CN1965399A - 由xⅲ族元素氮化物层制成的高电子迁移率晶体管（hemt）及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型高电子迁移率晶体管(HEMT)，基本由XIII族元素氮化物层制成。与当前这种类型的可用晶体管相反，根据本发明的晶体管是在由含镓氮化物制成的同质衬底(11)上生产，不具有成核层并且它的缓冲层(3)明显比在已知HEMT中的薄。优选的是，作为根据本发明的晶体管的一部分，至少缓冲层(3)是通过外延法产生，并且在外延法中所述层的生长方向基本垂直于衬底(11)的生长方向。本发明还涉及制造高电子迁移率晶体管(HEMT)的方法。

Description

由XIII族元素氮化物层制成的高电子迁移率晶体管(HEMT) 及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种新型高电子迁移率晶体管(HEMT)，其基本由XIII族元素氮化物层制成。本发明还涉及制造高电子迁移率晶体管(HEMT)的方法。

背景技术

第一个场效应晶体管(金属氧化物半导体场效应晶体管，MOSFET)于二十世纪七十年代后期在Fujisu实验室构造出来(Mimura，Yokoyama，1977)。它们基于砷化镓。由于较高的转换速度、信号的高度线性以及其它有利的性质，MOSFET很快便被应用于低噪声放大器、主要用于通信中。为了系统性改进这种晶体管而进行了广泛的研究，从而构造出高电子迁移率晶体管(HEMT)，其中使用诸如氮化镓或氮化铝的现代半导体材料。

HEMT仍主要用于地面和空间通信系统中，特别是卫星远程通信和电视、蜂窝网络、GPS系统、电波望远镜以及现代雷达(相控阵雷达)中。

当前，基于硅的LDMOS型(横向扩散金属氧化物半导体)系统普遍用于上述应用。例如，它们构成了90％的用于蜂窝电话中BTS(基站收发信台)中的晶体管。这主要是由于经济上的原因，因为LDMOS系统相对便宜(比氮化物和砷化镓HEMT均便宜，这是由于先进的技术和这些系统的大量生产)并且失效的平均时间(MTTF)长的特征。而且，一方面，LDMOS系统在该领域中作为先驱的地位受到它们的接受者(即功率放大器的制造商)的“惯性”的支持，另一方面，受到这些系统参数的系统性改进的支持，例如为了实现更高的输出、更高的频率以及能够在更高温度下工作，适当地需要研发通信技术。

但是，预期在不久的将来，无线快速数据传输网(第三代蜂窝网)的动态发展是很可能的，例如在W-CDMA标准(宽带码分多址)中，其使用具有约2GHz的频率的信号。在X带中的通信技术的研发也正在进行，即8-12GHz。这种网络产生了对现代晶体管以及高功率和高频率放大器的巨大需求，这些放大器必须具有在较长时间内具有完美的线性信号(即对于所有的实际目的，产生没有任何失真的放大信号)、可靠性以及工作参数的稳定性的特征。优选的是，所使用的设备应该能够在功率输出变化(在W-CDMA网络中，功率输出实际根据占线密度而变化)以及高峰均模式的条件下运行。同时，LDMOS系统已经被证实在稳定条件下以及有限功率输出时非常有用，但是不符合新技术所要求的参数。这种要求可以通过构建能够在较高电压下工作的器件而较容易地实现，这是因为在LDMOS结构存在的情况下电压的增加导致设备的较低的放大以及相当快的劣化，设备运行在较长时间之后变得更不稳定。总之，LDMOS系统的主导地位当前更多地是由于经济因素而不是它们的参数和性能。因此，如果它们不能令人满意地达到当前研发的新通信技术的技术要求，则它们的地位可能丧失。

另一方面，通过XIII族元素氮化物制成的HEMT结构很好地达到了这些要求，特别是氮化镓和氮化铝制成的HEMT结构。氮化镓的特征在于击穿电压比GaAs高一个数量级以及更高的耐热性。因此，氮化物HEMT晶体管可以在更高的电压下工作，这大大地方便在发展过程设计所讨论的系统。单个部件特别是栅极的较小尺寸(与当前可用的器件相比)允许实现更高的转换速度，因此允许放大具有较高频率的信号以及扩展可用的带宽。由于氮化物的高耐热性，由氮化物制成的HEMT晶体管可以在高温下工作，这反过来允许实现比市场上可购得的器件高几倍的功率输出密度。另外，氮化物结构的特征在于在较长时间内的信号线性、能够实现高功率输出以及工作参数的稳定性。例如，由Nitronex制作的含氮HEMT器件(在硅衬底上获得)的电参数测量值外推表明，这些参数在20年内的变化将小于10％(“Compound Semiconductor”，No 6，2004，page31)。

由于氮化物HEMT结构尤其是在包括第三代蜂窝通信网络的现代通信技术中的应用，上述优点转变为直接效益。实际上，能够在更高电压下工作以及实现更高功率输出和更高的放大意味着较少的放大阶段以及由此更简单、更小和更轻的放大系统(放大器中较少的晶体管)。另一方面，能够在宽范围频率下工作允许将单一氮化物晶体管用于三个通信带(例如PCS、DCS、UMTS)来替代几种当前使用的LDMOS系统。最后，能够在较高温度下以及在较强电场存在下使HEMT结构运行使得可以显著减少或者甚至完全消除对冷却放大器系统的需求。因此，这些系统将变得更小和更轻并且制造和运行更便宜。在蜂窝基站收发信台的情况下，可将放大器和天线相互紧密布置，由此允许减少信号传输损失(其当前达到约50％)并且能够塔顶安装放大器(直接接近天线)。不需要冷却系统的较小和较轻的放大器系统在卫星远程通信中将被证明非常具有竞争性。也可构建可用于电波望远镜或现代雷达中的超低噪声放大器。

