CN103779405A - GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管材料及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管半导体材料的外延结构及方法，其结构是半绝缘GaAs衬底上是GaAs缓冲层（2）；缓冲层上是第一势垒层（3）；第一势垒层上是第一平面掺杂层（4）；第一平面掺杂层上是第一隔离层（5）；第一隔离层上是沟道层（6）；沟道层上是第二隔离层（7）；第二隔离层上是第二平面掺杂层；第二平面掺杂层（8）上是第二势垒层（9）；第二势垒层上是接触层（10）。优点：1）由于在势阱生长过程中采用交替生长超晶格结构，消除了应变弛豫，可以增加势阱中InGaAs势阱中In的组分；2）In组分增加能够明显增加势阱中二维电子气限制效应；3）In含量的增加直接增加了PHEMT材料迁移率。

Description

GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管材料及方法
技术领域
本发明涉及的是一种GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管（PHEMT）材料的外延结构及生长方法，属于含有超晶格沟道层PHEMT外延生长技术领域。
背景技术
目前，赝配高电子迁移晶体管（PHEMT），主要生长在GaAs衬底上。GaAs PHEMT均采用InGaAs作为沟道层。 GaAs PHEMT中沟道In组分在20%左右。传统PHEMT生长主要两种方式：单异质结和双异质结。单异质结主要结构为直接在沟道上生长势垒层，将二维电子气限制在沟道与势垒界面处的三角势阱中。双异质结的主要结构是在生长沟道前先生长势垒层，生长沟道层后再生长另一层势垒层，这样由于沟道层禁带宽度小，能够在沟道层内形成方势阱。双异质结与单异质结相比具有如下优点：1）方势阱的引入容易提高了二维电子气的浓度和迁移率。2）方势阱更容易将电子束缚在势阱中，增强了电子限制效应，有效的降低器件的噪声。 3）由于势垒与衬底晶格匹配，沟道中In含量可适度提高。但是，为了进一步提高沟道内二维电子气的浓度和迁移率需要不断的增加沟道中In的含量，当In含量足够大时沟道与势垒及衬底之间存在较大的晶格失配，晶格失配的产生有如下影响：1）在沟道内部产生失配位错。2）失配位错的产生增加了对二维电子气的散射，使二维电子气迁移率降低。3）失配位错的产生，引起器件漏电。为了降低失配位错，减小沟道层厚度是有效的方法，但是沟道层的厚度不能无限减小，因此必须在In含量与沟道层厚度之间折中考虑。
发明内容
本发明提出的是一种GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管（PHEMT）材料的外延结构及生长方法，其目的旨在针对 GaAs PHEMT内沟道In组分过大引起失配位错、以及增强沟道内二维电子气限制效应，在势垒层 上生长宽禁带AlGaAs与InGaAs形成超短周期超晶格，这种超晶格属于混合结构，能够实现带隙的平滑过渡。因为AlGaAs与GaAs衬底晶格匹配，生长过程中不断增加超晶格中In含量，由于超晶格中InGaAs厚度极薄，能够有效缓解应力影响，同时能够显著提高三角势阱底InGaAs中In含量。通过超晶格结构形成，在不引入位错的情况下，可最大限度的增加InGaAs沟道中In含量，提高二维电子气的浓度和迁移率。本发明不仅可以生长高In组分的单晶薄膜，还可以在其上继续生长各种单晶材料及器件结构（如发光二极管、探测器、激光器、晶体管等）。所涉及的薄膜外延方法可以利用MOCVD（金属有机物化学汽相沉积）、MBE（分子束外延）、UHVCVD（超高真空化学汽相沉积）等外延生长技术实现。
本发明的技术解决方案是：GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管半导体材料的外延结构，其结构包括半绝缘GaAs衬底上（1）、GaAs缓冲层（2）、第一AlGaAs势垒层（3）、第一平面掺杂层（4）、第一隔离层（5）、沟道层（6）、第二隔离层（7）、第二平面掺杂层（8）、第二势垒层（9）、接触层（10），其中半绝缘GaAs衬底上（1）上是GaAs缓冲层（2）；在缓冲层（2）上是A势垒层（3）；第一AlGaAs势垒层（3）上是第一平面掺杂层（4）；第一平面掺杂层（4）上是第一隔离层（5）；第一隔离层（5）上是沟道层（6）；沟道层（6）上是第二隔离层（7）；第二隔离层（7）上是第二平面掺杂层（8）；第二平面掺杂层（8）上是第二势垒层（9）；第二势垒层（9）上是接触层（10）。
GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管半导体材料的方法，
1）在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层（2）；
2）在GaAs缓冲层（2）上生长第一AlGaAs势垒层（3）；
3）在第一AlGaAs势垒层（3）上生长第一平面掺杂层（4）；
4）在第一平面掺杂层（4）上生长第一AlGaAs隔离层（5）；
5）在第一AlGaAs隔离层（5）上生长沟道层（6）；
6）在InGaAs沟道（6）上生长第二隔离层（7）；
7）在第二隔离层（7）上生长第二平面掺杂层（8）；
8）在第二平面掺杂层（8）上生长第二势垒层（9）；
9）在第二AlGaAs势垒层（9）上生长GaAs高掺杂接触层（10）。
本发明具有以下优点：1）由于在势阱生长过程中采用交替生长超晶格结构，消除了应变弛豫，可以增加势阱中InGaAs势阱中In的组分。2）In组分增加能够明显增加势阱中二维电子气限制效应。3） In含量的增加直接增加了PHEMT材料迁移率。
附图说明
附图1是GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管（PHEMT）材料的外延结构示意图。
附图2是PHEMT中三角形势阱的结构示意图。
具体实施方式
对照附图，GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管半导体材料的外延结构，包括半绝缘GaAs衬底上（1）、GaAs缓冲层（2）、第一AlGaAs势垒层（3）、第一平面掺杂层（4）、第一隔离层（5）、沟道层（6）、第二隔离层（7）、第二平面掺杂层（8）、第二势垒层（9）、接触层（10），其中半绝缘GaAs衬底上（1）上是GaAs缓冲层（2）；在缓冲层（2）上是A势垒层（3）；第一AlGaAs势垒层（3）上是第一平面掺杂层（4）；第一平面掺杂层（4）上是第一隔离层（5）；第一隔离层（5）上是沟道层（6）；沟道层（6）上是第二隔离层（7）；第二隔离层（7）上是第二平面掺杂层（8）；第二平面掺杂层（8）上是第二势垒层（9）；第二势垒层（9）上是接触层（10）。
所述的沟道层（6）的结构是交替生长的超晶格结构（I）；在超晶格结构（I）上是InGaAs沟道（Ⅱ），InGaAs沟道（Ⅱ）上是重复生长的超晶格结构（Ⅲ）。
所述的第一AlGaAs势垒层（3）厚度为15~30nm；第二AlGaAs隔离层（5）的厚度为10~20nm；第二隔离层（7）的厚度为10~20nm；第二势垒层（9）的厚度为15~30nm。
所述的第一平面掺杂层（4）的浓度为1~2E12cm-2；第二平面掺杂层（8）浓度为1~2E12cm-2。
所述的GaAs接触层（10）厚度为10~30nm，掺杂浓度为1~2E19cm-3。
GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管半导体材料的方法，包括以下步骤：
1）在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层（2）；
2）在GaAs缓冲层（2）上生长第一AlGaAs势垒层（3）；
3）在第一AlGaAs势垒层（3）上生长第一平面掺杂层（4）；
4）在第一平面掺杂层（4）上生长第一AlGaAs隔离层（5）；
5）在第一AlGaAs隔离层（5）上生长沟道层（6）；
6）在InGaAs沟道（6）上生长第二隔离层（7）；
7）在第二隔离层（7）上生长第二平面掺杂层（8）；
8）在第二平面掺杂层（8）上生长第二势垒层（9）；
9）在第二AlGaAs势垒层（9）上生长GaAs高掺杂接触层（10）。
所述的沟道层（6）的生长方法：首先生长AlGaAs/InGaAs超晶格结构（I），然后生长InGaAs沟道（II），最后生长AlGaAs/InGaAs超晶格结构（III）形成三角形势阱，所述的AlGaAs/InGaAs超晶格（I）厚度为0.5~1.5nm，周期为5~10；InGaAs沟道（II）厚度为2~5nm；超晶格（III）周期数和厚度与超晶格（I）相同只是生长顺序相反，即靠近隔离层先生长改为靠近势垒层先生长。
所述GaAs缓冲层（2）生长在半绝缘GaAs衬底（1）的表面，GaAs缓冲层（2）厚度为300~500nm。
实施例1
1）选择半绝缘GaAs衬底，利用MBE技术进行生长；
2）在生长之前加热到400摄氏度，烘烤30分钟；
3）将衬底放入生长腔室，在As气氛保护下，升温至580摄氏度，除去氧化膜；迅速降温至560度生长GaAs缓冲层500nm，然后生长10nm AlGaAs势垒层；
