CN109742140A - 具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层及制备方法 - Google Patents
具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层，包括：由下至上依次层叠设置的衬底、成核层、具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层和GaN缓冲层：所述具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层包含多个多量子阱应力传递层，所述多个多量子阱应力传递层中Al的含量由下至上依次减少；所述多量子阱应力传递层中包括多个多量子阱周期，每一个多量子阱周期中进一步包括Al组分渐变的AluGa1‑uN渐变过渡层以及高Al组分AlaGa1‑aN势垒层和/低Al组分AlbGa1‑bN势阱层，使得所述多量子周期中每一层中Al组分含量单边递增或递减；所述多量子周期的个数为3‑100。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子元件，尤其涉及场效应晶体管。
背景技术
GaN基高电子迁移率场效应晶体管(HighElectronMobilityTransistor，HEMT)外延材料的生长过程中如何获得高质量高阻值的缓冲层是GaN基HEMT外延的重要关键技术之一。在HEMT器件工作时GaN基缓冲层的漏电不仅会恶化器件高压条件下的夹断性能，使栅极对沟道电流的控制能力减弱从而恶化器件的整体性能；与此同时缓冲层中的漏电还会增加器件的发热量，使器件输出特性变差降低电能转换效率以至于影响到器件的可靠性和使用寿命，因此GaN基缓冲层在高压下的漏电问题一直是困扰HEMT器件性能提高的一个难题。为了获得良好的器件特性和提高器件的可靠性必须生长高阻值GaN基缓冲层减少器件高压工作时寄生漏电流。另外缓冲层的缺陷密度(位错密度，掺杂等)也会直接影响到HEMT器件的二维电子气迁移率从而影响器件的导通电阻和高频特性，因此高质量的缓冲层也是提高器件性能的重要指标。
通过MOCVD生长的GaN基外延材料中由于背景氧掺杂、氮空位等缺陷存在，非故意掺杂的本征GaN是一种弱N型材料具有较高的背景电子浓度(1016-1017/cm3左右)，所以要获得高阻值的GaN基缓冲层首先必须想办法补偿材料中电子获得低背景浓度的缓冲层。一般获得高阻值GaN基外延材料的方法可以分为两大类：一类是通过控制在MOCVD中外延GaN过程的生长参数包括反应室气压，生长温度，生长速率，V/III比等，增加外延材料中的p-型杂质数量或受主缺陷态密度来补偿高的背景电子浓度进而获得低背景电子浓度高阻值GaN基缓冲层；另一种方法是通过在GaN基材料的外延生长中通入含有Fe、Cr、Mg等金属元素的外源掺杂剂在氮化镓的禁带中形成深能级缺陷或产生受主缺陷态补偿剩余载流子从而获得高阻值的GaN基缓冲层。第一种方法是通过引入晶格缺陷杂质获得高阻值GaN外延层，因此获得高阻外延层的晶体质量会变差。同时通过控制生长条件获得高阻值GaN方法对设备依赖性较强，重复性也较差而且过多缺陷态还会加剧器件的电流崩塌效应，严重影响器件的可靠性；第二种方法中所引入金属杂质一般都具有较强的记忆效应会在反应室一直有残留使得后续外延材料都有被金属杂质污染风险，因此一般需要有一台专用掺杂的MOCVD生长高阻GaN基外延材料而且残留到沟道的金属杂质会使沟道2DEG的迁移率下降影响器件特性。因此找到一种既可以获得高阻GaN基缓冲层同时又不会引入过多的杂质缺陷而造成器件高压下电流崩塌的方法是高性能GaN基HEMT器件外延生长的关键。
