一种氮化物高电子迁移率晶体管外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化物高电子迁移率晶体管外延结构及其生长方法，包括衬底层，该衬底层上从下至上依次生长有成核层、缓冲层、势垒层和沟道层，其中：所述衬底层为蓝宝石、或SiC；所述成核层为AlN、GaN或AlGaN；所述缓冲层为GaN，所述沟道层为GaN；所述势垒层为复合InAlN势垒，包含两层结构，第一层为常规组分恒定的InAlN（In组分为0.16-0.19范围内某一个值，与GaN晶格匹配），第二层为组分渐变InAlN，其中In组分从下向上由0.16-0.19范围内某一个值渐变到0。本发明专利技术能避免对异质结界面的破坏，提高二维电子气的输运特性，与常规组分恒定的InAlN势垒层相比，这种InAlN势垒层In组分由下至上渐变到0，由InAlN合金渐变到AlN，具有更强的极化效应，能进一步提高沟道电子浓度。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化物高电子迁移率晶体管外延结构及其制备方法
本专利技术属于半导体单晶薄膜
，尤其涉及InAlN势垒层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构及其制备方法。
技术介绍
毫米波功率器件是微波通信等系统的关键部件，氮化镓（GaN）基高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）作为第三代宽禁带化合物半导体器件，具有高频、大功率的优异特性，使得它在微波通信领域有着重要的应用前景。众所周知，器件的栅长和器件的频率特性密切相关。在低频范围，器件的频率基本上与栅长成反比；随着栅长的缩短，特别是进入到毫米波段时，寄生电阻以及短沟道效应会显著制约器件频率的提升。抑制短沟道效应最根本的方式是从材料结构的优化上入手，利用极化和能带工程提高沟道电子的二维束缚特性以及增强栅对沟道电子的控制能力。对于传统的AlGaN/GaNHEMT结构，通常采用凹槽技术来降低栅下势垒层的厚度，提高栅长和势垒层厚度的纵横比（Lg/d），从而增强沟道电子栅控能力。然而栅挖槽对工艺控制的要求较高，且对势垒层表面的伤害较大，易引入新的缺陷。在提高沟道电子束缚特性方面，通常采用低Al组分（一般0.04左右）AlGaN作背势垒，形成AlGaN/GaN/AlGaN双异质结，在一定程度上提高了沟道电子的量子限制。但这种低组分的AlGaN在材料生长上难度较大，晶体质量较差，且导热性能不好。欧姆接触特性对器件的频率特性以及功率特性有很大的影响，这种影响在毫米波段尤为突出，成为影响器件性能的主要寄生电阻。AlGaN/GaNHEMT的源漏电极制作在AlGaN势垒上，需要采用高温退火的方法以形成良好的欧姆接触，为了降低欧姆接触电阻，通常需要提高退火温度，这将导致欧姆接触电极表面粗糙，边缘质量下降，从而限制了器件源漏间距的缩小以及器件耐压的提高。综上所述，不管是AlGaN/GaN单异质结还是AlGaN/GaN/AlGaN双异质结，都不能很好的满足毫米波功率器件的性能要求。N极性GaN/AlGaNHEMT是近几年迅速发展起来的新型器件结构。纤锌矿GaN根据生长方向及表面原子种类的不同，可以分为Ga极性（Ga面）及N极性（N面）两类。对于Ga极性材料，自发极化方向指向衬底，而N极性材料的自发极化方向为背离衬底。由于极性反转，N极性HEMT需要采用倒置的异质结构，即GaN沟道层位于AlGaN势垒层上方，才能在沟道层中极化产生二维电子气。正是这种倒置结构使得N极性HEMT具有Ga极性无可比拟的优势：一、源漏电极直接制作在GaN上，由于GaN比AlGaN禁带宽度小，因而具有较低的欧姆接触电阻；二、AlGaN势垒层在沟道层下方，形成天然的背势垒，加强了二维电子气的量子限制，提高了电子的输运性能和器件的夹断特性。除此之外，N极性HEMT表面GaN具有较低的表面态密度，能够显著抑制电流崩塌效应。沟道层可以设计得尽量薄，有助于提高器件纵横比（Lg/d），降低短沟道效应。因此，N极性GaN基HEMT非常适合制作毫米波功率器件。为了进一步增加N极性GaNHEMT的沟道电子浓度，研究人员采用InAlN作势垒，设计了GaN/InAlNHEMT结构。得益于InAlN较强的极化效应，这种结构理论二维电子气浓度比GaN/AlGaN结构高一倍以上。然而，和Ga极性InAlN/GaN结构InAlN势垒生长在GaN沟道层之上不同，N极性的GaN/InAlN结构InAlN势垒层生长在GaN沟道层下方，这种结构在材料生长工艺上有一定的难度。由于InN化学稳定性差，研究表明，在温度高于600℃时，InAlN合金中的InN易分解，温度越高，分解越显著。当温度达到1000℃以上时，生长的InAlN合金中In的组分极低，几乎为0。而MOCVD外延AlN及GaN需要较高的生长温度，通常在1000℃以上，以达到较好的结晶质量。由于InN、AlN两者存在较大外延工艺差异，为了折中考虑In的并入以及InAlN合金结晶质量，MOCVD外延InAlN通常采用800℃左右的生长温度。因而，生长完InAlN势垒后生长GaN沟道之前，必然要进行一个升温过程，升温会造成InAlN表面In原子的挥发，从而破坏表面形貌，恶化GaN/InAlN界面质量，降低沟道二维电子气的输运特性。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种氮化物高电子迁移率晶体管外延结构及其制备方法。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术提供的一种氮化物高电子迁移率晶体管外延结构及其生长方法，包括衬底层，该衬底层上从下至上依次生长有成核层、缓冲层、势垒层和沟道层，其中：所述衬底层为蓝宝石、或SiC；所述成核层为AlN、GaN或AlGaN；所述缓冲层为GaN，所述沟道层为GaN；所述势垒层为复合InAlN势垒，包含两层结构，第一层为常规组分恒定的InAlN（In组分为0.16-0.19范围内某一个值，与GaN晶格匹配），第二层为组分渐变InAlN，其中In组分从下向上由0.16-0.19范围内某一个值渐变到0。作为优选，所述复合InAlN势垒层第一层厚度为0-30nm，第二层厚度为5-20nm，总厚度为5-50nm。作为优选，所述沟道层厚度为5～30nm。作为优选，所述InAlN势垒层的生长温度是两段复合的，第一段为温度恒定的，约为700～850℃，第二段为温度渐变升高的，从约700～850℃渐变升高至约1000～1100℃。一种氮化物高电子迁移率晶体管外延结构的制备方法，包括以下步骤：a、利用MOCVD外延生长技术；b、首先升温至1050℃左右，对衬底进行烘烤或氮化处理5～10分钟；c、然后通入氨气、三甲基铝，在衬底层表面生长成核层；d、关闭三甲基铝，打开三甲基镓，继续通入氨气，生在N极性GaN缓冲层；e、关闭三甲基镓，降温至700～850℃稳定后，打开三甲基铝、三甲基铟，生长第一层InAlN势垒层；f、第一层InAlN生长结束后，保持源状态不变，渐变升高温度至1000～1100℃，生长第二层组分渐变InAlN势垒层；g、关闭三甲基铝、三甲基铟，打开三甲基镓，保持温度不变，生长GaN沟道层；h、生长完沟道层后，关闭三甲基镓，降温至室温。本专利技术提供的一种复合InAlN势垒层N极性GaNHEMT外延材料结构和制备方法；这种复合InAlN势垒层包括两层结构，第一层（下层）为组分恒定的InAlN（In组分为0.16-0.19范围内某一个值，与GaN晶格匹配），第二层（上层）为组分渐变InAlN（In组分由下至上从0.16-0.19范围内某一个值渐变到0）。利用高温降低In的并入效率这一研究结论，复合InAlN势垒层的生长温度亦采用两段复合的方式。即第一层组分恒定的InAlN层采用恒定的生长温度以保持组分稳定，第二层组分渐变的InAlN层采用生长温度渐变升高的外延工艺，实现InAlN组分渐变。在常规InAlN势垒层上方通过采用温度渐变升高工艺再生长一层组分渐变的InAlN势垒层，形成两层复合势垒代替常规的组分恒定的InAlN势垒。采用这种复合势垒，一方面，在后续生长GaN沟道层时不需要升温，这样避免对异质结界面的破坏，提高二维电子气的输运特性；另一方面，与常规组分恒定的InAlN势垒层相比，这种复合InAlN势垒层In组分由下至上渐变到0，由InAlN合金渐变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征在于：依次从下到上包括衬底层、成核层、缓冲层、势垒层和沟道层，所述衬底层为蓝宝石或SiC；所述成核层为AlN、GaN或AlGaN中的一种；所述缓冲层为GaN，所述沟道层为GaN；所述势垒层为复合InAlN势垒。

【技术特征摘要】
1.一种氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征在于：依次从下到上包括衬底层、成核层、缓冲层、势垒层和沟道层，所述衬底层为蓝宝石或SiC；所述成核层为AlN、GaN或AlGaN中的一种；所述缓冲层为GaN，所述沟道层为GaN；所述势垒层为复合InAlN势垒；所述复合InAlN势垒从下到上包含两层结构，第一层为常规组分恒定的InAlN，In组分取值范围为0.16-0.19，与GaN晶格匹配，第二层为组分渐变InAlN，其中In组分从下向上由0.16-0.19范围内某一个值渐变到0。2.根据权利要求1所述的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征在于：所述组分渐变N极性复合InAlN势垒层第一层厚度为0～30nm，第二层厚度为5-20nm，总厚度为5-50nm。3.根据权利要求1所述的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征在于：所述组分渐变N...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭大青，李忠辉，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32