CN115938939A - 一种提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的二维电子气浓度的方法 - Google Patents

一种提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的二维电子气浓度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的二维电子气浓度的方法，1)将预清洗的GaN模板浸入混合液中进行刻蚀，所述混合液为双氧水和碱液的混合溶液；2)将刻蚀后的GaN模板取出、冲洗、干燥；3)将干燥后的GaN模板转入金属氧化物气相沉积设备中，在混合气氛中热处理，所述混合气氛由氮气、氢气和氨气组成，热处理时间为1～10min；4)在气相沉积设备中通入镓源、铝源和氮源，在GaN模板上外延生长AlGaN/GaN异质结结构，最终得到AlGaN/GaN外延片；5)使用微纳加工工艺，将步骤4)得到的AlGaN/GaN外延片制备成电子迁移率晶体管器件。所述的方法可应用于提高AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件在工作状态下的饱和输出电流。

Description

一种提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的二维电子气浓度的方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的二维电子气浓度的方法。
背景技术
氮化镓(GaN)属于III-V族宽禁带半导体材料，其禁带宽度可达3.4eV，被广泛用于制备大功率电力电子器件。其中，铝镓氮/镓氮基高电子迁移率晶体管(AlGaN/GaN HEMT)具备高电子迁移率和高击穿场强，是一高温、高功率、高频、微波器件，可用于雷达、无线通讯和卫星通讯等。AlGaN/GaN HEMT具有以上优点的主要原因是AlGaN/GaN异质结界面处天然存在高浓度的二维电子气(2DEG)。由于存在带隙差异和带阶，导致AlGaN和GaN的界面处存在三角形势阱，大量的电子被束缚在势阱中，只能在平面内运动而无法沿竖直方向运动，这使得势阱内的电子免于杂质散射，形成具有很高迁移率的2DEG。增加2DEG的浓度有助于提高高电子迁移率晶体管HEMT器件的输出电流，改善器件的电学特性。为了提高2DEG的浓度，传统的方法是提高AlGaN层中铝组分的浓度或者增加AlGaN势垒层的厚度，这两种方法都需要改变外延生长条件，操作复杂。此外，传统的方法也可能增加AlGaN层与GaN层的晶格失配，导致外延片质量下降。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的二维电子气浓度的方法。本发明具体提供了如下的技术方案：
一种提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的二维电子气浓度的方法，步骤为：
1)将预清洗的GaN模板浸入混合液中进行常温刻蚀，所述混合液为双氧水和碱液的混合溶液；
2)将刻蚀后的GaN模板取出、冲洗、干燥；
3)将干燥后的GaN模板转入金属氧化物气相沉积设备中，在混合气氛中热处理，所述混合气氛由氮气、氢气和氨气组成，热处理时间为1～10min；
4)在气相沉积设备中通入镓源、铝源和氮源，在GaN模板上外延生长AlGaN/GaN异质结结构，最终得到AlGaN/GaN外延片；
5)使用微纳加工工艺，将步骤4)得到的AlGaN/GaN外延片制备成电子迁移率晶体管器件；
所述方法可增加AlGaN/GaN异质结界面处的镁浓度，可增加AlGaN/GaN异质结界面处的二维电子气浓度，可提高AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件在工作状态下的饱和输出电流。
进一步，所述方法可提高AlGaN/GaN异质结界面处的三角形势阱对二维电子气的束缚能力。
进一步，步骤1)所述的混合液的双氧水浓度为20％-40％，所述的碱溶液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液或氨水溶液，所述的碱溶液浓度为1mol/L～6mol/L。
进一步，步骤1)所述的双氧水和碱溶液的体积比为1：1～1：3。
进一步，步骤1)所述的刻蚀的时间为20min～2h；
进一步，步骤3)所述的氮气、氢气和氨气的流量为3slm～40slm；步骤3)所述的热处理的温度为1030℃～1080℃。
进一步，步骤4)所述的外延生长时间为30min～120min；镓源、铝源和氮源分别为三甲基镓、三甲基铝和氨气；三甲基镓的流量为20sccm～160sccm，三甲基铝的流量为30sccm～60sccm，氨气的流量3slm～40slm；生长温度为1095℃～1200℃，生长压强为50kPa～100kPa。