利用氮化镓基单边渐变多量子阱异质结结构制备高阻值的氮化镓基缓冲层可以在获得高阻值氮化镓基缓冲层的同时保持氮化镓晶体质量，其中单边渐变量子阱是指量子阱两侧的界面有一侧界面是渐变过渡，一侧界面是突变过渡。氮化镓多基量子阱是AlN和GaN以及它们的合金材料组成的多量子阱，由于六方单晶AlN材料的禁带宽度为6.2eV极化强度为0.081C/cm^2，而六方单晶GaN材料的禁带宽度使3.4eV极化强度为0.029C/cm^2，因此在不同Al组分AlGaN的界面处除了能带差异外还存在大量的剩余极化电荷，从而导致界面容易形成载流子导电通道。在氮化镓基多量子阱结构中突变的界面可以有效的限制势阱中的载流子和起到阻挡载流子作用，而渐变的界面可以减小界面处极化强度的变化梯度避免界面处二维载流子导电通道的形成通过利用具有单边渐变多量子阱结构制备高阻缓冲层与传统的控制MOCVD生长参数和引入金属杂质能级获得高阻值GaN方法相比不仅不用担心污染反应室，而且可以获得高质量的高阻GaN基缓冲层。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是提供一种氮化镓基缓冲层及制备方法，能够实现高阻值。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层，包括：由下至上依次层叠设置的衬底、成核层、具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层和GaN缓冲层：
所述具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层包含多个多量子阱应力传递层，所述多个多量子阱应力传递层中Al的含量由下至上依次减少；
所述多量子阱应力传递层中包括多个多量子阱周期，每一个多量子阱周期中进一步包括Al组分渐变的AluGa1-uN渐变过渡层以及高Al组分AlaGa1-aN势垒层和/低Al组分AlbGa1-bN势阱层，使得所述多量子周期中每一层中Al组分含量单边递增或递减；所述多量子周期的个数为3-100。
在一较佳实施例中：每一个多量子阱周期中进一步包括由下至上层叠设置的高Al组分AlaGa1-aN势垒层、Al组分递减AluGa1-uN渐变过渡层和低Al组分AlbGa1-bN势阱层；多量子周期的个数为3-100。
在一较佳实施例中：所述高Al组分AlaGa1-aN势垒层的厚度为1-5nm、Al组分递减AluGa1-uN渐变过渡层的厚度为3-100nm、低Al组分AlbGa1-bN势阱层的厚度为3-100nm。
本发明还提供了具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层的制备方法，包括如下步骤：
1)在衬底上生长成核层；
2)在成核层上生长具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层，所述具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层包含多个多量子阱应力传递层，所述多个多量子阱应力传递层中Al的含量由下至上依次减少；
所述多量子阱应力传递层中包括多个多量子阱周期，每一个多量子阱周期中进一步包括Al组分渐变的AluGa1-uN渐变过渡层以及高Al组分AlaGa1-aN势垒层和/低Al组分AlbGa1-bN势阱层，使得所述多量子周期中每一层中Al组分含量单边递增或递减；所述多量子周期的个数为3-100；
3)在具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层上生长高阻GaN缓冲层。
在一较佳实施例中：所述成核层为高温AlN成核层，生长高温AlN成核层时，生长表面温度为1000-1200℃；或者所述成核层为GaN，生长GaN成核层时，生长表面温度为450-550℃；所述成核层为低温AlN成核层，生长表面温度为600-800℃。
在一较佳实施例中：步骤2中，生长高Al组分AlbGa1-bN势垒层的具体参数是：MO源中TMGa的流量为0-80sccm，TMAl的流量为20-600sccm，NH3的流量为1500-30000sccm，生长表面温度1000-1100℃。
在一较佳实施例中：步骤2中，生长Al组分递减AluGa1-uN渐变过渡层的具体参数是：MO源中TMGa的流量comh，TMAl的流量为0-600sccm，NH3的流量为1500-30000sccm，生长表面温度1000-1100℃.
