一种InxAlyGa1‑x‑yN/GaN异质结构外延方法技术

本发明专利技术公布了一种高电学性能InxAlyGa1‑x‑yN/GaN异质结构外延方法，是在生长一层GaN外延层后，在其上生长GaN沟道层；然后停止生长，将温度降至低温，即600‑900℃温度范围内；待温度稳定后生长低温AlN插入层；随后再生长InxAlyGa1‑x‑yN势垒层，形成InxAlyGa1‑x‑yN/GaN异质结构。与现有的高温AlN插入层技术相比，本发明专利技术改为低温AlN插入层，避免了GaN外延层在高温AlN插入层生长环境下的表面退化，降低了界面的粗糙度，提高了异质结构材料的界面质量，进而提高2DEG的迁移率，十分适合于高频、高功率器件的研制。

A InxAlyGa1 x yN/GaN heterostructure epitaxial method

The invention discloses a high electrical performance of InxAlyGa1 x yN/GaN heterostructure epitaxial growth method, is in a layer of GaN epitaxial layer, the growth of GaN channel layer thereon; and then stop growing, the temperature dropped to low temperature, which is 600 900 degrees Celsius temperature range; when the temperature stability of low temperature AlN into growth then the growth of InxAlyGa1 layer; X yN barrier layer, the formation of InxAlyGa1 x yN/GaN heterostructure. Compared with the existing high temperature AlN insertion layer technology, the invention is low-temperature AlN interlayer, avoid GaN epitaxial layer into the surface layer of the growth environment degradation under high temperature AlN, reduces the interfacial roughness, improve the quality of the interface heterostructure materials, and improve the transfer rate moved to 2DEG, very suitable for the development of high frequency and high power devices.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体
，特别是涉及一种高电学性能InxAlyGa1-x-yN/GaN(0≤x≤0.8，0<y≤1.0，且x+y≤1.0)异质结构外延方法。
技术介绍
以III族氮化物为代表的第三代半导体具有高禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度以及强极化等优异的性质，特别是基于InAlGaN/GaN异质结构因其在较薄势垒层下可实现高浓度二维电子气(2DEG)特性，有望在高频、高温器件应用领域得到广泛应用，也因此使其成为国际上氮化物领域研究的热点之一。但是目前InAlGaN/GaN异质结构器件尚未得到实用化，主要是在材料质量方面存在一系列关键科学问题，特别是在高载流子浓度条件下，2DEG电子迁移率提升受到一定限制。而2DEG迁移率和浓度是表征GaN基异质结构材料质量的两个最重要指标，对于提高器件的输出功率密度以及频率特性具有重要作用。研究表明，界面粗糙度是限制2DEG提升的一个最主要原因。因此，如何通过界面控制提高界面质量，在高浓度2DEG条件下获得高迁移率的InAlGaN/GaN异质结构外延材料，是研制高频、高温电子器件需要解决的首要问题。目前，为了实现高迁移率的InAlGaN/GaN异质结构外延材料，国际上采用的方法主要是高温AlN插入层(>900℃)技术，如文献[1]M.Gonschork,etal.,Appl.Phys.Lett.89,062106(2006).和[2]D.Marti,etal.,IEEEElectronDeviceLett.37,1025(2016)中记载的方法。该技术主要是考虑到AlN的最佳生长环境是高温。然而，由于InAlGaN势垒层的最佳生长温度是低温(<900℃)，这样在生长完AlN后需要一个中断时间来降温和改变生长气氛，而这种中断过程会造成界面质量下降，影响迁移率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有InxAlyGa1-x-yN/GaN异质结构外延技术上的不足，提供了一种新型的高迁移率、高载流子浓度的InxAlyGa1-x-yN/GaN异质结构制备方法，即采用低温的AlN插入层，同时将中断改在AlN插入层前。采用该方法能够有效克服现有InxAlyGa1-x-yN/GaN异质结构界面质量差的技术难点，能大幅度提高InxAlyGa1-x-yN/GaN异质结构电学特性，因此，可显著提高GaN基高频、高功率电子器件的性能。本专利技术的技术方案如下：一种InxAlyGa1-x-yN/GaN异质结构的外延生长方法，在生长一层GaN外延层后，在其上生长GaN沟道层；然后停止生长，将温度降至低温，即600-900℃温度范围内；待温度稳定后生长低温AlN插入层；随后再生长InxAlyGa1-x-yN势垒层，形成InxAlyGa1-x-yN/GaN异质结构，其中x、y分别代表In、Al的原子摩尔比，0≤x≤0.8，0<y≤1.0，且x+y≤1.0。在上述方法中，优选的，所述GaN外延层生长温度为900-1100℃，生长压力为10-200mbar。GaN外延层的厚度一般为10nm-20μm。