使用氮化物器件的上述预期优点影响研究的强度水平，所述研究目的在于研制适当的HEMT结构及其可工业应用并在经济上具有竞争性的制造方法。当前HEMT结构是利用外延法(例如MOCVD、MBE)在几种衬底上生产的。根本的问题在于缺乏适当的用于获得这种结构的非导电性同质衬底(例如块状氮化镓衬底)，因为可用于生产这种衬底的足够大的氮化物单晶目前还远不能获得。因此，需要使用异质衬底-例如蓝宝石、硅或SiC衬底-其中适当的成核层直接沉积在该衬底上，接着(任选地)沉积缓冲层，并且仅在此时在该层上沉积适当的氮化物层。但是，异质衬底的使用不是最佳的解决方案，因为不论异质衬底的类型以及制造HEMT器件所采用的技术，衬底以及沉积在该衬底上的氮化物层的晶格失配和不同的热膨胀系数变成所得材料中的张力和缺陷源，这导致所制造器件的结构、质量以及性能的急剧劣化。而且，蓝宝石衬底不适合于高功率电子(由于蓝宝石的相对低的热传导性)。据此，SiC衬底更好，但是用于获得这种衬底的技术还没有得到充分的开发，使得这种衬底的生产昂贵。另一个问题是SiC掺杂，需要用于获得补偿(半绝缘)材料。近来已有报道，Fujitsu在导电性SiC衬底上构建了HEMT晶体管，利用HVPE法在其上生产了薄(10μm)的AlN层(http://compoundsemiconductor.net/articles/news/8/12/21)。虽然该发明消除了使用补偿SiC的需求，但是它没有解决由于使用异质衬底而引起的所有其它问题。而且，在这种情况下发生了“寄生传导”的已知问题。寄生传导是自由载流子在AlN/SiC界面上产生的结果(例如，S.C.Binari，D.S.Katzer，D.F.Storm，B.V.Shanabrook，E.R.Glaser，and J.A.Roussos，″Molecular Beam Epitaxial Growth of AlGaN/GaN High ElectronMobility Transistors″，in 2003 US Naval Research Laboratory Review)。在源极和漏极之间产生电流的附加(“寄生”)通道显著地使HEMT晶体管的参数劣化。其它已知的HEMT器件在硅衬底(Nitronex，Micro GaN)或补偿SiC衬底(Rockwell Scientific Company，RF Micro Devices，EudynaDevices/Fujitsu)上生产。但是，应该强调，在这样的每一种情况下，衬底和外延层之间的失配使得结晶质量和由异质外延获得的HEMT结构的电参数劣化。

实验表明，AlGaN/GaN界面的较好结构质量导致在器件的有源区域内载流子迁移率的有利增加。但是，已知HEMT晶体管的质量和性能随外延层的质量而改善(″Journal of Applied Physics″，vol.87，no.1，2000，pages334-344)。当前，世界范围研究的主要目的是使由于衬底失配所产生的不利影响最小化，即提供这种衬底、成核层或HEMT结构，其尽可能最大程度地消除衬底对异质外延层的结晶质量的不利影响。具体地，在上述每一种情况下，预期可获得具有更好工作参数的明显更好的HEMT结构，前提是这些结构可以在同质衬底上生产，但是由于缺乏制造满意的补偿同质衬底的工业可应用方法，因此到目前为止，这种可能性还没有被认真地被考虑。

而且，应该注意，可用的异质衬底将HEMT结构的生产限制为具有与氮化物晶格的极性平面C一致的AlGaN/GaN界面的那些。根据许多应用，可以通过利用具有非极性表面的衬底(例如与氮化物晶格的非极性平面A或M一致的表面)来生产它们从而实现在氮化物HEMT晶体管性能方面的所需改进。因此，全世界研究的另一目的是为氮化物层的外延沉积提供衬底，该衬底具有关于氮化镓晶格的所需极性和/或取向。具体地，这种衬底可以由适当尺寸的含镓氮化物单晶来生产。

当前使用的获得氮化物单晶的工业技术并不令人满意，因为它们不允许获得适当尺寸和质量的晶体，或者它们的效率和工业适用性受限。

一些可用的外延法例如MOCVD、HVPE或MBE法可用于生产具有至多两英寸直径的GaN衬底，但是它们由于缺少合适的衬底而严重受限(特别是氮化物同质衬底)。如果同时应用外延横向过生长(KELOG)法，由此获得的材料的特征为具有至少约10⁸/cm²或约10⁷/cm²的表面位错密度。这种位错密度对于其可能应用于生产HEMT晶体管而言太高。另外，所获得的生长速度使得不可能获得真正的块晶。

由于氮化物分解为金属和N₂而不能应用由熔体结晶的标准方法以及升华法。

在HNP法中，通过利用高氮压力气氛(需要施加约1500℃的温度和约1500MPa的压力，这构成了在这种方法的较大规模和工业可应用性方面的严重限制)来抑制这种分解。通过这种方法，可获得具有约10mm尺寸的GaN晶片。到目前为止，利用这种方法已不可能实现氮化镓的晶种生长。所获得的晶体由可控过程的自发生长而产生，导致了在所得晶体中的大量缺陷，例如形成双晶、刃型和螺旋位错等。

由应用助熔剂法以在氮气氛中从镓合金得到含镓氮化物获得了有前景的结果。由于应用了相对低的温度以及低压，这些方法在工业上是有吸引力的，但是到目前为止，助熔剂法仍在研究的实验阶段。与HNP法相类似，主要的问题是如何实现可控的晶种生长。仅仅在最近的几个月内在一些科学会议中提出了在助熔剂法中首次加晶种的尝试。

出版物WO2004/053206和WO2004/053208公开了通过由含有碱金属离子的超临界含氨溶液结晶来获得块状单晶形含镓氮化物的方法。利用上述超临界含氨溶液获得的块状氮化物单晶的特征为它们的低位错密度(约10⁴/cm²)、高电阻率(未掺杂块状GaN具有几个Ω·cm)以及高的结晶质量(从(0002)面的X射线摆动曲线半宽度(FWHM)低于60 arcsec-对于Cu Kα₁线)。

近来研发出一种方法以获得在晶种上生长的含镓氮化物单晶，基本没有使发生在晶种上的晶体缺陷扩展。这种方法在未公开的波兰专利申请No.P-368483(日期为2004.06.11)和P-368781(日期为2004.06.25)中被披露。它涉及至少在基本垂直于晶种生长方向的方向上在晶种上生长晶体。可利用这种方法获得大块的单晶(3cm和更大)并具有预期有利的质量参数(表面位错密度优选约10²/cm²、晶格的曲率半径优选约70m、从(0002)面的X射线摆动曲线半宽度(FWHM)优选低于40arcsec(对于Cu Kα₁线)。由于所得晶体的相当大的尺寸，根据需要可以利用它们来获得用于所需方向外延以及极性的衬底(例如具有与含镓氮化物晶格极性面C一致的表面或具有与含镓氮化物晶格非极性面A或M一致的表面)。因此，从晶体结构的角度出发，这些是用于制造氮化物电子器件的最佳衬底。但是，如上所述，由于由此获得的含镓氮化物具有几个Ω·cm数量级的电阻率，从制造HEMT结构的角度来看这太低，因此获得绝缘衬底仍存在问题。将受体型掺杂剂例如锌或镁引入到该过程的环境中的掺杂尝试遇到技术障碍，。根据WO2004/053206和WO2004/053208的公开内容，在该过程的环境中所述元素的存在引起氮化物晶体的生长速率的急剧下降，因此不能在合理的时间内获得所需尺寸的单晶。出人意料的是，这些困难通过使结晶过程的参数最优化而得以克服，例如压力和温度分布以及原料的适当制备。

现在出人意料地发现，以一定水平可控掺杂如上所述生长的块状单晶的方法使得可以获得补偿(半绝缘-具有约10⁶Ω·cm的电阻率)材料，这激励了本发明人进行研究，目的在于利用这种材料来生产用于具有最佳质量和电导性的氮化物HEMT晶体管的同质衬底(从具体应用的角度来看)。

发明内容

因此，本发明的目的是提供由沉积在氮化物同质衬底(homosubstrate)中的含镓氮化物层制成的HEMT晶体管。本发明的另一目的是提供制造所述HEMT晶体管的方法。

根据本发明，在含镓氮化物衬底上形成基本由XIII族元素(IUPAC，1989)氮化物层制成的高电子迁移率晶体管(HEMT)，所述衬底由通过从超临界含氨溶液结晶获得的单晶制成。

优选的是，根据本发明的晶体管是至少在基本垂直于晶种生长方向的方向上、在由通过晶种生长获得的单晶形成的衬底上生产的。

优选使用半绝缘(补偿)衬底来生产根据本发明的晶体管。

根据本发明，晶体管在极性衬底上生产。

作为替代方案，根据本发明的晶体管在非极性衬底上生产。

优选的是，在根据本发明的晶体管中，缓冲层直接沉积在衬底上。

根据本发明的晶体管在W-CDMA带(约2GHz)中具有不低于50W的平均输出功率，而增益在60V时优选不低于25dB。

根据本发明，至少缓冲层通过外延法生产，外延过程中所述层的生长方向基本垂直于衬底的生长方向。

本发明还包括制造所述HEMT晶体管的方法，其中至少缓冲层通过外延法生产以及外延过程中所述层的生长方向基本垂直于衬底的生长方向。

利用外延法在这种衬底上生产的HEMT晶体管出人意料地具有有利的性能参数(例如在W-CDMA带(约2GHz)中平均输出功率-50W，在60V时增益25dB)。它们可以在比上述已知的HEMT器件更高的电压以及更高的功率和信号频率下以稳定的方式工作，并且可实现甚至更高的放大。在这种情况下不存在寄生传导(parasitic conduction)的问题。

由于也不存在衬底和沉积于其上的层的晶格常数匹配和不同热膨胀系数的问题，作为根据本发明的HEMT结构的部分的外延层具有高质量。发现甚至可以进一步改进所制造器件的参数，前提是外延层沿基本垂直于衬底生长方向的方向生长。

当然，同质衬底的使用并不解决所有的可能发生在HEMT结构中的技术问题。有些已知的问题并不是使用异质衬底而直接导致的，它们也可能出现在根据本发明的晶体管中。这些问题可通过本领域技术人员已知的适当方法而解决，特别是通过HEMT结构的适当改进。因此，本发明的晶体管可以被改进以获得其参数的进一步改进。高的栅极漏电流可以作为实例。据公开(P.D.Ye et.al.，Appl.Phys.Lett.86 063501)，该电流可以通过将薄介电层(例如Al₂O₃或HfO₂)置于栅极之下而减少约六个数量级。当然，类似的改进可应用于根据本发明的HEMT结构中。

附图说明

通过附图来说明本发明，其中：图1表示已知HEMT结构的示意图，图2表示根据本发明的HEMT结构的示意图，图3表示在实施例1中所描述的方法中温度随时间的变化，图4表示在实施例2中所描述的方法中温度随时间的变化。

具体实施方式

在整个关于本发明的说明书以及权利要求中使用的所有技术术语应该根据下面给出的定义来理解：

含XIII族元素的氮化物是指XIII族元素(IUPAC，1989)的氮化物，即铝、镓和铟中的任意一种的氮化物或其任意组合的氮化物。最优选含镓氮化物。

含镓氮化物是在其结构中含有至少一个镓原子和一个氮原子的化学化合物。它包括但不限于二元化合物-GaN、三元化合物-AlGaN、InGaN或四元化合物AlInGaN，优选含有绝大部分的镓，无论如何，其水平应高于掺杂剂含量。在该化合物中其它元素相对于镓的组成可以改变，只要它不与结晶技术的氨基金属特性相冲突即可。

块状单晶形含镓氮化物衬底是指含镓氮化物的单晶衬底，在其上可以通过MOCVD法或通过外延生长法例如HVPE获得诸如HEMT的电子器件，其中其厚度优选至少200μm，更优选至少500μm。

同质衬底是指由与沉积在该衬底上的层相同的晶体制成的衬底。例如，当由氮化镓制成的衬底用于氮化镓层的外延沉积时，这种衬底称为同质衬底。

异质衬底是指由与沉积在该衬底上的层不同的晶体制成的衬底。例如，当由蓝宝石制成的衬底被用于氮化镓层的外延沉积时，这种衬底称为异质衬底。

含镓氮化物前体是至少含有镓和任选含有I族元素(碱金属)、II族元素(碱土金属)、XIII族元素(根据IUPAC1989的族号)、氮和/或氢以及金属镓、它的合金或金属化合物、氢化物、酰胺、酰亚胺、酰氨基-酰亚胺以及叠氮化物的物质或混合物，其可形成可溶于如下文所定义的超临界含氨溶剂中的镓化合物。

含镓原料是含镓氮化物或其前体。作为原料，可以使用通过各种方法获得的GaN，特别是助熔剂法、HNP法、HVPE法，或通过金属镓与超临界含氨溶液的反应获得的多晶GaN。

超临界含氨溶剂是至少由氨组成的超临界溶剂，其含有一种或多种I族元素(碱金属)，辅助含镓氮化物的溶解。超临界含氨溶剂还可含有氨衍生物和/或其混合物，特别是肼。

矿化剂是将一种或多种I族元素(碱金属)离子引入到超临界含氨溶剂中的物质，辅助原料的溶解。

含镓原料的溶解是指由所述原料形成可溶于超临界溶剂的镓化合物例如镓配位化合物的可逆或不可逆过程。镓配位化合物是配位化学化合物，其中镓原子是由配位体例如氨分子(NH₃)或其衍生物例如NH₂ ^-、NH^2-等所包围的配位中心。

超临界含氨溶液是指含镓原料溶于超临界含氨溶剂中所获得的溶液。

溶解度

我们的实验表明，可以在足够高的温度和压力下在固体(含镓氮化物)和超临界溶液之间实现平衡状态。因此，含镓氮化物的溶解度可以定义为在含镓氮化物的上述溶解过程中获得的镓配位化合物的平衡浓度。在这种过程中，平衡浓度即溶解度可以通过改变溶剂的组成、温度和/或压力来控制。

溶解度的温度和压力系数(TCS和PCS)

溶解度的负温度系数是指如果所有其它参数保持不变，溶解度是温度的递减函数。同样，溶解度的正压力系数是指如果所有其它参数保持不变，溶解度是压力的递增函数。我们的研究表明，至少在300℃～550℃温度范围内以及100MPa～550Mpa的压力下含镓氮化物在超临界含氨溶剂中的溶解度表现出负温度系数(负TCS)和正压力系数(正PCS)。

过饱和

如果可溶性镓化合物在超临界含氨溶液中的浓度高于在特定物理化学条件下含镓氮化物的溶解度，则在这些条件下超临界含氨溶液对于含镓氮化物而言的过饱和可以定义为实际浓度和溶解度之差。当将含镓氮化物溶于封闭系统中时，可例如通过增加温度或降低压力来获得过饱和态。

含镓氮化物在超临界溶液中的化学输运是指涉及含镓原料在超临界溶液中溶解、镓配位化合物在该溶液内循环以及含镓氮化物从过饱和超临界溶液结晶的连续过程。通常，化学输运可由温差、压差、浓度差异或溶解的原料和结晶产物之间的其它化学或物理差异而引起。块状单晶形的含镓氮化物实际上可以由高压釜的溶解和结晶区之间的化学输运来得到，这通过两区之间的温差形成，而结晶区中的温度应当高于溶解区中的温度。

晶种是通过从超临界含氨溶液结晶获得所需块状含镓氮化物单晶的关键。考虑到晶种质量是块状含镓氮化物单晶的结晶质量的关键的事实，选择用于该过程的晶种应该具有尽可能高的质量。也可以使用具有改性表面的各种结构或晶片。例如具有一些相互间隔足够远、布置在初始衬底上并且易于结晶氮化物的横向过生长的表面的结构可被用作晶种(ELOG结构)。可以利用各种方法来生产晶种，例如通过气相生长，如HVPE、MOCVD或MBE。

HVPE(卤化物气相外延)法是指由气相来沉积外延层的方法，其中(在氮化物的情况下)金属以及氨的卤化物被用作衬底。

MBE(分子束外延)法是指通过由所谓“分子束”在衬底上沉积分子来获得原子厚度的外延层的方法。

MOCVD(金属有机化学气相沉积)法是指由气相来沉积外延层的方法，其中(在氮化镓的情况下)氨和镓的金属有机化合物被用作衬底。

由过饱和超临界含氨溶液自发结晶是指在高压釜内除晶种表面之外的任何部位所发生的成核以及含镓氮化物晶体生长的所有所不希望的过程。该定义还包括在晶种表面上的生长，其中所生长的晶体具有与晶种不同的取向。

在晶种上选择性结晶是指在自发结晶不存在或者发生的自发结晶程度可忽略不计时在晶种表面上发生的结晶过程。该过程对于获得含镓氮化物的块状单晶是不可缺少的。

反应的温度和压力

在本说明书中提出的实例中，当高压釜是空的即没有超临界含氨溶液的时候已经进行了高压釜内温度的测量。因此，该实施例中所引用的温度值不是在超临界状态中实施所述过程的实际温度值。压力直接测量或者基于在所选工艺温度和高压釜体积下含氨溶剂的物理和化学数据来计算。

高压釜无论其形状如何均包括密封的反应室，其中实施氨基金属的结晶过程。

晶向c、a或m是指六角晶格的c、a或m向，具有如下Miller指数：c-[0001]、

、 。

晶面C、A或M是指六角晶格的C、A或M面的表面，具有如下Miller指数：C-(0001)、 。这些表面垂直于对应的晶向(c、a和m)。

晶种的生长方向是本方法中用来制造该晶种的晶体的生长方向。该方向通过用于产生晶种的方法来确定。同时，这是晶种中位错扩展的主方向。例如，通过HVPE法获得GaN晶片可用作通过从超临界含氨溶液结晶的GaN生长过程的晶种。在HPVE法中，晶片基本在氮化镓六角晶格的c方向上生长。因此，在这种情况下c方向是晶种的生长方向。

衬底的生长方向是制成衬底的这部分晶体的生长方向。同时，这是衬底中位错扩展的主方向。结果，在基本垂直于衬底的生长方向上生长外延层的外延过程产生了非常高质量的层，在衬底中存在的缺陷在这种层中没有扩展。

XIII族元素端面(terminated side)、Ga端面、N端面：在具有纤锌矿结构的晶体中，人们可以辨别表示为c的晶体方向(晶轴)，其平行于晶体的C₆对称轴。在具有纤锌矿结构的XIII族元素氮化物晶体中，垂直于c轴的晶面(C-面)是不等同的。习惯性将它们分别称为XIII族元素端面和氮端面或具有XIII族元素极性或氮极性的表面。具体地，在单晶氮化镓的情况下，人们可以辨别镓端面(Ga-面)和氮端面(N-面)。这些面具有不同的化学和物理性质(例如易蚀刻性或耐热性)。在气相外延法中，在XIII族元素端面上沉积层。

ELOG(外延横向过生长)是由气相或超临界含氨溶液的晶体生长法，其中晶体在特定衬底上生长。在氮化镓晶体的情况下，在衬底的表面上产生具有易于横向生长的表面的平行脊状物(几微米高和几微米宽)的基体(matrix)。通常，氮化镓晶体在c方向上生长。然后沿着m方向产生脊状物并且易于横向生长的表面与A-面一致。在这种情况下，横向生长被限制为几个或几十个微米，并且一旦脊状物之间的间隔通过提拉晶体而变得过生长，它就结束。接着，块状晶体的主要生长沿c方向进行。以这种方式可以防止在衬底中存在的一些位错渗透到提拉的晶体中。

本专利申请中的横向生长是指在垂直于晶种生长的初始方向的方向上块状生长。与ELOG(外延横向过生长)相反，横向生长是明确肉眼可见的(晶种的尺寸级别或者甚至更大)。而且，在平行于晶种生长的初始方向的方向上横向生长的晶体的突起物明显超出所用晶种的突起物。在ELOG(外延横向过生长)情况下，这两类突起物基本相同。

发明详述

图1表示在异质衬底( 1)上生产的已知HEMT晶体管的示意性截面图。该晶体管进一步地由含镓氮化物制成的缓冲层( 3)和具有通式Al_xGa_1-xN(0＜x＜1)、通常掺杂为n型的混合镓-铝氮化物层( 5)组成。为了减少异质衬底 1和缓冲层 3的晶格的失配，将例如由氮化铝制成的成核层 2置于它们之间。成核层 2的存在改善了在其上沉积的氮化物层的晶体质量，由此也改善了HEMT器件的质量和参数。HEMT晶体管还包含电接触：源极- 7、栅极- 8和漏极- 9。接触 7、 8和 9可以直接在层 5上产生或任选地在接触层 6上产生。在层 5和 3的界面上，产生了压电电荷，其在缓冲层 3的临近界面处积累，形成具有高迁移率的二维自由电子气 4(2DEG)。值得注意的是，上述效果对AlGaN/GaN体系而言其强度是AlGaAs/GaAs的约五倍。在层 5中“产生”的载荷子“落”入缓冲层 3中，在此它们可以自由移动。在源极 7和漏极 9之间产生电流流动的通道。改变施加在栅极 8(沿着通道布置)上的电压，促使源极-漏极系统的电阻的变化(J.Klamka，，，Heterozlaczowe przyrzadypólprzewodnikowe na zakres mikrofal i fal milimetrowych″，AgencjaLotnicza ALTAIR sp.z o.o.，1^st edition(2002)，ISBN：83-86217-48-0)。已知(″Journal of Applied Physics″，vol.87，no.1，2000，pages334-344)器件的质量随着外延层特别是层 3和 5的质量而改善。具体地，已发现缓冲层 3的厚度增加改善了层 3和 5之间的界面，导致自由载流子的迁移率增加。这可以通过以下事实来解释：由于缓冲层 3的厚度增加，HEMT结构的氮化物层和异质衬底之间的失配的不利效果减少。

图2表示根据本发明的HEMT结构的示意性截面图。该晶体管的特征在于，它是在同质衬底 11(即由单晶形含镓氮化物制成的衬底)上获得的，由此它不需要在衬底 11和缓冲层 3之间的成核层。直接沉积在同质衬底 11上的缓冲层 3本身远比在异质衬底上获得的已知氮化物HEMT晶体管要薄。图2中所示的HEMT晶体管的其余元素与在图1中所示的已知HEMT结构中的一样，为了简便，它们在图1和图2中以相同的附图标记来标记。尽管缓冲层 3更薄以及缺少成核层，但是根据本发明的HEMT晶体管具有优异的结构质量，这是由于作为使用同质衬底 11的结果，在衬底和HEMT结构的氮化物层之间不存在失配。因此，根据本发明可出人意料地获得HEMT器件的有利参数和性能。

单晶形含镓氮化物的衬底由块状氮化物单晶获得，所述块状氮化物单晶通过从超临界含氨溶液中结晶获得。该方法在出版物WO2004/053206和WO2004/053208中被公开，并且在下文中对其进行简短说明。

在该方法中，在结晶阶段，系统含有含镓原料，优选结晶氮化镓，I族元素和/或它们的混合物、和/或它们的化合物，特别是含氮和/或氢的那些，优选叠氮化物，以及可能加入的II族元素和/或它们的化合物构成矿化剂，该矿化剂与氨一起作为含氨溶剂。在比原料溶解的温度更高以及压力更低的结晶温度和/或结晶压力下，在晶种表面上从超临界含氨溶液中实施所需含镓氮化物的结晶。产生两个温度区并且原料置于溶解区同时至少一个晶种置于结晶区，溶解区位于结晶区之上并且在溶解区和结晶区之间发生质量传递。

溶解区和结晶区之间的温度差为1℃～150℃，优选为10℃～100℃，结晶区中的温度不低于350℃，优选不低于400℃，最优选为500℃～550℃。

GaN在超临界NH₃中表现出良好的溶解度，前提是它含有碱金属或其化合物，例如NaNH₂或KNH₂。本发明人进行的实验表明，溶解度是压力的递增函数和温度的递减函数。基于该确定的关系，可通过从超临界含氨溶液的结晶来生产所述的含镓氮化物晶体。

原料置于反应器的上部区。该区维持在与反应器的下部区不同的温度下，至少一个单晶晶种置于该下部区。

具体地，反应环境中GaN溶解度的负温度系数意味着，由于产生温度梯度，可促使系统中氮化镓从反应器的低温上部区化学输运到反应器的更高温度的下部区，其中所述上部区为作为原料的结晶氮化镓的溶解区，所述下部区为结晶区。