在一较佳实施例中：步骤2中，生长低Al组分AlaGa1-aN窄势阱层的具体参数是：MO源中TMAl的流量从20-600sccm到0-600sccm逐渐减小，TMGa的流量从0-80sccm到15-400sccm逐渐增加，同时NH3的流量为1500-30000sccm，生长的表面温度1000-1100℃。
在一较佳实施例中：步骤3中，生长高阻GaN缓冲层的具体参数为：MO源中TMGa的流量为100～500sccm，NH3的流量为10000～15000sccm，生长表面温度为950～1050℃，反应室气压为10～80mbar，生长速率为1.5～3um/h。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
1.本发明提供了具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层，通过生长AlxGa1-xN基多量子阱结构，利用渐变界面层可以有效减小极化强度变化梯度从而避免量子阱中导电沟道形成，利用突变界面可以有效限制势垒中的载流子和阻挡高压下的载流子纵向运动，因此可以获得高阻值的GaN基缓冲层。
2.通过设计AlxGa1-xN基多量子阱中的各层的Al组分和厚度可以用来作为Si衬底上GaN外延生长的高阻应力传递缓冲层以及HEMT器件结构中的高阻值背势垒层。
3利用量子阱周期性的应力变化可以促进穿透位错湮灭提高硅基GaN外延片的晶体质量。
附图说明
图1为本发明优选实施例中具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层的分层结构图；
图2为本发明优选实施例中具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层的分层结构图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施方式对本发明作详细说明。
参考图1，具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层，包括：由下至上依次层叠设置的衬底1、成核层2、具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层3和GaN缓冲层4：
进一步参考图2，所述具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层2包含多个多量子阱应力传递层，所多个多量子阱应力传递层中Al的含量由下至上依次减少；
每一个多量子阱应力传递层中包括多个多量子阱周期，每一个多量子阱周期中进一步包括Al组分渐变的AluGa1-uN渐变过渡层3122……3n12以及高Al组分AlaGa1-aN势垒层3111……3n11和/低Al组分AlbGa1-bN势阱层3113……3n13，使得所述多量子周期中每一层中Al组分含量单边递增或递减；所述多量子周期的个数为3-100。
本实施例中，每一个多量子阱周期中进一步包括由下至上层叠设置的高Al组分AlaGa1-aN势垒层3111……3n11、Al组分递减AluGa1-uN渐变过渡层3122……3n12和低Al组分AlbGa1-bN势阱层3113……3n13；多量子周期的个数为3-100。
所述高Al组分AlaGa1-aN势垒层3111……3n11的厚度为1-5nm、Al组分递减AluGa1-uN渐变过渡层3122……3n12的厚度为3-100nm、低Al组分AlbGa1-bN势阱层3113……3n13的厚度为3-100nm。
上述具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层的制备方法，包括如下步骤：
(1)利用MOCVD在1mm的6寸Si衬底上生长AlN成核层。在1050℃高温脱附15min去掉Si表面的氧化物和杂质，露出台阶状的表面形貌。然后高温下生长成核层：生长温度为1100℃，MO源中TMAl的流量为250sccm，NH3的流量为3000sccm，反应室气压为70mbar，生长速度0.3um/h左右，生长时间40min。AlN成核层厚度为200nm左右；
(2)利用MOCVD继续在AlN成核层上继续生长具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层，其包括包含多个多量子阱应力传递层。
第一多量子阱应力传递层的平均Al组分为74.5％左右，生长包括：①高Al组分的AlaGa1-aN层(Al组分为85％)的生长条件为：MO源中TMGa的流量为19sccm，TMAl的流量为450sccm，同时NH3的流量为1500sccm；生长表面温度1050℃，生长时间14s，厚度为3nm左右；②Al组分递减的渐变AluGa1-uN层(Al组分从85％渐变到70％)的生长条件为：MO源中TMGa的流量为19sccm渐变到36sccm，TMAl的流量为450sccm渐变到370sccm，同时NH3的流量为1500sccm；表面温度1050℃，生长时间56s厚度为12nm左右；③低Al组分的AlbGa1-bN层(Al组分为70％)的生长条件为：MO源中TMGa的流量为36sccm，TMAl的流量为370sccm，同时NH3的流量为2000sccm；生长表面温度1050℃，生长时间60s厚度为15nm左右；重复生长12个周期的①-③得到厚度为360nm左右平均Al组分74.5％的第一多量子阱应力传递层；
