CN110797394B - 一种高电子迁移率晶体管的外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，具体公开一种高电子迁移率晶体管外延结构及其制备方法。所述外延结构从下到上依次包括衬底、InxGa1‑xN/GaN多量子阱层、GaN缓冲层和有源区。所述制备方法包括，所述衬底置于反应室内，对所述衬底进行热处理，然后在衬底上依次生长InxGa1‑xN/GaN多量子阱层、GaN缓冲层和有源区，获得完整外延结构。本申请在衬底表面首先生长多量子阱层，多量子阱会捕获杂质形成的载流子，降低进入氮化镓缓冲层的杂质载流子浓度，提高HEMT的迁移率和器件的性能；同时，部分In会逸出表面，使生长表面形成类纳米图形衬底，促使氮化镓侧向外延生长，有利于提高氮化镓外延材料的晶体质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种高电子迁移率晶体管的外延结构及其制备方法。
背景技术
作为第三代半导体的典型代表，氮化镓材料由于具有宽的禁带宽度，高电子速度等特点，已经成为半导体领域的研究热点。尤其是氮化镓基器件在微波、毫米波频段广泛应用于无线通信、雷达等电子系统，在光电子和微电子领域具有十分广阔的发展前景。
传统的氮化镓外延材料是在异质衬底，如蓝宝石、碳化硅、氮化铝或硅基衬底上外延生长获得。由于氮化镓材料与衬底之间存在晶格失配和热膨胀失配等问题，如与蓝宝石失配率为16％，与碳化硅失配率为3.4％，与硅基失配率为17％等，异质外延得到的氮化镓材料存在大量的位错和缺陷，缺陷密度高达108-1010cm-2，严重影响了氮化镓基器件的使用寿命和使用效率。在氮化镓同质衬底上外延氮化镓材料，虽然有效的避免了晶格失配和热失配等问题，大大提高了氮化镓外延材料的晶体质量，有利于提高氮化镓基器件的使用寿命和使用效率。但是，由于GaN表面存在不饱和键，极易吸附C、O、Si等杂质，而这些杂质在GaN表面成键形成n型杂质载流子，在氮化镓基高电子迁移率晶体管(HEMT)材料中形成副沟道，严重影响HEMT器件的性能和效率。
发明内容
针对现有同质外延中的杂质严重影响高电子迁移率晶体管有源区的性能的问题，本发明提供一种高电子迁移率晶体管的外延结构。
以及，一种高电子迁移率晶体管外延结构的制备方法。
本发明实施例的第一方面提供一种高电子迁移率晶体管的外延结构，从下到上依次包括衬底、InxGa1-xN/GaN多量子阱层、GaN缓冲层和有源区，其中衬底为GaN同质衬底或生长有GaN模板层的异质衬底。
所述GaN模板即在异质衬底，如蓝宝石、碳化硅、氮化铝、硅、金刚石、石墨或玻璃等材料上生长的GaN。
可选的，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中InxGa1-xN的厚度为1nm-200nm，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中GaN的厚度为1nm-500nm。
可选的，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中InxGa1-xN的厚度为1nm-50nm，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中GaN的厚度为1nm-100nm。
可选的，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中InxGa1-xN的厚度为1nm-30nm，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中GaN的厚度为1nm-50nm。
可选的，所述InxGa1-xN中的x为0.01-1。
可选的，所述InxGa1-xN中的x为0.01-0.8。
可选的，所述InxGa1-xN中的x为0.3-0.4。
可选的，所述有源区的结构包括AlN/GaN、AlGaN/GaN异质结和InAlN/GaN异质结。
本发明实施例的第二方面提供一种高电子迁移率晶体管的外延结构的制备方法，至少包括以下步骤：
步骤a、将所述衬底置于反应室内，对所述衬底进行热处理；
步骤b、在所述衬底上外延生长InxGa1-xN/GaN多量子阱层；
步骤c、在所述多量子阱层上外延生长GaN缓冲层；
步骤d、在所述GaN缓冲层上外延生长高电子迁移率晶体管的有源区。
可选的，步骤a中，所述热处理的条件为：热处理温度为800℃-1300℃，热处理时间为300s-2000s，热处理气氛为氢气气氛。
可选的，步骤c中，所述外延生长的条件为：温度为800℃-1300℃，压力为50mbar-1000mbar，氮元素和镓元素的摩尔比为300-30000。
可选的，步骤b中，所述外延生长的条件为：温度为20℃-1100℃，压力为30mbar-1000mbar，并以氨气为氮源，以氮气或氢气为载气，以三甲基镓或三乙基镓为镓源，以三甲基铟为铟源。
可选的，步骤b中，所述外延生长的条件为：温度为20℃-900℃，压力为30mbar-700mbar。
可选的，步骤b中，所述外延生长的条件为：温度为500℃-700℃，压力为300mbar-500mbar。