本发明的有益效果在于：本发明将预清洗的氮化镓模板浸入双氧水和碱液的混合溶液中刻蚀，将干燥后的氮化镓转入金属氧化物气相沉积设备中，外延生长铝镓氮/氮化镓异质结结构，由于金属氧化物气相沉积设备中具有镁杂质，本发明通过双氧水和碱的混合溶液刻蚀氮化镓模板表面，使氮化镓的表面粗糙度增加，从而提高氮化镓表面的悬挂键密度，进而加强对镁杂质的吸附，从而形成掺镁的氮化镓薄层，氮化镓模板掺入镁以后，导致铝镓氮/氮化镓异质结结构的导带被抬高，异质结界面的三角形势阱变得更加陡峭，对二维电子气的束缚能力提升，因而提高二维电子气的浓度。铝镓氮/氮化镓异质结界面处的二维电子气浓度提高有助于提高器件的输出电流，改善高铝镓氮/氮化镓电子迁移率晶体管器件性能。该方法不需要改变外延生长条件，也不会造成外延片晶体质量下降，具有简便易行的优点，适合大规模生产。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：
图1是模板-1的原子力显微镜测试图。
图2是模板-2的原子力显微镜测试图。
图3是使用二次离子质谱仪测得的AlGaN/GaN外延片中镁的浓度图。
图4是使用半导体分析仪测得的AlGaN/GaN外延片的电容电压图。
图5是使用半导体分析仪测得的外延片的输出电流随栅压变化图。
图6是使用半导体分析仪测得的晶体管的输出电流随栅压变化图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例
一种提高GaN基HEMT的2DEG浓度的方法，步骤如下：
1)将预清洗的GaN模板浸入混合溶液中刻蚀，所述混合液为双氧水和碱溶液；双氧水浓度为20％-40％。碱溶液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠或氨水溶液，浓度为1mol/L～6mol/L。双氧水和碱溶液体积比为1：1～1：3。样品在溶液中的刻蚀时间为20min～2h。清洗后的模板记为模板-1。
2)将模板-1取出，用流动的去离子水冲洗5min～10min后，用氮气吹干。
3)将干燥后的模板-1转入金属氧化物气相沉积(MOCVD)设备，在混合气氛中热处理，所述混合气氛由氮气、氢气和氨气组成，热处理时间为1～10min。氮气、氢气和氨气的流量为3slm～40slm，热处理的温度为1030℃～1080℃。
4)在MOCVD中通入镓源、铝源和氮源，在GaN模板上外延生长AlGaN/GaN异质结结构，外延生长时间为30min～120min。镓源、铝源和氮源分别为三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)和氨气。TMG的流量为20sccm～160sccm，TMA的流量为30sccm～60sccm，氨气的流量3slm～40slm。生长温度为1095℃～1200℃，生长压强为50kPa～100kPa。最终得到AlGaN/GaN外延片，记为外延片-1。
5)使用微纳加工工艺，将上述外延片制备成HEMT器件，记为晶体管-1。
图1是模板-1的原子力显微镜测试图。步骤1)的混合溶液对GaN有刻蚀作用，导致GaN的平均表面粗糙度(RMS)增加到2.5nm，并且原子台阶流的边缘出现了锯齿状。锯齿状的出现增大了GaN表面的比表面积，提高了GaN表面的悬挂键密度，有助于在步骤3)的气相沉积过程中，吸附更多石墨托中的镁杂质，从而提高2DEG的浓度，进而增加器件的饱和输出电流。
对比例
1)将预清洗的GaN模板先后使用丙酮和乙醇清洗，清洗时间分别为10min～30min。清洗后的模板记为模板-2。
2)将模板-2取出，用流动的去离子水冲洗5min～10min后，用氮气吹干。
3)将干燥后的模板-2转入MOCVD设备，在混合气氛中热处理，所述混合气氛由氮气、氢气和氨气组成，热处理时间为1～10min。氮气、氢气和氨气的流量为3slm～40slm，热处理的温度为1030℃～1080℃。
4)在MOCVD中通入镓源、铝源和氮源，在GaN模板上外延生长AlGaN/GaN异质结结构，外延生长时间为30min～120min。镓源、铝源和氮源分别为三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)和氨气。TMG的流量为20sccm～160sccm，TMA的流量为30sccm～60sccm，氨气的流量3slm～40slm。生长温度为1095℃～1200℃，生长压强为50kPa～100kPa。最终得到AlGaN/GaN HEMT外延片，记为外延片-2。
5)使用微纳加工工艺，将上述外延片制备成HEMT器件，记为晶体管-2。
图2是模板-2的原子力显微镜测试图。相比模板-1，模板-2的平均表面粗糙度(RMS)减小到1nm，并且其原子台阶流的边缘比较光滑。说明未经实施例1步骤1)的混合溶液刻蚀，GaN表面的比表面积和悬挂键密度都比较小，这种形貌不利于在气相沉积过程中吸附石墨托中的镁杂质。
测试例
1、使用二次离子质谱仪测试外延片-1和外延片-2中镁的浓度，得到图3的镁浓度图。