(3)利用MOCVD继续在第一多量子阱应力传递层上继续生长平均Al组分为49.5％左右的第二多量子阱应力传递层。生长包括：①高Al组分的AlcGa1-cN层(Al组分为60％)生长条件为：MO源中TMGa的流量为40sccm，TMAl的流量为450sccm，同时NH3的流量为1500sccm；生长表面温度1050℃，生长时间10s，厚度为3nm左右；②Al组分递减的渐变AlvGa1-vN层(Al组分从60％渐变到45％)生长条件为：MO源中TMGa的流量为40sccm渐变到65sccm，TMAl的流量为450sccm渐变到338sccm，同时NH3的流量为1500sccm；生长表面温度1050℃，生长时间40s，厚度为12nm左右；③低Al组分的AldGa1-dN层(Al组分为45％)的生长条件为：MO源中TMGa的流量为65sccm，TMAl的流量为338sccm，同时NH3的流量为2000sccm；生长表面温度1050℃，生长时间50s，厚度为15nm左右；重复生长36个周期的①-③得到厚度为1080nm左右平均Al组分49.5％的第二多量子阱应力传递层；
(4)利用MOCVD继续在第二多量子阱应力传递层上继续生长平均Al组分为24.5％左右的第三多量子阱应力传递层。生长包括：①高Al组分的AleGa1-eN层(Al组分为35％)生长条件为：MO源中TMGa的流量为76sccm，TMAl的流量为263sccm，同时NH3的流量为2000sccm；生长表面温度1050℃，生长时间9s厚度为3nm左右；②Al组分递减的渐变AlwGa1- wN层(Al组分从35％渐变到20％)生长条件为：MO源中TMGa的流量为76sccm渐变到95sccm，TMAl的流量为263sccm渐变到150sccm，同时NH3的流量为1500sccm；表面温度1050℃，生长时间36s厚度为12nm左右；③低Al组分的AlfGa1-fN层(Al组分从20％)的生长条件为：MO源中TMGa的流量为95sccm，TMAl的流量为150sccm，同时NH3的流量为2000sccm；表面温度1050℃，生长时间45s厚度为15nm左右；重复生长50个周期的①-③得到厚度为1.5um左右平均Al组分25％的第三多量子阱应力传递层；
(5)上述多具有单边渐变多量子阱应力传递层上生长高阻GaN层。高阻GaN层为低温低压生长的GaN层，TMGa流量为200sccm，同时NH3的流量为12000sccm，生长表面温度为1000℃左右，反应室气压为50mbar，生长速率为2.5um/h左右，生长时间为40min，厚度为1600nm左右。
作为本发明的简单替换，当高Al组分AlbGa1-bN势垒层厚度小于10nm时相邻量子阱的基态能级产生耦合形成具有窄势阱的超晶格结构也可以实现高阻氮化镓基缓冲层；可以利用含In的合金化合物AlxInyGa1-x-yN/(Al)GaN替代AlbGa1-bN；在多量子阱结构中实现Al组分递变的方法除了调节MO源的大小也可以通过调节量子阱的生长条件(温度，气压等)实现量子阱结构中Al组分的递变。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：所述每个多量子阱周期中包含由下至上层叠设置的：Al组分递减AluGa1-uN层、低Al组分AlbGa1-bN层、Al组分递减AluGa1-uN层。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：所述每个多量子阱周期中包含由下至上层叠设置的：高Al组分AlaGa1-aN层,Al组分递减AluGa1-uN层、高Al组分AlaGa1-aN层，其依然要满足由下至上Al组分逐渐减小。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于：所述每个多量子阱周期中包含由下至上层叠设置的：低Al组分AlaGa1-aN层、Al组分递增AluGa1-uN层、高Al组分AlbGa1-bN层、低Al组分AlaGa1-aN层。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于：所述每个多量子阱周期中包含由下至上层叠设置的：Al组分递增AluGa1-uN层、高Al组分AlbGa1-bN层、Al组分递增AluGa1-uN层。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于：所述每个多量子阱周期中包含由下至上层叠设置的：Al组分递增AluGa1-uN层、低Al组分AlaGa1-aN层、Al组分递增AluGa1-uN层。
以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的范围不限于此，本领域的技术人员可以容易地想到本发明所公开的变化或技术范围。替代方案旨在涵盖在本发明的范围内。因此，本发明的保护范围应由权利要求的范围确定。
Claims (9)
1.具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层，其特征在于包括：由下至上依次层叠设置的衬底、成核层、具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层和GaN缓冲层：
所述具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层包含多个多量子阱应力传递层，所述多个多量子阱应力传递层中Al的含量由下至上依次减少；
所述多量子阱应力传递层中包括多个多量子阱周期，每一个多量子阱周期中进一步包括Al组分渐变的AluGa1-uN渐变过渡层以及高Al组分AlaGa1-aN势垒层和/低Al组分AlbGa1-bN势阱层，使得所述多量子周期中每一层中Al组分含量单边递增或递减；所述多量子周期的个数为3-100。
2.根据权利要求1所述的具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层，其特征在于：每一个多量子阱周期中进一步包括由下至上层叠设置的高Al组分AlaGa1-aN势垒层、Al组分递减AluGa1-uN渐变过渡层和低Al组分AlbGa1-bN势阱层；多量子周期的个数为3-100。
3.根据权利要求1所述的具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层，其特征在于：所述高Al组分AlaGa1-aN势垒层的厚度为1-5nm、Al组分递减AluGa1-uN渐变过渡层的厚度为3-100nm、低Al组分AlbGa1-bN势阱层的厚度为3-100nm。
4.具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)在衬底上生长成核层；
2)在成核层上生长具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层，所述具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层包含多个多量子阱应力传递层，所述多个多量子阱应力传递层中Al的含量由下至上依次减少；
所述多量子阱应力传递层中包括多个多量子阱周期，每一个多量子阱周期中进一步包括Al组分渐变的AluGa1-uN渐变过渡层以及高Al组分AlaGa1-aN势垒层和/低Al组分AlbGa1-bN势阱层，使得所述多量子周期中每一层中Al组分含量单边递增或递减；所述多量子周期的个数为3-100；
3)在具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层上生长高阻GaN缓冲层。
5.根据权利要求4所述的具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层的制备方法，其特征在于：所述成核层为高温AlN成核层，生长高温AlN成核层时，生长表面温度为1000-1200℃；或者所述成核层为GaN，生长GaN成核层时，生长表面温度为450-550℃；所述成核层为低温AlN成核层，生长表面温度为600-800℃。
6.根据权利要求4所述的具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层的制备方法，其特征在于：步骤2中，生长高Al组分AlbGa1-bN势垒层的具体参数是：MO源中TMGa的流量为0-80sccm，TMAl的流量为20-600sccm，NH3的流量为1500-30000sccm，生长表面温度1000-1100℃。
7.根据权利要求4所述的具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层的制备方法，其特征在于：步骤2中，生长Al组分递减AluGa1-uN渐变过渡层的具体参数是：MO源中TMGa的流量comh，TMAl的流量为0-600sccm，NH3的流量为1500-30000sccm，生长表面温度1000-1100℃。
8.根据权利要求4所述的具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层的制备方法，其特征在于：步骤2中，生长低Al组分AlaGa1-aN窄势阱层的具体参数是：MO源中TMAl的流量从20-600sccm到0-600sccm逐渐减小，TMGa的流量从0-80sccm到15-400sccm逐渐增加，同时NH3的流量为1500-30000sccm，生长的表面温度1000-1100℃。
9.根据权利要求4所述的具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层的制备方法，其特征在于：步骤3中，生长高阻GaN缓冲层的具体参数为：MO源中TMGa的流量为100～500sccm，NH3的流量为10000～15000sccm，生长表面温度为950～1050℃，反应室气压为10～80mbar，生长速率为1.5～3um/h。
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