含镓氮化物从超临界含氨溶液的结晶例如可以在出版物WO2002/101120中所公开的装置中实施。根据装置的尺度可使用构造细节不同的高压釜。

这种装置的特征在于，它具有用于产生超临界溶剂的高压釜，高压釜装有用于测定对流的内部装置。高压釜装在一组炉的内部，该炉装有加热装置和/或冷却装置。

所述一组炉具有与装有加热装置和/或冷却装置的高压釜的结晶区一致的高温区以及与装有加热装置和/或冷却装置的高压釜的溶解区一致的低温区。所述内部装置具有一个水平挡板(或多个水平挡板)，该挡板具有中心和/或周边开口，该挡板将结晶区和溶解区隔离。在高压釜中，原料置于溶解区中，并且至少一个晶种置于结晶区中，同时通过内部装置测定溶解区和结晶区之间的超临界溶液的流动。溶解区位于一个或多个水平挡板之上，同时结晶区位于一个或多个水平挡板之下。

含镓氮化物单晶被用作晶种，用于生产块状单晶，所述含镓氮化物单晶利用任意可用的方法来获得，形式为关于单晶的c轴垂直取向的晶片，并具有不超过10⁸/cm²的表面位错密度。

通常当生产块状含镓氮化物单晶时，利用HVPE法获得的含镓氮化物晶片被用作晶种。这是有利的，因为该方法允许获得具有相对大表面的晶片形式的GaN单晶。通过利用这种单晶，可获得具有非常低位错密度并且相当大厚度的块状氮化镓单晶。这种材料对于外延沉积半导体层的衬底而言是优选的。

而且，优选使用具有至少一个非极性表面的晶片形式的含镓氮化物单晶作为晶种，在该晶种上实施在垂直于单晶的c轴的方向上的生长。

可以通过使晶种进行预处理来实现适当尺寸和形状的用于生产块状单晶形含镓氮化物的晶种，包括在平行于c轴的方向以及在垂直于含镓氮化物晶格的c轴方向上交替生长。晶体在所需方向上交替生长通过下列过程来实现：例如在平行于c轴的方向上以及垂直于c轴的方向上实施从超临界含氨溶液的交替生长，在所需方向上交替使生长面暴露同时限制在后续阶段中在垂直方向上的生长。限制含镓氮化物在所需方向上生长的方法的实例在出版物WO2003/035945中被公开。

在从出版物WO2004/053206和WO2004/053208中公开的超临界含氨溶液中结晶的典型实例中，晶种上的生长主要发生在与晶种生长方向一致的方向上。但是，在波兰专利申请No.P-368781中所公开的优选变化方案中，优选通过在垂直于晶种生长方向的方向上生长来生产块状含镓氮化物单晶。而且，根据专利申请No.P-368781的教导，可以结合在基本平行于晶种生长方向的方向上及其垂直方向上的晶种上的生长。因此，优选通过在所选方向上单晶的可控生长来生产块状单晶形含镓氮化物，包括至少一个在垂直于单晶c轴的方向上的生长阶段以及至少一个在超临界含氨溶液中在平行于单晶c轴的方向上的生长阶段，在这些阶段的每一个阶段中使用所述原料和晶种并且可以在垂直于c轴的方向上和在平行于c轴的方向上重复生长阶段，直到沿其至少一个轴获得所需尺寸的单晶。

由此获得的单晶的测试结果证实，在这种情况下，可获得极好结晶质量的单晶形含镓氮化物。由此获得的晶片具有非常大的晶格曲率半径，超过15m，优选大于30m，最优选大于70m，同时在与晶种生长方向相同的方向(平行于c轴)上生长的单晶晶格的曲率半径一般为约2～15m。同时，单晶的X射线摆动曲线半宽度(FWHM)优选低于40arcsec。而且，在晶种上垂直于c轴方向上的生长允许获得块状单晶，因此从中可做出具有相对于氮化物晶格的所需取向以及所需极性(例如具有与极性C面一致的表面，或具有与含镓氮化物晶格的非极性A或M面一致的表面)的晶片。然后可利用这种晶片来制作用于外延的极性或非极性衬底。

含镓氮化物或其前体用作原料。优选应用结晶氮化镓作为GaN结晶过程中的原料，这是由于它确保了实施该过程所需的镓的量，其中所述镓是可以逐渐转化到溶液中的容易溶解的形式。

碱金属、碱金属化合物(特别是含有氮和氢的那些)以及它们的混合物可用作矿化剂。碱金属可选自Li、Na、K、Rb和Cs，它们的化合物可选自氢化物、酰胺、酰亚胺、酰氨基-酰亚胺、氮化物和叠氮化物。

用于生产块状氮化镓单晶的加入碱金属离子的超临界含氨溶液的环境还可以包含特意引入的其它金属离子以及其它元素的可溶形式的离子，以改善所产生的单晶氮化镓的特性。但是，这种环境还含有随初始材料引入并在处理过程中从设备的元素中释放到环境中的随机杂质。可通过利用非常高纯度的试剂或者为了该过程而另外纯化的试剂来限制随机杂质的含量。来自设备的杂质也可以根据本领域技术人员所用的原理通过选择结构材料来控制。

下文中实施例1提出了通过从超临界含氨溶液结晶的含镓氮化物晶体可控生长的方法，图3中展示了其温度和处理时间之间的关系。

根据图3，在从超临界含氨溶液结晶的阶段，在上部区-高压釜的溶解区，维持温度低于结晶区中的温度，其在结晶的整个阶段中基本保持在稳定水平。

在这种条件下-在各区之间产生温差和温度梯度的结果-原料溶于溶解区中，并且由于对流，在各区之间引发化学输运，并通过在结晶区中实现关于GaN的超临界含氨溶液的过饱和态，在晶种上实现GaN的选择性结晶。

在从超临界含氨溶液中生长期间，各区之间的温差可以显著变化并且优选在几摄氏度和几十摄氏度之间。另外，各区之间的温差可以在处理过程中变化。因此，可以控制所生产的块状单晶氮化镓的生长速度和质量。

利用上述方法获得的块状单晶形含镓氮化物可以用供体-和/或受体-和/或磁型掺杂剂以10¹⁷/cm³～10²¹/cm³浓度来掺杂。掺杂使得所得含镓氮化物变成n-型材料、p-型材料或者补偿(半绝缘)材料，后者是用于氮化物HEMT的优选同质衬底。

通过将适当掺杂剂引入单晶生长的环境中来实施掺杂。在XIII族元素氮化物的情况下，特别是氮化镓，受体型掺杂剂的实例包括镁和锌，供体型掺杂剂包括硅，磁型掺杂剂包括锰。上述元素可以与初始原料一起以纯(元素)态或作为化合物而引入到过程环境中。它们实际上可以是上述元素的任意化合物，前提是在过程环境中化合物的存在不明显干扰超临界含氨溶液的功能或氨基金属特性。

将受体型掺杂剂例如锌或镁被引入到该过程的环境中的掺杂尝试遇到技术障碍。根据WO2004/053206和WO2004/053208的公开内容，在该过程的环境中所述元素的存在引起氮化物晶体的生长速率急剧下降，因此不能获得所需尺寸的单晶。出人意料的是，这些困难通过使结晶过程的参数最优化而得以克服，例如压力和温度分布以及具有适当组成的镓与锌和/或镁的合金形式的原料的制备。优选在所述合金中锌或镁对镓的摩尔比等于约500ppm。

具体地，以约500ppm来掺杂锌或镁使得可以获得具有约10⁶Ω·cm电阻率的补偿(半绝缘)含镓氮化物，这对于生产用于氮化物HEMT晶体管是最佳的。实施例1和2表示晶体生长、掺杂和衬底生产的过程。

通过将含镓氮化物单晶切割(例如利用线锯)成具有所需尺寸和关于氮化物晶格的取向的晶片来生产衬底。通过典型的处理方法，其中包括晶片的机械抛光和化学机械平坦化(CMP)，获得用于外延的非导电性衬底，然后在该衬底上生产HEMT型结构。

根据本发明，利用外延法例如MOCVD、HPVE或MBE在由此获得的衬底上生产HEMT结构。这些方法的每一种均适合。由此获得的结构的特征在于非常高结晶质量的层，并且不存在由衬底失配、寄生传导等所引起的问题。具体地，实施例3～6展示了通过MOCVD法制造的根据本发明的HEMT晶体管。这些晶体管具有出人意料的有利性能参数(例如，在W-CDMA带(约2GHz)中的平均输出功率-50W，60V时的增益25dB)。

如果HEMT结构由通过外延法制造的层组成，这些层的适当生长方向是重要的。优选的是，衬底由块状单晶切割而成，使得衬底的生长方向(是衬底中位错扩展的主要方向)平行于衬底的外延表面。在这种情况下，衬底上外延层的生长方向垂直于衬底的生长方向。结果，存在于衬底中的缺陷没有扩展到外延层中。因此，本发明的重要部分是制造HEMT晶体管的方法，其中至少缓冲层 3是通过外延法来生产的并且在外延过程中所述层的生长方向基本垂直于衬底 11的生长方向。

除了出人意料的有利工作参数以及性能，根据本发明的HEMT晶体管在经济上也非常具有竞争力。这种晶体管的制造成本已减少，因为外延法(可行并且可大规模工业应用)用于其生产，前提是使用适当的同质衬底。

本发明还将在下文的示例性实施例中进行进一步阐明。实施例仅用于说明本发明，而不应该解释为以任意的方式来限制如权利要求所限定的本发明的范围。

实施例1.从补偿单晶氮化镓获得用于HEMT的绝缘同质衬底。

在高压600cm³的高压釜中，将105g(约1.5mol)的6N金属镓形式的原料置于溶解区中，并加入0.05g的锌或0.02g的镁。接着，将28g(约1220mmol)的4N金属钠引入高压釜中。

将九个单晶氮化镓晶片用作晶种，所述晶片通过HPVE法或通过从超临界含氨溶液结晶获得，具有垂直于单晶的c轴取向的一对表面，并且各自具有约25mm(1英寸)的直径和约500μm的厚度。将这些晶种置于高压釜的结晶区中。

然后，将240g氨(5N)装入高压釜，封闭并置于所述一组炉中。

将溶解区加热到450℃(约0.5℃/分钟)。在该期间结晶区没有被加热。在溶解区达到450℃的设定温度之后(即在从该过程开始之后约15小时-图3)，结晶区中的温度达到约170℃。在高压釜中保持这种温度分布4天(图3)。在该期间镓部分转移到溶液并且剩余的镓完全反应为多晶GaN。接着，结晶区中的温度升到550℃(约0.1℃/分钟)，溶解区中的温度保持不变。高压釜内的压力为约410Mpa。由于这种温度分布，在高压釜中各区之间发生对流，促使氮化镓从溶解区(上部)化学输运到结晶区(下部)，在此它沉积在晶种上。所得温度分布(即溶解区中450℃和在结晶区中550℃)随后保持另外56天(直到过程结束-图3)。

该过程的结果是，在溶解区发生原料(即多晶GaN)的部分溶解并在每一个晶种的两面发生单晶氮化镓的生长，形式为具有约3.5mm总厚度的单晶层(在每一个晶种上，沿单晶的c轴测量)。所得氮化镓单晶的特征在于，从(0002)面的X射线摆动曲线半宽度(FWHM)等于约20arcsec(对于Cu Kα₁线)，晶格曲率半径为50m。这些晶体的C表面的显微检验(在N端面上)表明，当通过腐蚀坑密度(EPD)法测量时表面位错密度为2×10²/cm²。在电性能方面，所得材料为补偿性的(半绝缘)，具有约10⁶Ω·cm的电阻率。

利用线锯将所得晶体切割成晶片，所述晶片各自具有约25mm(1英寸)的直径和约300μm的厚度并具有垂直于晶格c轴取向的一对表面(极性)。在含镓氮化物单晶生长过程的另一个优选实施方案中，将所得晶体切割成具有垂直于晶格的a或m轴取向的一对表面(非极性)。对晶片进行普通处理，其中包括机械和化学机械平坦化(CMP)，以获得用于外延的六角形1英寸的非导电性衬底，然后在该衬底上获得HEMT型结构。

