CN117954489A - 氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法、hemt - Google Patents
氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法、hemt Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法、HEMT，涉及场效应晶体管技术领域。其中，氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片包括衬底，依次层叠于所述衬底上的复合层、沟道层、插入层、势垒层、盖帽层；所述复合层包括依次层叠于所述衬底上的石墨烯层、SiC层、二维多孔InGaN层和三维BGaN层。本发明提供的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片能够降低衬底与氮化镓基外延层之间的晶格失配和热失配，减少HEMT器件漏电流，提高沟道层二维电子气浓度，提升器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及场效应晶体管技术领域，尤其涉及一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法、HEMT。
背景技术
在化合物半导体电子器件中，高电子迁移率晶体管（HEMT）是应用于高频大功率场合最主要的器件。这种器件依靠半导体异质结中具有量子效应的二维电子气（2DEG）形成导电沟道，2DEG的密度、迁移率和饱和速度等决定了器件的电流处理能力。基于氮化镓及相关Ⅲ族氮化物材料（AlN，InN）的HEMT则是目前化合物半导体电子器件的研究热点。与第二代半导体GaAs相比，氮化镓在材料性质方面具有禁带宽、临界击穿电场高、电子饱和速度高、热导率高、抗辐照能力强等优势，因此氮化镓基HEMT的高频、耐压、耐高温、耐恶劣环境的能力很强；而且Ⅲ族氮化物材料具有很强的自发和压电极化效应，可显著提高HEMT结构中2DEG的密度和迁移率，赋予氮化镓基HEMT非常强大的电流处理能力。
但氮化镓基HEMT缺乏合适的同质外延衬底，因此其通常生长在与其有较大晶格失配和热膨胀系数失配的蓝宝石、碳化硅或硅衬底上。其中，蓝宝石硅衬底热导率较低，导致器件工作时产生的热量无法及时耗散，由此产生的高温晶格散射会降低载流子迁移率，影响器件的高频特性；碳化硅衬底虽然具有较高的热导率，但其成本高；硅衬底具有相对较高的热导率和较低的成本，但硅衬底和氮化镓材料间存在大的晶格失配和热膨胀系数失配，这无疑会形成大量的位错缺陷，从而影响其外延质量，对HEMT器件的性能产生不良影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法，其能够降低衬底与氮化镓基外延层之间的晶格失配和热失配，减少漏电流，提高沟道层二维电子气浓度，提升器件性能。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种HEMT，其漏电流小，器件性能强。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其包括衬底，依次层叠于所述衬底上的复合层、沟道层、插入层、势垒层、盖帽层；所述复合层包括依次层叠于所述衬底上的石墨烯层、SiC层、二维多孔InGaN层和三维BGaN层。
作为上述技术方案的改进，所述石墨烯层的厚度为10nm~100nm，所述SiC层的厚度为10nm~100nm。
作为上述技术方案的改进，所述二维多孔InGaN层的厚度为10nm~100nm，所述二维多孔InGaN层中In组分的占比为0.1~0.2。
作为上述技术方案的改进，所述三维BGaN层的厚度为100nm~500nm，所述三维BGaN层中B组分的占比为0.05~0.5。
作为上述技术方案的改进，所述石墨烯层的厚度与所述SiC层的厚度之比为1:1.5~1:2；
所述二维多孔InGaN层中In组分占比≥0.12。
作为上述技术方案的改进，所述二维多孔InGaN层生长完成后，在N2气氛下进行高温退火处理，退火温度为900℃~1000℃，退火压力为50torr~500torr。
作为上述技术方案的改进，所述三维BGaN层中B组分占比≥0.1。
相应的，本发明还公开了一种上述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法，其包括：
提供衬底，在所述衬底上依次生长复合层、沟道层、插入层、势垒层、盖帽层；所述复合层包括依次层叠于所述衬底上的石墨烯层、SiC层、二维多孔InGaN层和三维BGaN层。
作为上述技术方案的改进，通过PECVD生长所述石墨烯层，生长温度为800℃~1000℃，生长压力为50torr~100torr，生长气氛为CH4和H2的混合气体，CH4和H2的体积比为1:1~1:20，射频功率为100W~150W；
通过CVD生长所述SiC层，生长温度为1000℃~1200℃，生长压力为10torr~100torr，生长气氛为CH3Cl3Si和H2的混合气，其中，CH3Cl3Si和H2的体积比为1:1~1:20；
所述二维多孔InGaN层的生长温度为700℃~900℃，生长压力为50torr~500torr；
所述三维BGaN层的生长温度为900℃~1000℃，生长压力为50torr~500torr。
相应的，本发明还公开了一种HEMT，其包括上述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片。
实施本发明，具有如下有益效果：
1. 本发明提供的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其在衬底和沟道层之间插入特定结构的复合层，具体的，复合层包括依次层叠于衬底上的石墨烯层、SiC层、二维多孔InGaN层和三维BGaN层。首先，石墨烯层具有非常好的热传导性能，提高器件工作时的散热，避免影响器件的高频特性；其次，在石墨烯层上沉积SiC层，SiC层与GaN材料之间的晶格失配较小，热膨胀系数差别较小，能够弱化晶格失配、热失配带来的不利影响，提升外延质量。并且，SiC具有较高的电阻，可防止漏电子经由高导电的石墨烯层漏入衬底，降低器件击穿电压。此外，SiC具有良好的导热性，与石墨烯组成导热层可更加有效地传导热量；再者，二维多孔InGaN层呈多孔结构，进一步释放热应力，减少晶格失配所引起的缺陷，并且，其二维结构为进一步生长的三维BGaN层提供了平整的成核表面，减少成核生长的接触角；最后，三维BGaN层的带隙较宽，可进一步限制漏电子，降低漏电流。此外，三维BGaN层作为后续沟道层的成核层，能够控制成核密度，减慢成核层的合并，减少线缺陷，提高外延晶体质量，减少器件漏电流，提高沟道层二维电子气浓度，提高器件高频性能，具体的，基于本发明的外延片所得到的HEMT器件，其增益截止频率可达到215GHz~230GHz。
2. 本发明提供的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，二维多孔InGaN层生长完成后，在N2气氛下进行高温退火处理，使得缺陷在InGaN材料分解形成的孔洞中湮灭，进一步提高二维多孔InGaN层的晶体质量。
附图说明
图1为本发明一实施例中氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图；
图2为本发明一实施例中氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法的流程图。
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，下面对本发明作进一步地详细描述。
除非另外说明或存在矛盾之处，本文中使用的术语或短语具有以下含义：
本发明中，“优选”仅为描述效果更好的实施方式或实施例，应当理解，并不构成对本发明保护范围的限制。
本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，则包括数值区间的两个端点。
为解决上述问题，本发明提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，如图1所示，包括衬底1，依次层叠于衬底1上的复合层2、沟道层3、插入层4、势垒层5和盖帽层6；复合层2包括依次层叠于衬底1上的石墨烯层21、SiC层22、二维多孔InGaN层23和三维BGaN层24。
为了解决HEMT器件在高频情况下应用时大量产热所导致的结温过高的问题，本发明在衬底1上设置了石墨烯层21，但石墨烯层21在高导热的同时也存在了高导电的问题，会使得器件垂直漏电增多，器件耐压能力下降。为此，本发明还引入了SiC层22和三维BGaN层24，其绝缘性能强，可有效抑制垂直漏电。此外，由于石墨烯层21的热膨胀系数较大，与衬底1的差别大，这导致在生长外延片时容易引入大量的热应力，降低外延晶体质量。为此，本发明一者通过热膨胀系数介于GaN材料与衬底1之间的SiC层22加以缓冲，二者通过引入二维多孔InGaN层23，使得热应力造成的缺陷在该层湮灭，热应力得以较好地释放。此外，本发明的二维多孔InGaN层23为三维BGaN层24的生长提供了良好的基础，使得三维BGaN层24可作为后续高沟道层3的成核中心，提升其晶体质量。综合以上，本发明的复合层2弱化了晶格失配、热失配，提升了外延片的晶体质量，提升了器件的各项性能。同时也可有效传导热量，使得本发明的器件可在高频环境下展现良好的稳定性。
具体的，石墨烯层21的厚度为8nm~120nm，示例性的20nm、40nm、60nm、80nm或110nm，但不限于此。优选的，石墨烯层21的厚度为10nm~100nm，更优选的为10nm~30nm。
具体的，SiC层22的厚度为8nm~120nm。示例性的为10nm、30nm、50nm、70nm、90nm或110nm，但不限于此。优选的，SiC层22的厚度为10nm~100nm，更优选的为20nm~50nm。
具体的，二维多孔InGaN层23的厚度为10nm~120nm，示例性的为15nm、30nm、45nm、60nm、80nm、100nm或115nm，但不限于此。优选的，二维多孔InGaN层23的厚度为10nm~100nm，该厚度范围的二维多孔InGaN层23可更好地释放热应力。更优选的，二维多孔InGaN层23的厚度为60nm~100nm。
具体的，二维多孔InGaN层23中In组分的占比（即In原子数目与In原子、Ga原子总数的比例）为0.1~0.22。示例性的为0.13、0.15、0.17或0.19，但不限于此。优选的，二维多孔InGaN层23中In组分的占比为0.1~0.2。
具体的，二维多孔InGaN层23中孔洞密度为1×109cm-2~8×109cm-2。
其中，二维多孔InGaN层23中，其孔洞可通过刻蚀工艺形成，但不限于此。优选的，在本发明的一个实施例中，二维多孔InGaN层23生长完成后，在N2气氛下进行高温退火处理，退火不仅使得InGaN材料中连接较弱的部分分解形成孔洞，而且使得缺陷在InGaN材料分解形成的孔洞中湮灭，进一步提高二维多孔InGaN层23的晶体质量。具体的，退火温度为900℃~1000℃，退火压力为50torr~500torr。
具体的，三维BGaN层24的厚度为80nm~600nm。示例性的为90nm、150nm、200nm、300nm或400nm，但不限于此。优选的，三维BGaN层24的厚度为100nm~500nm，更优选的为100nm~300nm。
具体的，三维BGaN层24中B组分的占比（B原子数目与B原子、Ga原子数目之和的比例）为0.03~0.55，示例性的为0.08、0.1、0.18、0.27、0.35或0.47，但不限于此。优选的，三维BGaN层24中B组分的占比为0.05~0.5，更优选的为0.1~0.3。
优选的，在本发明的一个实施例之中，石墨烯层21的厚度与SiC层22的厚度之比为1:1.5~1:2，且二维多孔InGaN层23中In组分的占比≥0.12。基于该控制，可更好地释放热应力，大幅减少热应力带来缺陷，提升器件的各项性能。同时使得可采用更大规格的衬底1进行HEMT外延片的生产，降低成本。进一步优选的，二维多孔InGaN层23中In组分占比为0.15~0.2。
优选的，在本发明的一个实施例之中，三维BGaN层24中B组份的占比≥0.1，基于该控制，可进一步减少漏电流，提升器件的性能。进一步优选的，三维BGaN层24中B组分占比为0.12~0.3。
相应地，本发明提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法，如图2所示，其包括以下步骤：
S101：提供衬底；
其中，衬底可为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底，优选的为蓝宝石衬底。
S102：在衬底上生长复合层；
具体的，复合层包括依次层叠于衬底上的石墨烯层、SiC层、二维多孔InGaN层和三维BGaN层。
其中，石墨烯层通过PECVD生长，具体生长工艺为：将反应室的温度控制在800℃~1000℃，压力控制在50torr~100torr，生长气氛为CH4和H2的混合气，其中CH4和H2的体积比为1:1~1:20，射频功率为100W~150W。
其中，SiC层通过CVD生长，具体生长工艺为：将反应室的温度控制在1000℃~1200℃，压力控制在10torr~100torr，生长气氛为CH3Cl3Si和H2的混合气，其中，CH3Cl3Si和H2的体积比为1:1~1:20。
其中，二维多孔InGaN层采用下述方法制得：将MOCVD反应室的温度控制在650℃~950℃，压力控制在50torr~500torr，通入In源、Ga源、N源，生长二维多孔InGaN层。优选的，生长温度为700℃~900℃，基于该生长温度，可更好地释放热应力。
其中，三维BGaN层采用下述方法制得：将MOCVD反应室的温度控制在900℃~1000℃，压力控制在50torr~500torr，通入B源、Ga源、N源，生长三维BGaN层。
S103：在复合层上生长沟道层；
具体的，将反应室的温度控制在1000℃~1200℃，压力为50torr~500torr，通入N源、Ga源，生长厚度为0.5μm~5μm的GaN沟道层。
S104：在沟道层上生长插入层；
具体的，控制反应室温度为700℃~1100℃，压力为100torr~200torr，通入N源、Al源，生长厚度为0.5nm~5nm的AlN插入层。
S105：在插入层上生长势垒层；
具体的，将反应室的温度控制在800℃~1200℃，腔体压力为100torr~200torr，通入N源、Al源、Ga源，生长厚度为5nm~50nm的AlGaN势垒层。
S106：在势垒层上生长盖帽层。
具体的，将反应室的温度控制在700℃~1100℃，压力控制在100torr~200torr，通入N源、Ga源，生长厚度为5nm~50nm的GaN盖帽层。
相应地，本发明还提供了一种HEMT，所述HEMT包括上述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片。
下面以具体实施例进一步说明本发明：
实施例1
本实施例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，包括蓝宝石衬底，蓝宝石衬底上依次设有复合层2、沟道层3、插入层4、势垒层5、盖帽层6；复合层2包括依次层叠于蓝宝石衬底上的石墨烯层21、SiC层22、二维多孔InGaN层23和三维BGaN层24。其中，石墨烯层21的厚度为50nm；SiC层22的厚度为60nm；二维多孔InGaN层23的厚度为50nm，In组分的占比为0.11；三维BGaN层24的厚度为400nm，B组分的占比为0.42。
本实施例中用于氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法，包括以下步骤：
（1）提供蓝宝石衬底；
（2）在蓝宝石衬底上生长复合层；
其中，石墨烯层通过PECVD生长，具体生长工艺为：将反应室的温度控制在900℃，压力控制在75torr，生长气氛为CH4和H2的混合气，其中CH4和H2的体积比为1:10，射频功率为120W。
其中，SiC层通过CVD生长，具体生长工艺为：将反应室的温度控制在1100℃，压力控制在75torr，生长气氛为CH3Cl3Si和H2的混合气，其中，CH3Cl3Si和H2的体积比为1:15。
其中，二维多孔InGaN层采用下述方法制得：将反应室的温度控制在800℃，压力控制在150torr，通入In源、Ga源、N源，生长二维InGaN层，再通过光刻刻蚀工艺形成密度为1.5×109cm-2的孔洞。
其中，三维BGaN层采用下述方法制得：将反应室的温度控制在950℃，压力控制在150torr，通入B源、Ga源、N源，生长三维BGaN层。
（3）在复合层上生长沟道层；
具体的，将反应室的温度控制在1100℃，压力为100torr，通入N源、Ga源，生长厚度为3μm的GaN沟道层。
（4）在沟道层上生长插入层；
具体的，控制反应室温度为900℃，压力为150torr，通入N源、Al源，生长厚度为3nm的AlN插入层。
（5）在插入层上生长势垒层；
具体的，将反应室的温度控制在1000℃，腔体压力为150torr，通入N源、Al源、Ga源，生长厚度为30nm的AlGaN势垒层。
（6）在势垒层上生长盖帽层。
具体的，将反应室的温度控制在900℃，压力控制在150torr，通入N源、Ga源，生长厚度为30nm的GaN盖帽层。
实施例2
本实施例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其与实施例1的区别在于：
二维多孔InGaN层采用下述方法制得：将反应室的温度控制在800℃，压力控制在150torr，通入In源、Ga源、N源，生长二维InGaN层，再在N2气氛下进行高温退火处理，退火温度为920℃，退火压力为300torr。经过上述退火工艺后，孔洞密度为2.3×109cm-2。
其余均与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其与实施例2的区别在于：
石墨烯层的厚度为20nm，SiC层的厚度为38nm。
二维多孔InGaN层中In组分占比为0.17，经退火工艺后，其孔洞密度为3.3×109cm-2。
其余均与实施例2相同。
实施例4
本实施例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其与实施例3的区别在于：
三维BGaN层的厚度为250nm，其B组分占比为0.22。
其余均与实施例3相同。
对比例1
本对比例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，与实施例1的区别在于：
复合层不包括SiC层。
其余均与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其与实施例1的区别在于：
复合层不包括二维多孔InGaN层。
其余均与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其与实施例1的区别在于：
复合层中二维InGaN层生长结束后，不进行光刻刻蚀处理。
其余均与实施例1相同。
对比例4
本对比例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其与实施例1的区别在于：
复合层不包括三维BGaN层。