本申请在氮化镓衬底表面首先生长InGaN/GaN的多量子阱层，多量子阱会捕获杂质形成的载流子，从而降低进入氮化镓缓冲层的杂质载流子浓度，提高氮化镓基高电子迁移率晶体管(HEMT)的迁移率和器件的性能；同时，在InGaN/GaN多量子阱层生长结束后，部分In会逸出表面，使生长表面形成类纳米图形衬底，促使氮化镓侧向外延生长，有利于提高氮化镓外延材料的晶体质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构示意图；
其中，100、衬底；200、InxGa1-xN/GaN多量子阱层；300、GaN缓冲层；400、有源区。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参见图1，本实施例提供一种高电子迁移率晶体管的外延结构，从下到上依次包括衬底100、InxGa1-xN/GaN多量子阱层200、GaN缓冲层300和有源区400，其中衬底为GaN同质衬底，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中中InxGa1-xN的厚度为10nm，所述InxGa1- xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中GaN的厚度为10nm，所述InxGa1-xN中的x为0.3。
上述高电子迁移率晶体管的外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤a、采用MOCVD技术，在MOCVD反应室内将氮化镓衬底热处理：在氢气气氛下，温度维持在1100℃，持续1000s；
步骤b、将MOCVD反应室降温，以氨气为氮源，以氮气为载气，以三甲基镓为镓源，以三甲基铟为铟源，在所述衬底上外延生长InxGa1-xN/GaN多量子阱，生长温度为600℃，生长压力为500mbar；
步骤c、将MOCVD反应室升温，在所述多量子阱上外延生长GaN缓冲层，生长温度为800℃，生长压力为800mbar，氮元素和镓元素的摩尔比为500；
步骤d、最后在所述GaN缓冲层上外延生长高电子迁移率晶体管的有源区，获得完整外延结构。
实施例2
参见图1，本实施例提供一种高电子迁移率晶体管的外延结构，从下到上依次包括衬底100、InxGa1-xN/GaN多量子阱层200、GaN缓冲层300和有源区400，其中衬底为异质衬底，即生长有GaN模板的碳化硅衬底，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中InxGa1-xN的厚度为30nm，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中GaN的厚度为50nm，所述InxGa1- xN中的x为0.4。
上述高电子迁移率晶体管的外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤a、采用MOCVD技术，在MOCVD反应室内将氮化镓衬底热处理：在氢气气氛下，温度维持在800℃，持续2000s；
步骤b、将MOCVD反应室降温，以氨气为氮源，以氢气为载气，以三乙基镓为镓源，以三甲基铟为铟源，在所述衬底上外延生长InxGa1-xN/GaN多量子阱，生长温度为700℃，生长压力为300mbar；
步骤c、将MOCVD反应室升温，在所述多量子阱上外延生长GaN缓冲层，生长温度为900℃，生长压力为500mbar，氮元素和镓元素的摩尔比为1200；
步骤d、最后在所述GaN缓冲层上外延生长高电子迁移率晶体管的有源区，获得完整外延结构。
实施例3
参见图1，本实施例提供一种高电子迁移率晶体管的外延结构，从下到上依次包括衬底100、InxGa1-xN/GaN多量子阱层200、GaN缓冲层300和有源区400，其中衬底为异质衬底，即生长有GaN模板的蓝宝石衬底，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中InxGa1-xN的厚度为50nm，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中GaN的厚度为100nm，所述InxGa1-xN中的x为0.5。
上述高电子迁移率晶体管的外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤a、采用MOCVD技术，在MOCVD反应室内将氮化镓衬底热处理：在氢气气氛下，温度维持在1300℃，持续300s；
步骤b、将MOCVD反应室降温，以氨气为氮源，以氢气为载气，以三乙基镓为镓源，以三甲基铟为铟源，在所述衬底上外延生长InxGa1-xN/GaN多量子阱，生长温度为1100℃，生长压力为30mbar；
步骤c、将MOCVD反应室升温，在所述多量子阱上外延生长GaN缓冲层，生长温度为1300℃，生长压力为50mbar，氮元素和镓元素的摩尔比为2000；
步骤d、最后在所述GaN缓冲层上外延生长高电子迁移率晶体管的有源区，获得完整外延结构。
实施例4