实施例2.从补偿单晶形氮化镓获得用于HEMT的绝缘同质衬底。

根据WO02/101120的公开内容，将含镓原料、晶种、矿化剂和氨装入1350cm³的高压釜的溶解区中。

利用晶片形式的大晶体作为晶种，所述大晶体具有接近等腰三角形的形状，底边长约85mm，底边上的角等于30°。晶种的表面与氮化镓晶格的C晶面一致。利用波兰专利申请No.P-371405中公开的方法，通过将较小的GaN晶体并入超临界含氨溶液中来获得这种晶种。将晶种置于高压釜的结晶区中，使得在晶种上自由生长。

金属钠用作矿化剂。将原料置于溶解区中，同时将晶种安置在结晶区。在结晶区中T₂＝550℃和溶解区中T₁＝450℃的恒温条件下实施在晶种上的结晶过程。高压釜内这种温度分布保持76天(图4)。在这种条件下，高压釜内的压力为约410Mpa。

该过程的结果是，在溶解区发生原料(即多晶GaN)的部分溶解。在结晶区，观察到单晶氮化镓在晶种上在平行于c晶轴的方向和在垂直于c晶轴的方向上的进一步生长。所得晶体具有接近于菱形的形状。它们约6mm厚。菱形的最长对角线为85mm，而菱形的宽度(在垂直于最长对角线的方向测量)为约30mm。由每一个所述晶体切割成无缺陷的两个圆形晶片状晶体。由此所得的1英寸晶体的从(0002)面的X射线摆动曲线半宽度(FWHM)等于约20arcsec(对于Cu Kα₁线)，而其晶格曲率半径等于38m。这些晶体的C面的显微检验表明，该面的表面位错密度(通过腐蚀坑密度(EPD)法测量)为约2×10²/cm²。在电性能方面，它们与实施例1中所得类似。

将由此获得晶体切割成具有垂直于单晶的c轴取向的一对表面的晶片(极性)。对晶片进行普通处理，其中包括机械和化学机械平坦化(CMP)，以获得用于外延的六角形1英寸的非导电性衬底。在这种情况下，由此获得的晶种的生长方向基本垂直于晶格的c轴。然后在该衬底上获得HEMT型结构。

实施例3.在实施例1中获得的同质衬底上制造的根据本发明的HEMT晶体管.

图2展示了根据本发明的HEMT晶体管的示意性截面图。根据图2，利用MOCVD法在实施例1中所描述的过程中获得的氮化镓衬底 11上沉积未掺杂的氮化镓缓冲层 3和Al_0.3Ga_0.7N层 5，其中缓冲层 3的厚度为0.5μm，层 5以约500ppm的Si来掺杂并且其厚度为10nm。接着，生产Ni-Ti-Au的电接触：源极 7、栅极 8和漏极 9。任选地，在制作接触之前，在层 5上形成接触层 6。由此获得的HEMT晶体管的特征在于出人意料的有利工作参数(例如，在W-CDMA带(约2GHz)中平均输出功率-50W，在60V时增益25dB)。

实施例4.在实施例1中获得的同质衬底上制造的根据本发明的HEMT晶体管.

仅仅除了层 5以约500ppm的Si掺杂的Al_0.4Ga_0.7N来制作并且其厚度为约10nm之外，实施与实施例3一样的程序。获得了更高的在W-CDMA带(约2GHz)中的平均输出功率-55W，同时器件的其它参数与实施例3中的类似。

实施例5.在实施例2中获得的同质衬底上制造的根据本发明的HEMT晶体管。

仅仅除了使用在实施例2中获得的衬底之外，实施与实施例3一样的程序。结果，通过MOCVD法在基本垂直于衬底生长方向的方向上实施层 3和 5的生长(具有如实施例3中相同的组成和参数)，这是本发明的组成部分之一。由此所得的HEMT晶体管的特征在于甚至更有利的工作参数(例如，在W-CDMA带(约2GHz)中的平均输出功率-60W，在60V时增益35dB)。

实施例6.在实施例1中获得的同质衬底上制造的根据本发明的HEMT晶体管。

仅仅除了形成能够另外降低栅极电阻噪声的T型栅极之外，实施与实施例3一样的程序。所得晶体管的特征在于工作参数比实施例3中的更有利：在W-CDMA带(约2GHz)中的平均输出功率-52W，在63V时增益28dB。

附图标记

1-异质衬底(例如由蓝宝石、硅或SiC制成)

2-成核层

3-缓冲层(GaN)

4-在层 3和 5的界面上的二维电子气(2DEG)

5-Al_xGa_1-xN(0＜x＜1)层

6-接触层(任选的)

7-源极

8-栅极

9-漏极

11-同质衬底(由GaN制成的衬底)

Claims (9)

1.一种基本由XIII族元素(IUPAC，1989)氮化物层制成的高电子迁移率晶体管(HEMT)，其特征在于，所述晶体管在含镓氮化物衬底( 11)上形成，所述衬底( 11)由通过从超临界含氨溶液结晶获得的单晶制成。

2.根据权利要求1的晶体管，其特征在于，所述衬底( 11)由通过在晶种上、至少在基本垂直于晶种生长方向的方向上生长获得的单晶制成。

3.根据权利要求1或2的晶体管，其特征在于，所述衬底( 11)是半绝缘的(补偿的)。

4.根据权利要求1～3任一项的晶体管，其特征在于，所述衬底( 11)是极性的。

5.根据权利要求1～3任一项的晶体管，其特征在于，所述衬底( 11)是非极性的。

6.根据权利要求1～5任一项的晶体管，其特征在于，所述缓冲层( 3)直接沉积在衬底( 11)上。

7.根据权利要求1～5任一项的晶体管，其特征在于，其在W-CDMA带(约2GHz)中的平均功率优选不低于50W，增益在60V时优选不低于25dB。

8.根据权利要求1～5任一项的晶体管，其特征在于，至少缓冲层( 3)是通过外延法生产的，并且在外延过程中所述层的生长方向基本垂直于衬底( 11)的生长方向。

9.制造根据权利要求8的晶体管的方法，其特征在于，至少缓冲层( 3)是通过外延法生产的，并且在外延过程中所述层的生长方向基本垂直于衬底( 11)的生长方向。

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