气和三甲基镓，生长1.0um厚GaN；
5）通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生长1.0um厚组分恒定AlyGa1-yN，Al组分y=0.04，与4）的GaN构成AlyGa1-yN/GaN复合缓冲层；
6）关闭三甲基铝，1080℃，生长200nm厚GaN沟道层；
7）再打开三甲基铝，1080℃，生长20nm厚AlGaN势垒层；
8）降至室温。
实施例5：
1）选择单晶Si衬底，利用MOCVD技术生长；
2）1100℃和100Torr，氢气气氛烘烤10分钟；
3）降温至1060℃，通入三甲基铝处理30秒，在Si衬底表面形成Al层；
4）通入氨气和三甲基铝生长300nm厚的AlN成核层；
5）升温至1100℃，通入氨气和三甲基镓，生长1.0um厚GaN；
6）通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生长1.0um厚组分渐变AlyGa1-yN，Al组分y从下向上由0渐变到0.06，与5）的GaN构成AlyGa1-yN/GaN复合缓冲层；
7）关闭三甲基铝，1080℃，生长100nm厚GaN沟道层；
8）再打开三甲基铝，1100℃，生长25nm厚AlGaN势垒层；
9）降至室温。
实施例6：
1）选择单晶Si衬底，利用MOCVD技术生长；
2）1100℃和100Torr，氢气气氛烘烤10分钟；
3）降温至1060℃，通入三甲基铝处理30秒，在Si衬底表面形成Al层；
4）通入氨气和三甲基铝生长300nm厚的AlN成核层；
5）升温至1100℃，通入氨气和三甲基镓，生长1.5um厚GaN；
6）通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生长1.0um厚组分恒定AlyGa1-yN，Al组分y=0.04，与5）的GaN构成AlyGa1-yN/GaN复合缓冲层；
7）关闭三甲基铝，1080℃，生长100nm厚GaN沟道层；
8）再打开三甲基铝，1100℃，生长25nm厚AlGaN势垒层；
9）降至室温。
实施例7：
1）选择SiC衬底，利用MOCVD技术生长；
2）1080℃和100Torr，氢气气氛烘烤10分钟；
3）1180℃，通入氨气和三甲基铝，在衬底表面生长50nm厚AlN成核层；
4）降温至1100℃，通入氨气和三甲基镓，生长1.5um厚GaN；
5）通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生长0.5um厚组分渐变AlyGa1-yN，Al组分y从下向上由0渐变到0.04，与4）的GaN构成AlyGa1-yN/GaN复合缓冲层；
6）关闭三甲基铝，1080℃，生长200nm厚GaN沟道层；
7）降温至900℃，通入氨气、三甲基铝和三甲基铟，生长12nm厚InAlN势垒层；
8）降至室温。
实施例8：
1）选择单晶Si衬底，利用MOCVD技术生长；
2）1100℃和100Torr，氢气气氛烘烤10分钟；
3）降温至1060℃，通入三甲基铝处理30秒，在Si衬底表面形成Al层；
4）通入氨气和三甲基铝生长300nm厚的AlN成核层；
5）升温至1100℃，通入氨气和三甲基镓，生长1.5um厚GaN；
6）通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生长1.0um厚组分恒定AlyGa1-yN，Al组分y=0.04，与5）的GaN构成AlyGa1-yN/GaN复合缓冲层；
7）关闭三甲基铝，1080℃，生长100nm厚GaN沟道层；
8）1100℃，通入氨气和三甲基铝，生长8nm厚AlN势垒层；
9）降至室温。
Claims (7)
1.复合缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是衬底上是生长成核层；成核层上是第一缓冲层；第一缓冲层上是生长第二缓冲层；第二缓冲层上是生长沟道层；沟道层上是生长势垒层；
其生长方法，包括以下步骤：
第一步，衬底经清洗、吹干后在反应室内高温烘烤；
第二步，在衬底上生长成核层；
第三步，在成核层上第一缓冲层；
第四步，在第一缓冲层上生长第二缓冲层；
第五步，在第二缓冲层上生长沟道层；
第六步，在沟道层上生长势垒层；
第七步，降至室温。
2.根据权利要求1所述的复合缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是所述的第一缓冲层为GaN，生长在成核层表面，第二缓冲层为AlyGa1-yN生长在第一缓冲层上面，第一缓冲层和第二缓冲层构成 AlyGa1-yN/GaN复合缓冲层。
3.根据权利要求1所述的复合缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是所述的AlyGa1-yN/GaN复合缓冲层中的第二缓冲层是组分恒定的Al组分范围y=0.02-0.08，或是组分渐变的由第一缓冲层向沟道层方向Al组分由0渐变到y，y=0.02-0.08。
4.根据权利要求1所述的氮复合缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是所述AlyGa1-yN/GaN复合缓冲层中的第二缓冲层的厚度为0.1-1.0um，第一缓冲层的厚度为0.1-2.5m。
5.根据权利要求1所述的复合缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是所述的AlyGa1-yN/GaN复合缓冲层的生长温度为700~1200℃。
6.根据权利要求1所述的复合缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是所述的沟道层为GaN，厚度为10-500nm。
7.根据权利要求1所述的复合缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是所述的势垒层生长在沟道层上，为III-V族氮化物多元合金薄膜及其异质结构。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |