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復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結構.pdf

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復合 緩沖 氮化物 電子 遷移率 晶體管 外延 結構
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摘要
申請專利號:

CN201210137851.1

申請日:

2012.05.07

公開號:

CN102646700B

公開日:

2015.01.28

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01L 29/20申請日:20120507|||公開
IPC分類號: H01L29/20; H01L29/201; H01L29/06; H01L29/778 主分類號: H01L29/20
申請人: 中國電子科技集團公司第五十五研究所
發明人: 彭大青; 李忠輝; 董遜; 李亮; 倪金玉; 張東國
地址: 210016 江蘇省南京市中山東路524號
優先權:
專利代理機構: 南京君陶專利商標代理有限公司 32215 代理人: 沈根水
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210137851.1

授權公告號:

102646700B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2012.10.10|||2012.08.22

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明是復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結構,其結構是襯底上是生長成核層;成核層上是第一緩沖層;在緩沖層上是生長緩沖層;在第二緩沖層上是生長溝道層;在溝道層上是生長勢壘層;其生長方法包括,襯底經清洗、吹干后在反應室內高溫烘烤;在襯底上生長成核層;在成核層上第一緩沖層;在緩沖層上生長緩沖層;在緩沖層上生長溝道層;在溝道層上生長勢壘層;降至室溫。優點:依然能夠與GaN溝道層形成導帶帶階,增強2DEG限域性,提高器件的微波性能和功率特性。可以提高緩沖層熱導率,有效降低AlGaN緩沖層HEMT器件的自熱效應。AlyGa1-yN緩沖層的晶體質量能得到有效提高。有助于進一步提升器件的性能及可靠性。

權利要求書

1.復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結構,其特征是襯底上是生長成核層;成核層上是第一緩沖層;第一緩沖層上是生長第二緩沖層;第二緩沖層上是生長溝道層;溝道層上是生長勢壘層;其生長方法,包括以下步驟:第一步,襯底經清洗、吹干后在反應室內高溫烘烤;第二步,在襯底上生長成核層;第三步,在成核層上第一緩沖層;第四步,在第一緩沖層上生長第二緩沖層;第五步,在第二緩沖層上生長溝道層;第六步,在溝道層上生長勢壘層;第七步,降至室溫。2.根據權利要求1所述的復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結構,其特征是所述的第一緩沖層為GaN,生長在成核層表面,第二緩沖層為AlyGa1-yN生長在第一緩沖層上面,第一緩沖層和第二緩沖層構成?AlyGa1-yN/GaN復合緩沖層。3.根據權利要求1所述的復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結構,其特征是所述的AlyGa1-yN/GaN復合緩沖層中的第二緩沖層是組分恒定的Al組分范圍y=0.02-0.08,或是組分漸變的由第一緩沖層向溝道層方向Al組分由0漸變到y,y=0.02-0.08。4.根據權利要求1所述的氮復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結構,其特征是所述AlyGa1-yN/GaN復合緩沖層中的第二緩沖層的厚度為0.1-1.0um,第一緩沖層的厚度為0.1-2.5m。5.根據權利要求1所述的復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結構,其特征是所述的AlyGa1-yN/GaN復合緩沖層的生長溫度為700~1200℃。6.根據權利要求1所述的復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結構,其特征是所述的溝道層為GaN,厚度為10-500nm。7.根據權利要求1所述的復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結構,其特征是所述的勢壘層生長在溝道層上,為III-V族氮化物多元合金薄膜及其異質結構。

說明書

復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結構

技術領域

本發明涉及的是復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結構,屬于半導體單晶薄膜的外延生長技術領域。?

背景技術

氮化鎵(GaN)基高電子遷移率場效應晶體管(HEMT)是一種基于氮化物異質結構的新型電子器件,氮化物材料特有的極化效應使得在異質結界面勢阱中形成高濃度的二維電子氣(2DEG)溝道,通過肖特基柵壓控制溝道電子實現工作。器件具有高頻、大功率的優異特性,廣泛應用于無線通信基站、電力電子器件等信息收發、能量轉換等領域,符合當前節能環保、綠色低碳的發展理念;GaN?HEMT外延材料結構一般包括襯底、成核層、緩沖層、溝道層和勢壘層。襯底一般為藍寶石、碳化硅(SiC)、單晶硅(Si)。對于通常采用的鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN)異質結構,緩沖層和溝道層均為GaN,勢壘層為AlGaN。在這種單異質結構中溝道層和緩沖層均為GaN,之間不能形成導帶帶階,溝道二維電子氣的限域性較差,電子容易溢出溝道進入緩沖層,從而降低了溝道的夾斷性能,造成器件的輸出電導增大和擊穿性能下降,進而降低了器件的頻率性能和功率特性;為了增強GaN?HEMT溝道二維電子氣限域性,提高器件性能,一種有效的方法是采用低組分的AlGaN作緩沖層構成AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN雙異質結HEMT。在這種結構中,2DEG溝道層與緩沖層之間形成GaN/AlGaN異質結,得益于AlGaN的大帶隙和極化效應,在GaN/AlGaN界面產生負極化電荷,抬高了導帶能級,增強了2DEG限域性。

然而,在AlGaN中由于存在聲子的合金散射,使得AlGaN合金的熱導率大幅下降,組分在0.2-0.8之間的AlGaN薄膜的熱導率只有20W/mK,顯著低于GaN薄膜130W/mK的熱導率。降低Al組分有助于提高熱導率,當組分為0.04時,熱導率為70?W/mK,但仍低于GaN。由于AlGaN緩沖層較低的熱導率使得器件的輸出電流隨著漏極偏壓的增大而下降,造成器件的輸出功率下降,效率降低,從而影響了GaN?HEMT大功率方向的應用潛力。

發明內容

本發明提出一種復合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結構和生長方法;通過采用AlyGa1-yN/GaN復合結構代替通常采用的單一結構的AlyGa1-yN緩沖層;與單一結構AlyGa1-yN緩沖層一樣,這種復合結構緩沖層依然能夠與GaN溝道層形成GaN/AlGaN異質結,產生導帶帶階,增強HEMT材料2DEG限域性,提高器件的頻率性能和功率特性;由于隨著AlGaN合金中存在合金散射,AlGaN的熱導率低于GaN。因此,這種AlyGa1-yN/GaN復合緩沖層在增強2DEG限域性的同時,熱導率顯著提高,是一種降低AlGaN緩沖層HEMT器件的自熱效應的有效方法。

本發明的技術解決方案是:其特征是襯底上是生長成核層;成核層上是第一緩沖層;第一緩沖層上是生長第二緩沖層;第二緩沖層上是生長溝道層;溝道層上是生長勢壘層;

其生長方法,包括以下步驟:

第一步,襯底經清洗、吹干后在反應室內高溫烘烤;

第二步,在襯底上生長成核層;

第三步,在成核層上第一緩沖層;

第四步,在第一緩沖層上生長第二緩沖層;

第五步,在第二緩沖層上生長溝道層;

第六步,在溝道層上生長勢壘層;

第七步,降至室溫。

所述的襯底是藍寶石、SiC或Si;

所述的成核層是AlN、GaN或AlGaN;

所述的第一緩沖層是生長在成核層上的GaN薄膜,厚度為0.1-2.5um;

所述的第二緩沖層為生長在第一緩沖層上的AlyGa1-yN薄膜,可以是組分恒定的(Al組分范圍y=0.02-0.08,優化值為0.04),也可以是組分漸變的(由第一緩沖層向溝道層方向Al組分由0漸變到y,y=0.02-0.08,優化值為0.04),厚度為0.1-1.0um;

所述的溝道層為GaN,生長在第一緩沖層上,厚度為10-500nm;

所述的勢壘層生長在溝道層上,可以是III-V族氮化物多元合金薄膜及其異質結構。

本發明具有以下優點:1)采用AlyGa1-yN/GaN復合緩沖層依然能夠與GaN溝道層形成導帶帶階,增強2DEG限域性,提高器件的微波性能和功率特性。2)復合緩沖層中AlyGa1-yN部分較薄,可以提高緩沖層熱導率,有效降低AlGaN緩沖層HEMT器件的自熱效應。3、)在GaN緩沖層上生長的AlyGa1-yN緩沖層的晶體質量能得到有效提高。有助于進一步提升器件的性能及可靠性。

附圖說明

附圖1是AlyGa1-yN/GaN復合緩沖層GaN?HEMT外延材料結構示意圖。

圖中的1是襯底為藍寶石、SiC或Si,2是成核層為GaN、AlN或AlGaN,3是第一緩沖層為GaN薄膜,4是第二緩沖層為AlyGa1-yN薄膜。其中第二緩沖層4可以是組分恒定的(Al組分y=0.02-0.08,優化值為0.04),也可以是組分漸變的(由第一緩沖層3向溝道層5方向Al組分由0漸變到y,y=0.02-0.08,優化值為0.04)。

具體實施方式

實施例1:

1)選擇藍寶石襯底,利用MOCVD技術生長;?

2)1080℃和100Torr,氫氣氣氛烘烤5分鐘;

3)降溫至550℃,通入氨氣和三甲基鎵,在襯底表面生長20nm厚GaN成核層;

4)升溫至1080℃,通入氨氣和三甲基鎵,生長1.0um厚GaN;

5)通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵,生長1.0um厚組分漸變AlyGa1-yN,Al組分y從下向上由0漸變到0.04,與4)的GaN構成AlyGa1-yN/GaN復合緩沖層;

6)關閉三甲基鋁,1080℃,生長200nm厚GaN溝道層;?

7)再打開三甲基鋁,生長25nm厚AlGaN勢壘層;

8)降至室溫。

實施例2:

1)選擇藍寶石襯底,利用MOCVD技術生長;?

2)1080℃和100Torr,氫氣氣氛烘烤5分鐘;

3)降溫至550℃,通入氨氣和三甲基鎵,在襯底表面生長20nm厚GaN成核層;

4)升溫至1080℃,通入氨氣和三甲基鎵,生長1.0um厚GaN;

5)通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵,生長1.0um厚組分恒定AlyGa1-yN,Al組分y=0.04,與4)的GaN構成AlyGa1-yN/GaN復合緩沖層;

6)關閉三甲基鋁,1080℃,生長100nm厚GaN溝道層;?

7)再打開三甲基鋁,生長25nm厚AlGaN勢壘層;

8)降至室溫。

實施例3:

1)選擇SiC襯底,利用MOCVD技術生長;

2)1080℃和100Torr,氫氣氣氛烘烤10分鐘;

3)1150℃,通入氨氣和三甲基鋁,在襯底表面生長50nm厚AlN成核層;

4)降溫至1080℃,通入氨氣和三甲基鎵,生長1.2um厚GaN;

5)通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵,生長0.8um厚組分漸變AlyGa1-yN,Al組分從下向上由0漸變到0.05,與4)的GaN構成AlGaN/GaN復合緩沖層;

6)關閉三甲基鋁,1080℃,生長100nm厚GaN溝道層;?

7)再打開三甲基鋁,1080℃,生長20nm厚AlGaN勢壘層;

8)降至室溫。

實施例4:

1)選擇SiC襯底,利用MOCVD技術生長;

2)1080℃和100Torr,氫氣氣氛烘烤10分鐘;

3)1150℃,通入氨氣和三甲基鋁,在襯底表面生長50nm厚AlN成核層;

4)降溫至1080℃,通入氨氣和三甲基鎵,生長1.0um厚GaN;

5)通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵,生長1.0um厚組分恒定AlyGa1-yN,Al組分y=0.04,與4)的GaN構成AlyGa1-yN/GaN復合緩沖層;

6)關閉三甲基鋁,1080℃,生長200nm厚GaN溝道層;?

7)再打開三甲基鋁,1080℃,生長20nm厚AlGaN勢壘層;

8)降至室溫。

實施例5:

1)選擇單晶Si襯底,利用MOCVD技術生長;?

2)1100℃和100Torr,氫氣氣氛烘烤10分鐘;

3)降溫至1060℃,通入三甲基鋁處理30秒,在Si襯底表面形成Al層;

4)通入氨氣和三甲基鋁生長300nm厚的AlN成核層;

5)升溫至1100℃,通入氨氣和三甲基鎵,生長1.0um厚GaN;

6)通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵,生長1.0um厚組分漸變AlyGa1-yN,Al組分y從下向上由0漸變到0.06,與5)的GaN構成AlyGa1-yN/GaN復合緩沖層;

7)關閉三甲基鋁,1080℃,生長100nm厚GaN溝道層;?

8)再打開三甲基鋁,1100℃,生長25nm厚AlGaN勢壘層;

9)降至室溫。

實施例6:

1)選擇單晶Si襯底,利用MOCVD技術生長;?

2)1100℃和100Torr,氫氣氣氛烘烤10分鐘;

3)降溫至1060℃,通入三甲基鋁處理30秒,在Si襯底表面形成Al層;

4)通入氨氣和三甲基鋁生長300nm厚的AlN成核層;

5)升溫至1100℃,通入氨氣和三甲基鎵,生長1.5um厚GaN;

6)通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵,生長1.0um厚組分恒定AlyGa1-yN,Al組分y=0.04,與5)的GaN構成AlyGa1-yN/GaN復合緩沖層;

7)關閉三甲基鋁,1080℃,生長100nm厚GaN溝道層;?

8)再打開三甲基鋁,1100℃,生長25nm厚AlGaN勢壘層;

9)降至室溫。

實施例7:

1)選擇SiC襯底,利用MOCVD技術生長;

2)1080℃和100Torr,氫氣氣氛烘烤10分鐘;

3)1180℃,通入氨氣和三甲基鋁,在襯底表面生長50nm厚AlN成核層;

4)降溫至1100℃,通入氨氣和三甲基鎵,生長1.5um厚GaN;

5)通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵,生長0.5um厚組分漸變AlyGa1-yN,Al組分y從下向上由0漸變到0.04,與4)的GaN構成AlyGa1-yN/GaN復合緩沖層;

6)關閉三甲基鋁,1080℃,生長200nm厚GaN溝道層;?

7)降溫至900℃,通入氨氣、三甲基鋁和三甲基銦,生長12nm厚InAlN勢壘層;

8)降至室溫。

實施例8:

1)選擇單晶Si襯底,利用MOCVD技術生長;?

2)1100℃和100Torr,氫氣氣氛烘烤10分鐘;

3)降溫至1060℃,通入三甲基鋁處理30秒,在Si襯底表面形成Al層;

4)通入氨氣和三甲基鋁生長300nm厚的AlN成核層;

5)升溫至1100℃,通入氨氣和三甲基鎵,生長1.5um厚GaN;

6)通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵,生長1.0um厚組分恒定AlyGa1-yN,Al組分y=0.04,與5)的GaN構成AlyGa1-yN/GaN復合緩沖層;

7)關閉三甲基鋁,1080℃,生長100nm厚GaN溝道層;?

8)1100℃,通入氨氣和三甲基鋁,生長8nm厚AlN勢壘層;

9)降至室溫。

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