CN117457734A - Hemt外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种HEMT外延片及其制备方法，所述HEMT外延片包括Si衬底及依次层叠于所述Si衬底上的Al层、AlN成核层、AlGaN缓冲层、GaN沟道层、AlSb插入层、AlGaSb势垒层和P型GaN帽层。本发明的HEMT外延片能够提升二维电子气浓度和迁移率，从而提高HEMT器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种HEMT外延片及其制备方法。
背景技术
常规AlGaN/GaN异质结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)，其外延结构包括衬底、成核层、缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层和P型GaN帽层。由于GaN沟道层与AlGaN势垒层的晶格常数的差异，AlGaN势垒层直接生长在GaN沟道层上时，受到张应力影响，表面会比较粗糙，晶体质量不高，从而会增加界面散射，降低二维电子气的迁移率。常规的方法是在GaN沟道层与AlGaN势垒层之间生长AlN插入层，虽然在一定程度上可以提高GaN沟道层与AlGaN势垒层界面的晶体质量，降低界面散射，但AlN插入层直接生长在GaN沟道层上受到的张应力比较大，而且Al原子在GaN层上的横向迁移能力比较弱，导致AlN插入层的晶体质量和表面平整度不好，对后续生长AlGaN势垒层造成不利影响。此外，当采用AlGaN作为势垒层时，后续生长的P型GaN帽层与AlGaN势垒层的晶格不匹配而产生应力，严重影响AlGaN势垒层的Al组分均匀性和二维电子气迁移率均匀性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种HEMT外延片，可以提高二维电子气浓度和迁移率。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种HEMT外延片的制备方法，工艺简单，制得的HEMT外延片的性能好。
为达到上述技术效果，本发明提供了一种HEMT外延片，包括Si衬底及依次层叠于所述Si衬底上的Al层、AlN成核层、AlGaN缓冲层、GaN沟道层、AlSb插入层、AlGaSb势垒层和P型GaN帽层。
作为上述技术方案的改进，所述AlSb插入层的厚度为0.5nm-2nm。
作为上述技术方案的改进，所述AlGaSb势垒层的厚度为20nm-25nm。
作为上述技术方案的改进，所述AlSb插入层和所述AlGaSb势垒层的厚度比为(0.04-0.07):1。
作为上述技术方案的改进，所述AlGaSb势垒层中的Al组分占比为0.15-0.16。
相应的，本发明还公开了一种HEMT外延片的制备方法，用于制备上述的HEMT外延片，包括以下步骤：
提供一Si衬底，在所述Si衬底上依次生长Al层、AlN成核层、AlGaN缓冲层、GaN沟道层、AlSb插入层、AlGaSb势垒层和P型GaN帽层。
作为上述技术方案的改进，所述AlSb插入层的生长温度为800℃-1000℃，生长压力为50mbar-100mbar。
作为上述技术方案的改进，所述AlGaSb势垒层的生长温度为800℃-1000℃，生长压力为50mbar-200mbar。
作为上述技术方案的改进，所述AlSb插入层生长完成后进行低温退火处理，退火处理的温度为600℃-800℃，退火处理的时间为2min-5min。
作为上述技术方案的改进，所述AlGaSb势垒层生长完成后进行低温退火处理，退火处理的温度为600℃-800℃，退火处理的时间为2min-5min。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明的HEMT外延片在GaN沟道层上生长AlSb插入层和AlGaSb势垒层，AlGaSb势垒层与GaN的晶格匹配度高，而且具有很强的自发极化效应，可以产生浓度更高的二维电子气。此外，对AlSb插入层和AlGaSb势垒层分别进行低温退火处理，可以获得均匀性好、迁移率高的二维电子气。二维电子气浓度和迁移率的提高可以降低导通电阻和功耗，提高HEMT器件的电流承载能力，满足高频、高功率器件的应用需求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的HEMT外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的HEMT外延片的制备方法流程图；
图3是本发明实施例6的霍尔测试数据；
图4是本发明对比例1的霍尔测试数据。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供了一种HEMT外延片，包括Si衬底1及依次层叠于所述Si衬底1上的Al层2、AlN成核层3、AlGaN缓冲层4、GaN沟道层5、AlSb插入层6、AlGaSb势垒层7和P型GaN帽层8。
在GaN沟道层5后生长AlSb插入层6和AlGaSb势垒层7，AlGaSb势垒层7具有很强的自发极化效应，因此可以产生高浓度的二维电子气，生长完AlSb插入层6和AlGaSb势垒层7后进行低温退火处理，相较于传统的AlN插入层和AlGaN势垒层，退火处理能够提高AlGaSb势垒层中的Al组分均匀性，从而提升二维电子气迁移率的均匀性；退火处理后的AlSb插入层的表面平整度高，有利于后续AlGaSb势垒层的生长，进一步降低GaN沟道层与AlGaSb势垒层之间的界面散射。二维电子气浓度及迁移率的提高可以降低导通电阻和功耗，提高HEMT器件的电流承载能力，可以进一步满足高频、高功率器件的应用需求。
在一种实施方式中，所述AlSb插入层的厚度为0.5nm-2nm。AlSb插入层用于屏蔽势垒层的合金散射。示例性的，所述AlSb插入层的厚度为0.5nm、0.8nm、1nm、1.2nm、1.5nm、1.8nm或2nm，但不限于此。
在一种实施方式中，所述AlGaSb势垒层的厚度为20nm-25nm。示例性的，所述AlGaSb势垒层的厚度为20nm、21nm、22nm、23nm、24nm或25nm，但不限于此。
在一种实施方式中，所述AlSb插入层和所述AlGaSb势垒层的厚度比为(0.04-0.07):1。若所述AlSb插入层和所述AlGaSb势垒层的厚度比＜0.04:1，不利于二维电子气迁移率的提高；若所述AlSb插入层和所述AlGaSb势垒层的厚度比＞0.07:1，会造成晶体质量的下降，从而影响二维电子气浓度。
在一种实施方式中，所述AlGaSb势垒层中的Al组分占比为0.15-0.16。当AlGaSb中Al组分占比为0.15-0.16时，AlGaSb能够与GaN晶格完全匹配，因此，AlGaSb作为势垒层不会受到常规AlGaN势垒层与GaN盖帽层因晶格不匹配而产生应力的影响；且AlGaSb比AlGaN具有更强的自发极化效应，产生的二维电子气浓度比AlGaN更高。
除了上述AlSb插入层6和AlGaSb势垒层7外，本发明的其它层状结构的特点如下：
在一种实施方式中，所述衬底1为硅衬底。
在一种实施方式中，所述Al层2的厚度为1nm-5nm。
在一种实施方式中，所述AlN成核层3的厚度为100nm-300nm。
在一种实施方式中，所述AlGaN缓冲层4为高阻AlGaN缓冲层，厚度为2μm-4μm，C掺杂浓度为1×1019cm-3-1×1020cm-3。
在一种实施方式中，所述GaN沟道层5的厚度为300nm-600nm。
在一种实施方式中，所述P型GaN帽层8的厚度为1nm-5nm。
相应的，如图2所示，本发明还提供了一种HEMT外延片的制备方法，包括以下步骤：
S100提供一Si衬底：
所述Si衬底为P型掺杂(111)晶向Si衬底。将衬底置于MOCVD系统中，控制反应室温度为1000℃-1200℃，压力为50mbar-100mbar，在H2气氛下高温处理5min-10min，除去Si衬底表面的氧化物。
S200生长Al层：
采用PVD生长，控制反应室温度为1000℃-1100℃，压力为40mbar-70mbar，溅射Al靶。
S300生长AlN成核层：
采用PVD生长，控制反应室温度为1000℃-1200℃，压力为40mbar-70mbar，通入N源，溅射Al靶。
S400生长AlGaN缓冲层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为1000℃-1200℃，压力为40mbar-70mbar，通入N源、Ga源、Al源和N型掺杂源。
S500生长AlSb插入层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为800℃-1000℃，压力为50mbar-100mbar，通入Al源和Sb源。生长完成在H2气氛下进行退火处理，时间为2min-5min，温度为600℃-800℃。
S600生长AlGaSb势垒层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为800℃-1000℃，压力为50mbar-200mbar，通入Al源、Ga源和Sb源。生长完成在H2气氛下进行退火处理，时间为2min-5min，温度为600℃-800℃。
S700生长P型GaN帽层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为1000℃-1100℃，压力为50mbar-100mbar，通入N源、Ga源和P型掺杂源。
生长过程中，采用三甲基铝(TMAl)、三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)分别作为Ⅲ族源的前驱体，SbH3、NH3分别作为Ⅴ族源的前驱体，四溴化碳(CBr4)作为N型掺杂的前驱体，二茂镁(Cp2Mg)作为P型掺杂的前驱体，N2和H2作为载气，但不限于此。
下面以具体实施例进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例提供一种HEMT外延片，包括Si衬底及依次层叠于所述Si衬底上的Al层、AlN成核层、AlGaN缓冲层、GaN沟道层、AlSb插入层、AlGaSb势垒层和P型GaN帽层。
其中，Al层的厚度为2nm。
AlN成核层的厚度为200nm。
AlGaN缓冲层的厚度为3μm，Al组分占比为0.5，C掺杂浓度为5×1019cm-3。
GaN沟道层的厚度为350nm。
AlSb插入层的厚度为0.5nm。
AlGaSb势垒层的厚度为20nm，Al组分占比为0.15。
P型GaN帽层的厚度为2nm。
上述HEMT外延片的制备方法，包括以下步骤：
S100提供一Si衬底，所述Si衬底为P型掺杂(111)晶向Si衬底。将衬底置于MOCVD系统中，控制反应室温度为1100℃，压力为80mbar，在H2气氛下高温处理8min，除去Si衬底表面的氧化物。
S200生长Al层：
采用PVD生长，控制反应室温度为1050℃，压力为50mbar，溅射Al靶。
S300生长AlN成核层：
采用PVD生长，控制反应室温度为1100℃，压力为50mbar，通入NH3作为N源，溅射Al靶。
S400生长AlGaN缓冲层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为1050℃，压力为60mbar，通入NH3作为N源，通入TEGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，通入CBr4作为N型掺杂源。
S500生长AlSb插入层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为900℃，压力为70mbar，通入TMAl作为Al源，通入SbH3作为Sb源。生长完成后在H2气氛下进行退火处理，时间为2min，温度为700℃。
S600生长AlGaSb势垒层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为900℃，压力为100mbar，通入TEGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，通入SbH3作为Sb源。生长完成后在H2气氛下进行退火处理，时间为3min，温度为700℃。
S700生长P型GaN帽层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为1050℃，压力为60mbar，通入NH3作为N源，通入TEGa作为Ga源，通入Cp2Mg作为P型掺杂源。
实施例2
本实施例提供一种HEMT外延片，其中AlSb插入层的厚度为1nm，AlGaSb势垒层的厚度为20nm，Al组分占比为0.15。其余均与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供一种HEMT外延片，其中AlSb插入层的厚度为1.5nm，AlGaSb势垒层的厚度为20nm，Al组分占比为0.15。其余均与实施例1相同。
实施例4
本实施例提供一种HEMT外延片，其中AlSb插入层的厚度为2nm，AlGaSb势垒层的厚度为20nm，Al组分占比为0.15。其余均与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供一种HEMT外延片，其中AlSb插入层的厚度为1.5nm，AlGaSb势垒层的厚度为21nm，Al组分占比为0.15。其余均与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供一种HEMT外延片，其中AlSb插入层的厚度为1.5nm，AlGaSb势垒层的厚度为22nm，Al组分占比为0.15。其余均与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供一种HEMT外延片，其中AlSb插入层的厚度为1.5nm，AlGaSb势垒层的厚度为23nm，Al组分占比为0.15。其余均与实施例1相同。
实施例8
本实施例提供一种HEMT外延片，其中AlSb插入层的厚度为1.5nm，AlGaSb势垒层的厚度为24nm，Al组分占比为0.15。其余均与实施例1相同。
实施例9
本实施例提供一种HEMT外延片，其中AlSb插入层的厚度为1.5nm，AlGaSb势垒层的厚度为25nm，Al组分占比为0.15。其余均与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供一种HEMT外延片，其与实施例1的区别在于，插入层为AlN插入层，厚度为1.5nm。势垒层为AlGaN势垒层，厚度为22nm。相应的，在制备方法中，分别制备AlN插入层和AlGaN势垒层。其余均与实施例1相同。
性能测试：
将实施例1-9及对比例1制得的HEMT外延片做成HEMT器件，计算实施例1-9及对比例1的方块电阻、二维电子气的面密度和迁移率，具体结果如表1所示。
表1HEMT外延片的测试结果
由表1结果可知，采用本发明的结构可以提高HEMT器件的二维电子气密度和迁移率，从而降低方块电阻。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种HEMT外延片，其特征在于，包括Si衬底及依次层叠于所述Si衬底上的Al层、AlN成核层、AlGaN缓冲层、GaN沟道层、AlSb插入层、AlGaSb势垒层和P型GaN帽层。
2.如权利要求1所述的HEMT外延片，其特征在于，所述AlSb插入层的厚度为0.5nm-2nm。
3.如权利要求1所述的HEMT外延片，其特征在于，所述AlGaSb势垒层的厚度为20nm-25nm。
4.如权利要求2或3所述的HEMT外延片，其特征在于，所述AlSb插入层和所述AlGaSb势垒层的厚度比为(0.04-0.07):1。
5.如权利要求1所述的HEMT外延片，其特征在于，所述AlGaSb势垒层中的Al组分占比为0.15-0.16。
6.一种HEMT外延片的制备方法，用于制备如权利要求1-5任一项所述的HEMT外延片，其特征在于，包括以下步骤：
提供一Si衬底，在所述Si衬底上依次生长Al层、AlN成核层、AlGaN缓冲层、GaN沟道层、AlSb插入层、AlGaSb势垒层和P型GaN帽层。
7.如权利要求6所述的HEMT外延片的制备方法，其特征在于，所述AlSb插入层的生长温度为800℃-1000℃，生长压力为50mbar-100mbar。
8.如权利要求6所述的HEMT外延片的制备方法，其特征在于，所述AlGaSb势垒层的生长温度为800℃-1000℃，生长压力为50mbar-200mbar。
9.如权利要求6所述的HEMT外延片，其特征在于，所述AlSb插入层生长完成后进行低温退火处理，退火处理的温度为600℃-800℃，退火处理的时间为2min-5min。
10.如权利要求6所述的HEMT外延片，其特征在于，所述AlGaSb势垒层生长完成后进行低温退火处理，退火处理的温度为600℃-800℃，退火处理的时间为2min-5min。
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| CN202311411515.6A Pending CN117457734A (zh) | 2023-10-27 | 2023-10-27 | Hemt外延片及其制备方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN117457734A (zh) |
-
2023
- 2023-10-27 CN CN202311411515.6A patent/CN117457734A/zh active Pending
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