参见图1，本实施例提供一种高电子迁移率晶体管的外延结构，从下到上依次包括衬底100、InxGa1-xN/GaN多量子阱层200、GaN缓冲层300和有源区400，其中衬底为异质衬底，即生长有GaN模板的金刚石衬底，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中InxGa1-xN的厚度为100nm，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中GaN的厚度为150nm，所述InxGa1-xN中的x为0.8。
上述高电子迁移率晶体管的外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤a、采用MOCVD技术，在MOCVD反应室内将氮化镓衬底热处理：在氢气气氛下，温度维持在900℃，持续1200s；
步骤b、将MOCVD反应室降温，以氨气为氮源，以氢气为载气，以三乙基镓为镓源，以三甲基铟为铟源，在所述衬底上外延生长InxGa1-xN/GaN多量子阱，生长温度为800℃，生长压力为600mbar；
步骤c、将MOCVD反应室升温，在所述多量子阱上外延生长GaN缓冲层，生长温度为1100℃，生长压力为1000mbar，氮元素和镓元素的摩尔比为5000；
步骤d、最后在所述GaN缓冲层上外延生长高电子迁移率晶体管的有源区，获得完整外延结构。
实施例5
参见图1，本实施例提供一种高电子迁移率晶体管的外延结构，从下到上依次包括衬底100、InxGa1-xN/GaN多量子阱层200、GaN缓冲层300和有源区400，其中衬底为异质衬底，即生长有GaN模板的石墨衬底，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中InxGa1-xN的厚度为200nm，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中GaN的厚度为50nm，所述InxGa1-xN中的x为1。
上述高电子迁移率晶体管的外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤a、采用MOCVD技术，在MOCVD反应室内将氮化镓衬底热处理：在氢气气氛下，温度维持在1000℃，持续800s；
步骤b、将MOCVD反应室降温，以氨气为氮源，以氢气为载气，以三乙基镓为镓源，以三甲基铟为铟源，在所述衬底上外延生长InxGa1-xN/GaN多量子阱，生长温度为900℃，生长压力为700mbar；
步骤c、将MOCVD反应室升温，在所述多量子阱上外延生长GaN缓冲层，生长温度为1000℃，生长压力为70mbar，氮元素和镓元素的摩尔比为8000；
步骤d、最后在所述GaN缓冲层上外延生长高电子迁移率晶体管的有源区，获得完整外延结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高电子迁移率晶体管的外延结构，其特征在于：从下到上依次包括衬底、InxGa1- xN/GaN多量子阱层、GaN缓冲层和有源区，其中衬底为GaN同质衬底或生长有GaN模板层的异质衬底；
所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中InxGa1-xN的厚度为1nm-200nm，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的每对量子阱中GaN的厚度为1nm-500nm。
2.如权利要求1所述的高电子迁移率晶体管的外延结构，其特征在于：所述InxGa1-xN中的x为0.01-1。
3.如权利要求1所述的高电子迁移率晶体管的外延结构，其特征在于：所述有源区的结构包括AlN/GaN、AlGaN/GaN异质结和InAlN/GaN异质结。
4.如权利要求1-3任一项所述的高电子迁移率晶体管的外延结构的制备方法，其特征在于：至少包括以下步骤：
步骤a、将所述衬底置于反应室内，对所述衬底进行热处理；
步骤b、在所述衬底上外延生长InxGa1-xN/GaN多量子阱层；
步骤c、在所述多量子阱层上外延生长GaN缓冲层；
步骤d、在所述GaN缓冲层上外延生长高电子迁移率晶体管的有源区。
5.如权利要求4所述的高电子迁移率晶体管的外延结构的制备方法，其特征在于：步骤a中，所述热处理的条件为：热处理温度为800℃-1300℃，热处理时间为300s-2000s，热处理气氛为氢气气氛。
6.如权利要求4所述的高电子迁移率晶体管的外延结构的制备方法，其特征在于：步骤c中，所述外延生长的条件为：温度为800℃-1300℃，压力为50mbar-1000mbar，氮元素和镓元素的摩尔比为300-30000。
7.如权利要求4所述的高电子迁移率晶体管的外延结构的制备方法，其特征在于：步骤b中，所述外延生长的条件为：温度为20℃-1100℃，压力为30mbar-1000mbar，并以氨气为氮源，以氮气或氢气为载气，以三甲基镓或三乙基镓为镓源，以三甲基铟为铟源。
8.如权利要求7所述的高电子迁移率晶体管的外延结构的制备方法，其特征在于：步骤b中，所述外延生长的条件为：温度为20℃-900℃，压力为30mbar-700mbar。
9.如权利要求8所述的高电子迁移率晶体管的外延结构的制备方法，其特征在于：步骤b中，所述外延生长的条件为：温度为500℃-700℃，压力为300mbar-500mbar。
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