其余均与实施例1相同。
将实施例1~实施例4和对比例1~对比例4制得氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片进行测试，具体如下：
（1）将氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片采用X射线衍射仪进行测试，分析其002面以及102面的衍射峰的半高宽（FWHM）
（2）制成HEMT器件，并测试其栅极漏电流。
具体结果如下：
对比实施例1~实施例4和对比例1~对比例4的测试数据可知，本发明提供的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其在衬底和沟道层之间插入特定结构的复合层，在上述特定结构下，本发明可降低器件的位错密度、提高晶体质量。
以上所述是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)
1.一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其特征在于，包括衬底，依次层叠于所述衬底上的复合层、沟道层、插入层、势垒层、盖帽层；所述复合层包括依次层叠于所述衬底上的石墨烯层、SiC层、二维多孔InGaN层和三维BGaN层。
2.如权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其特征在于，所述石墨烯层的厚度为10nm~100nm，所述SiC层的厚度为10nm~100nm。
3.如权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其特征在于，所述二维多孔InGaN层的厚度为10nm~100nm，所述二维多孔InGaN层中In组分的占比为0.1~0.2。
4.如权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其特征在于，所述三维BGaN层的厚度为100nm~500nm，所述三维BGaN层中B组分的占比为0.05~0.5。
5.如权利要求1~4任一项所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其特征在于，所述石墨烯层的厚度与所述SiC层的厚度之比为1:1.5~1:2；
所述二维多孔InGaN层中In组分占比≥0.12。
6.如权利要求5所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其特征在于，所述二维多孔InGaN层生长完成后，在N2气氛下进行高温退火处理，退火温度为900℃~1000℃，退火压力为50torr~500torr。
7.如权利要求1~4任一项所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其特征在于，所述三维BGaN层中B组分占比≥0.1。
8.一种如权利要求1~7任一项所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底，在所述衬底上依次生长复合层、沟道层、插入层、势垒层、盖帽层；所述复合层包括依次层叠于所述衬底上的石墨烯层、SiC层、二维多孔InGaN层和三维BGaN层。
9.如权利要求8所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法，其特征在于，通过PECVD生长所述石墨烯层，生长温度为800℃~1000℃，生长压力为50torr~100torr，生长气氛为CH4和H2的混合气体，CH4和H2的体积比为1:1~1:20，射频功率为100W~150W；
通过CVD生长所述SiC层，生长温度为1000℃~1200℃，生长压力为10torr~100torr，生长气氛为CH3Cl3Si和H2的混合气，其中，CH3Cl3Si和H2的体积比为1:1~1:20；
所述二维多孔InGaN层的生长温度为700℃~900℃，生长压力为50torr~500torr；
所述三维BGaN层的生长温度为900℃~1000℃，生长压力为50torr~500torr。
10.一种HEMT，其特征在于，包括如权利要求1~7任一项所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片。
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| CN202410346220.3A CN117954489B (zh) | 2024-03-26 | 氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法、hemt |
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