4）生长完AlGaAs后生长平面掺杂层，采用Si掺杂，浓度为1E12cm-2 ；
5）生长完Si平面掺杂层后生长AlGaAs隔离层10nm；
6）生长完隔离层后生长AlGaAsAs/InGaAs超晶格，超晶格周期为0.5nm，共5个，In含量从20%，增加到30%；
7）生长超晶格后生长2nm厚InGaAs沟道；
8）生长完InGaAs沟道后生长AlGaAs/InGaAs超晶格，超晶格周期为0.5nm，共5个，In含量从30%减小到20%；
9）生长完沟道后，生长10nm AlGaAs隔离层，以及1E12cm-2平面掺杂层和15nm AlGaAs势垒层；
10）最后生长10nm GaAs接触层，掺杂浓度为2E18cm-3；
11）生长结束后降至室温。
实施例2
1）选择半绝缘GaAs衬底，利用MBE技术进行生长；
2）在生长之前加热到400摄氏度，烘烤30分钟；
3）将衬底放入生长腔室，在As气氛保护下，升温至580摄氏度，除去氧化膜；迅速降温至560摄氏度生长GaAs缓冲层500nm，然后生长15nm AlGaAs势垒层；
4）生长完AlGaAs后生长平面掺杂层，采用Si掺杂，浓度为1E12cm-2；
5）生长完Si平面掺杂层后生长AlGaAs隔离层15nm；
6）生长完隔离层后生长AlGaAsAs/InGaAs超晶格，超晶格周期为1nm，共10个，In含量从20%，增加到30%；
7）生长超晶格后生长2nm厚InGaAs沟道；
8）生长完InGaAs沟道后生长AlGaAs/InGaAs超晶格，超晶格周期为1nm，共10个，In含量从30%减小到20%；
9）生长完沟道后，生长15nm AlGaAs隔离层，以及1E12cm-2平面掺杂层和20nm AlGaAs势垒层；
10）最后生长10nm GaAs接触层，掺杂浓度为2E18cm-3；
11）生长结束后降至室温。
实施例3
1）选择半绝缘GaAs衬底，利用MBE技术进行生长；
2）在生长之前加热到400摄氏度，烘烤30分钟；
3）将衬底放入生长腔室，在As气氛保护下，升温至580摄氏度，除去氧化膜；迅速降温至560度生长GaAs缓冲层500nm，然后生长20nm AlGaAs势垒层；
4）生长完AlGaAs后生长平面掺杂层，采用Si掺杂，浓度为1E12cm-2；
5）生长完Si平面掺杂层后生长AlGaAs隔离层20nm；
6）生长完隔离层后生长AlGaAsAs/InGaAs超晶格，超晶格周期为1.5nm，共10个，In含量从20%，增加到30%；
7）生长超晶格后生长2nm厚InGaAs沟道；
8）生长完InGaAs沟道后生长AlGaAs/InGaAs超晶格，超晶格周期为1nm，共10个，In含量从30%减小到20%；
9）生长完沟道后，生长20nm AlGaAs隔离层，以及1E12cm-2平面掺杂层和30nm AlGaAs势垒层；
10）最后生长10nm GaAs接触层，掺杂浓度为2E18cm-3；
11）生长结束后降至室温。
实施例4
1）选择半绝缘GaAs衬底，利用MBE技术进行生长；
2）在生长之前加热到400摄氏度，烘烤30分钟；
3）将衬底放入生长腔室，在As气氛保护下，升温至580摄氏度，除去氧化膜；迅速降温至560度生长GaAs缓冲层500nm，然后生长30nm AlGaAs势垒层；
4）生长完AlGaAs后生长平面掺杂层，采用Si掺杂，浓度为1E12cm-2；
5）生长完Si平面掺杂层后生长AlGaAs隔离层15nm；
6）生长完隔离层后生长AlGaAsAs/InGaAs超晶格，超晶格周期为1nm，共5个，In含量从20%，增加到30%；
7）生长超晶格后生长2nm厚InGaAs沟道；
8）生长完InGaAs沟道后生长AlGaAs/InGaAs超晶格，超晶格周期为1nm，共10个，In含量从30%减小到20%；
9）生长完沟道后，生长150nm AlGaAs隔离层，以及1E12cm-2平面掺杂层和20nm AlGaAs势垒层；
10）最后生长10nm GaAs接触层，掺杂浓度为2E18cm-3；
11）生长结束后降至室温。
实施例5
1）选择半绝缘GaAs衬底，利用MBE技术进行生长；
2）在生长之前加热到400摄氏度，烘烤30分钟；
3）将衬底放入生长腔室，在As气氛保护下，升温至580摄氏度，除去氧化膜；迅速降温至560度生长GaAs缓冲层500nm，然后生长20nm AlGaAs势垒层；
4）生长完AlGaAs后生长平面掺杂层，采用Si掺杂，浓度为1E12cm-2；
5）生长完Si平面掺杂层后生长AlGaAs隔离层15nm；
6）生长完隔离层后生长AlGaAsAs/InGaAs超晶格，超晶格周期为1nm，共10个，In含量从20%，增加到30%；