从图3中可以看出，外延片-2的二次外延界面的镁浓度为3×1017cm-3，而外延片-1的镁浓度提高到9×1018cm-3。这是由于模板-1的表面悬挂键密度增加，使二次外延界面处能够在气相沉积过程中吸附更多的石墨托上的镁杂质，因此外延片-1的导带被抬高，这使得AlGaN/GaN异质结界面处的三角形势阱变得更加陡峭，对2DEG的束缚能力增加。因此，2DEG的浓度将会增加，有助于增加HEMT器件的饱和输出电流。
2、使用Silvaco软件仿真模拟AlGaN/GaN外延片，得到图4的能带结构图。由于外延片-1的二次外延界面处镁浓度增加，因此AlGaN/GaN异质结界面处的能带被抬高，这使得AlGaN/GaN异质结界面处的三角形势阱变得更加陡峭，对2DEG的束缚能力增加。因此，理论上2DEG的浓度将会增加，有助于增加HEMT器件的饱和输出电流。
3、使用半导体分析仪测试AlGaN/GaN外延片的电容电压，得到图5的载流子浓度随电压变化图。
从图5中可知，对载流子浓度在阈值电压～0V范围内积分即可得到2DEG的浓度。从图5可以得出，外延片-2的2DEG浓度为5.4×1012cm-2，而外延片-1的2DEG浓度提高到6.2×1012cm-2。这是因为外延片-1的导带被抬高，导致AlGaN/GaN异质结界面处的三角形势阱变得更加陡峭，对2DEG的束缚能力增加，因此2DEG的浓度增加。说明本发明通过双氧水/碱溶液处理GaN模板，能够增加2DEG的浓度。
4、使用半导体分析仪测试HEMT器件的输出电流，得到图6的输出电流随栅压变化图。
由图6可知，晶体管-2的最大输出电流密度为360mA/mm，而晶体管-1的最大输出电流密度提高到460mA/mm。说明本发明的通过双氧水/碱溶液处理GaN模板，使得AlGaN/GaN异质结界面处的镁浓度提高，最终可以提高HEMT器件的饱和输出电流。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的二维电子气浓度的方法，其特征在于，操作步骤为：
1)将预清洗的GaN模板浸入混合液中进行常温刻蚀，所述混合液为双氧水和碱液的混合溶液；
2)将刻蚀后的GaN模板取出、冲洗、干燥；
3)将干燥后的GaN模板转入金属氧化物气相沉积设备中，在混合气氛中热处理，所述混合气氛由氮气、氢气和氨气组成，热处理时间为1～10min；
4)在气相沉积设备中通入镓源、铝源和氮源，在GaN模板上外延生长AlGaN/GaN异质结结构，最终得到AlGaN/GaN外延片；
5)使用微纳加工工艺，将步骤4)得到的AlGaN/GaN外延片制备成电子迁移率晶体管器件；所述方法可用于增加AlGaN/GaN异质结界面处的镁浓度，可用于增加AlGaN/GaN异质结界面处的二维电子气浓度，可用于提高AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件在工作状态下的饱和输出电流。
2.根据权利要求1所述的一种提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的二维电子气浓度的方法，其特征在于，所述方法可用于提高AlGaN/GaN异质结界面处的三角形势阱对二维电子气的束缚能力。
3.根据权利要求1所述的一种提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的二维电子气浓度的方法，其特征在于，步骤1)所述的混合液的双氧水浓度为20％-40％，所述的碱液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液或氨水溶液，所述的碱溶液浓度为1mol/L～6mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的二维电子气浓度的方法，其特征在于，步骤1)所述的双氧水和碱溶液的体积比为1：1～1：3。
5.根据权利要求1所述的一种提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的二维电子气浓度的方法，其特征在于，步骤1)所述的刻蚀的时间为20min～2h。
6.根据权利要求1所述的一种提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的二维电子气浓度的方法，其特征在于，步骤3)所述的氮气、氢气和氨气的流量为3slm～40slm；步骤3)所述的热处理的温度为1030℃～1080℃。
7.根据权利要求1所述的一种提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的二维电子气浓度的方法，其特征在于，步骤4)所述的外延生长时间为30min～120min；镓源、铝源和氮源分别为三甲基镓、三甲基铝和氨气；三甲基镓的流量为20sccm～160sccm，三甲基铝的流量为30sccm～60sccm，氨气的流量3slm～40slm；生长温度为1095℃～1200℃，生长压强为50kPa～100kPa。
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