CN102969341A - 组分渐变AlyGa1-yN缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构 - Google Patents

组分渐变AlyGa1-yN缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构 Download PDF

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本发明公开了一种组分渐变AlyGa1-yN缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，采用组分渐变AlyGa1-yN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；AlyGa1-yN缓冲层采用组分由0渐变到y的结构，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；相比常规的组分恒定AlyGa1-yN缓冲层，采用这种组分渐变AlyGa1-yN作缓冲层，能有效减低缓冲层中的位错等缺陷密度，有助于进一步提升器件的性能及可靠性。

Description

组分渐变AlyGa1-yN缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构
技术领域
本发明属于半导体单晶薄膜技术领域，尤其涉及AlxGa1-xN缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构。 
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70W/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
发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提出一种组分渐变AlyGa1-yN缓冲层GaN HEMT外延材料结构和生长方法；通过采用组分渐变AlyGa1-yN代替通常采用的组分恒定的AlyGa1-yN缓冲层；与组分恒定AlyGa1-yN缓冲层一样，这种组分渐变缓冲层依然能够与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，这种组分渐变AlyGa1-yN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。 
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种组分渐变AlyGa1-yN缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，包括衬底层，该衬底层上从下至上依次生长有成核层、缓冲层、沟道层和势垒层，其中：所述衬底层为蓝宝石、SiC或Si；所述成核层为ALN、GaN或AlGaN；所述沟道层为GaN；所述势垒层为III-V族氮化物多元合金薄膜；所述缓冲层为AlyGa1-yN，其中Al组分含量沿成核层向沟道层方向由0渐变到y，y为0.02～0.08。 
作为优选，所述AlyGa1-yN缓冲层的厚度为0.5～3.0μm。 
作为优选，所述沟道层厚度为10～500nm。 
作为优选，所述AlyGa1-yN缓冲层的生长温度为700～1200℃。 
一种组分渐变AlyGa1-yN缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构的制备方法，包括以下步骤：a、在衬底层上，利用MOCVD技术生长；b、首先在高温高压，氢气气氛下烘烤5～10分钟；c、然后通入氨气和三甲基铝，在衬底层表面生长成核层；d、继续通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生在组分渐变AlyGa1-yN缓冲层；e、关闭三甲基铝，生长GaN沟道层；f、再打开三甲基铝，生在AlGaN势垒层，并降至室温。 
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：1）采用组分渐变AlyGa1-yN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）AlyGa1-yN缓冲层采用组分由0渐变到y的结构，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）相比常规的组分恒定AlyGa1-yN缓冲层，采用这种组分渐变AlyGa1-yN作缓冲层，能有效减低缓冲层中的位错等缺陷密度，有助于进一步提升器件的 性能及可靠性。 
附图说明
图1为本发明所述组分渐变AlyGa1-yN缓冲层的高电子迁移率晶体管外延材料结构示意图。 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。 
如图1所示，一种组分渐变AlyGa1-yN缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，它是在衬底层1上通过MOCVD技术依次生长成核层2、缓冲层3、沟道层4和势垒层5，具体的方法如下： 
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）通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生长2.0um厚组分渐变AlyGa1-yN，Al组分y从下向上由0渐变到0.04； 
5）关闭三甲基铝，1080℃，生长200nm厚GaN沟道层； 
6）再打开三甲基铝，生长25nm厚AlGaN势垒层； 
7）降至室温。 
实施例2 
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）通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生长2.5um厚组分渐变AlyGa1-yN，Al组分从下向上由0渐变到0.05； 
5）关闭三甲基铝，1080℃，生长100nm厚GaN沟道层； 
6）再打开三甲基铝，1080℃，生长1nm厚AlN及20nm厚AlGaN势垒层； 
7）降至室温。 
实施例3 
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）通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生长2.5um厚组分渐变AlyGa1-yN，Al组分y从下向上由0渐变到0.06； 
6）关闭三甲基铝，1080℃，生长500nm厚GaN沟道层； 
7）再打开三甲基铝，1100℃，生长25nm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）1180℃，通入氨气和三甲基铝，在衬底表面生长50nm厚AlN成核层； 
4）通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生长2.0um厚组分渐变AlyGa1-yN，Al组分y从下向上由0渐变到0.04； 
5）关闭三甲基铝，1080℃，生长50nm厚GaN沟道层； 
6）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； 
7）降至室温。 
本发明所述的组分渐变AlyGa1-yN缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，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；能有效减低缓冲层中的位错等 缺陷密度，有助于进一步提升器件的性能及可靠性。 

Claims (4)

1.一种组分渐变AlyGa1-yN缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征在于：包括衬底层，该衬底层上从下至上依次生长有成核层、缓冲层、沟道层和势垒层，其中： 
所述衬底层为蓝宝石、SiC或Si； 
所述成核层为ALN、GaN或AlGaN； 
所述沟道层为GaN； 
所述势垒层为III-V族氮化物多元合金薄膜； 
所述缓冲层为AlyGa1-yN，其中Al组分含量沿成核层向沟道层方向由0渐变到y，y为0.02～0.08。 
2.根据权利要求1所述组分渐变AlyGa1-yN缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征在于：所述AlyGa1-yN缓冲层的厚度为0.5～3.0μm。 
3.根据权利要求1所述组分渐变AlyGa1-yN缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征在于：所述沟道层厚度为10～500nm。 
4.根据权利要求1所述组分渐变AlyGa1-yN缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征在于：所述AlyGa1-yN缓冲层的生长温度为700～1200℃。 
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