7）生长超晶格后生长2nm厚InGaAs沟道；
8）生长完沟道后，生长150nm AlGaAs隔离层，以及1E12cm-2平面掺杂层和20nm AlGaAs势垒层；
9）最后生长10nm GaAs接触层，掺杂浓度为2E18cm-3；
10）生长结束后降至室温。

Claims (8)

1.GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管半导体材料的外延结构，其特征是包括半绝缘GaAs衬底上（1）、GaAs缓冲层（2）、第一AlGaAs势垒层（3）、第一平面掺杂层（4）、第一隔离层（5）、沟道层（6）、第二隔离层（7）、第二平面掺杂层（8）、第二势垒层（9）、接触层（10），其中半绝缘GaAs衬底上（1）上是GaAs缓冲层（2）；在缓冲层（2）上是AlGaAs势垒层（3）；第一AlGaAs势垒层（3）上是第一平面掺杂层（4）；第一平面掺杂层（4）上是第一隔离层（5）；第一隔离层（5）上是沟道层（6）；沟道层（6）上是第二隔离层（7）；第二隔离层（7）上是第二平面掺杂层（8）；第二平面掺杂层（8）上是第二势垒层（9）；第二势垒层（9）上是接触层（10）。
2.根据权利要求1所述的GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管半导体材料的外延结构，其特征是所述的沟道层（6）的结构是交替生长的超晶格结构（I）上是InGaAs沟道（Ⅱ），InGaAs沟道（Ⅱ）上是重复生长的超晶格结构（Ⅲ）。
3.根据权利要求1所述的GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管半导体材料的外延结构，其特征是所述的第一AlGaAs势垒层（3）厚度为15~30nm；第二AlGaAs隔离层（5）的厚度为10~20nm；第二隔离层（7）的厚度为10~20nm；第二势垒层（9）的厚度为15~30nm。
4.根据权利要求1所述的GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管半导体材料的外延结构，其特征是所述的第一平面掺杂层（4）的浓度为1~2E12cm-2；第二平面掺杂层（8）浓度为1~2E12cm-2。
5.根据权利要求1所述的GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管半导体材料的外延结构，其特征是所述的GaAs接触层（10）厚度为10~30nm，掺杂浓度为1~2E19cm-3。
6.如权利要求1所述的GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管半导体材料的方法，其特征是包括以下步骤：
1）在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层（2）；
2）在GaAs缓冲层（2）上生长第一AlGaAs势垒层（3）；
3）在第一AlGaAs势垒层（3）上生长第一平面掺杂层（4）；
4）在第一平面掺杂层（4）上生长第一AlGaAs隔离层（5）；
5）在第一AlGaAs隔离层（5）上生长沟道层（6）；
6）在InGaAs沟道（6）上生长第二隔离层（7）；
7）在第二隔离层（7）上生长第二平面掺杂层（8）；
8）在第二平面掺杂层（8）上生长第二势垒层（9）；
9）在第二AlGaAs势垒层（9）上生长GaAs高掺杂接触层（10）。
7.根据权利要求2所述的GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管半导体材料的方法，其特征是所述的沟道层（6）的生长方法：首先生长AlGaAs/InGaAs超晶格结构（I），然后生长InGaAs沟道（II），最后生长AlGaAs/InGaAs超晶格结构（III）形成三角形势阱，所述的AlGaAs/InGaAs超晶格（I）厚度为0.5~1.5nm，周期为5~10个；InGaAs沟道（II）厚度为2~5nm；超晶格（III）周期数和厚度与超晶格（I）相同只是生长顺序相反，即靠近隔离层先生长改为靠近势垒层先生长。
8.根据权利要求2所述GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管（PHEMT）半导体材料的外延结构，其特征是所述GaAs缓冲层（2）生长在半绝缘GaAs衬底（1）的表面，GaAs缓冲层（2）厚度为300~500nm。
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