该GaN外延层起到提高晶体质量和表面形貌的作用。优选的，所述GaN沟道层的生长温度为900-1200℃，生长压力为10-200mbar。GaN沟道层的厚度一般为2nm-1.0μm，为二维电子气提供一个良好的输运通道。在GaN沟道层上生长AlN插入层，降低合金无序散射。AlN插入层的生长温度为600-900℃，生长压力为10-200mbar，生长厚度为0.5nm-3.0nm。优选的，所述InxAlyGa1-x-yN势垒层生长温度为600-900℃，生长压力为10-200mbar。InxAlyGa1-x-yN势垒层的厚度为2nm-50nm，与其下面的GaN沟道层和AlN插入层一起构成半导体异质结构，在其界面处形成高浓度的具有高迁移特性的二维电子气。本专利技术的方法可以是在衬底上生长成核层，再在成核层上依次生长高温GaN外延层、GaN沟道层、低温AlN插入层和InxAlyGa1-x-yN势垒层；也可以先在成核层上外延生长AlGaN作为应力和缺陷控制层，然后再依次生长高温GaN外延层、GaN沟道层、低温AlN插入层和InxAlyGa1-x-yN势垒层。所述衬底可以是单晶硅衬底，也可以是单晶碳化硅衬底和蓝宝石衬底。其中，硅的晶向可以是硅(111)、硅(100)、硅(110)等。所述成核层是AlGaN成核层或AlN成核层。成核层的生长温度为600-1200℃，生长压力为10-200mbar，生长厚度为10nm-2μm。所述AlGaN应力和缺陷控制层的生长温度为900-1200℃，生长压力为10-200mbar，生长厚度为10nm-10μm，铝的摩尔组分为10-50％，该层起到调控应力和抑制缺陷的作用。上述成核层、GaN外延层、GaN沟道层、AlN插入层和InxAlyGa1-x-yN势垒层的生长方法可以选择金属有机化合物气相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)和化学气相沉积(CVD)中的一种，优先选择金属有机化合物气相外延。本专利技术采用独特的低温AlN插入层，进一步通过精确控制生长条件，如温度、压力等，有效地降低了界面的粗糙度，提高了异质结构材料的界面质量，进而提高2DEG的迁移率。在本专利技术的一个实施例中制备的InAlGaN/GaN异质结构室温下二维电子气(2DEG)迁移率μ＝1620cm2/V.s，载流子浓度n＝2.0E13/cm2，低温下(77K)迁移率μ＝8260cm2/V.s，载流子浓度n＝2.0E13/cm2。与现有的高温AlN插入层技术相比，本专利技术改为低温AlN插入层，避免了GaN外延层在高温AlN插入层生长环境下的表面退化，降低了界面的粗糙度，提高了异质结构材料的界面质量，进而提高2DEG的迁移率，十分适合于高频、高功率器件的研制。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术提供了一种高电学性能的InxAlyGa1-x-yN/GaN异质结构外延生长方法，其关键在于结构上采用独特的低温AlN插入层，通过精确控制生长条件，如温度、压力、厚度等，有效降低了GaN外延层、AlN插入层和InxAlyGa1-x-yN势垒层之间的粗糙度，提高了异质结构材料的界面质量。实施例1：(1)选择一种单晶硅衬底，硅的晶向可以是硅(111)、硅(100)、硅(110)等；(2)在单晶衬底上生长铝氮作为成核层，生长温度为600-1200℃，生长压力为10-200mbar，生长厚度为10nm-2μm；(3)在成核层上外延生长铝镓氮作为应力和缺陷控制层，生长温度为900-1200℃，生长压力为10-200mbar，生长厚度为10nm-10μm，铝的摩尔组分为23％，该层起到调控应力和抑制缺陷的作用；(4)在应力和缺陷控制层上生长氮化镓外延层，生长温度为900-1100℃，生长压力为10-200mbar，厚度为10nm-20μm，氮化镓外延层起到提高晶体质量和表面形貌的作用；(5)在氮化镓外延层上生长氮化镓沟道层，生长温度为900-1200℃，生长压力为10-200mbar，厚度为2nm-1.0μm，为二维电子气提供一个良好的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种InxAlyGa1‑x‑yN/GaN异质结构的外延生长方法，其特征在于，在生长一层GaN外延层后，在其上生长GaN沟道层；然后停止生长，将温度降至低温，即600‑900℃温度范围内；待温度稳定后生长低温AlN插入层；随后再生长InxAlyGa1‑x‑yN势垒层，形成InxAlyGa1‑x‑yN/GaN异质结构，其中0≤x≤0.8，0<y≤1.0，且x+y≤1.0。

【技术特征摘要】
1.一种InxAlyGa1-x-yN/GaN异质结构的外延生长方法，其特征在于，在生长一层GaN外延层后，在其上生长GaN沟道层；然后停止生长，将温度降至低温，即600-900℃温度范围内；待温度稳定后生长低温AlN插入层；随后再生长InxAlyGa1-x-yN势垒层，形成InxAlyGa1-x-yN/GaN异质结构，其中0≤x≤0.8，0<y≤1.0，且x+y≤1.0。2.如权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，生长GaN外延层的温度为900-1100℃，压力为10-200mbar。3.如权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，生长GaN沟道层的温度为900-1200℃，压力为10-200mbar。4.如权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，生长低温AlN插入层的温度为600-900℃，压力为10-200mbar。5.如权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，生长InxAlyGa1-x-yN势垒层的温度为600-900℃，生长压力为10-200mbar。6.如权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，所述GaN外延层的生长厚度为10nm-20μm，GaN沟道层的生长厚度为2nm-1.0μm，AlN插入层的生长厚度为0.5nm-3.0nm，InxAlyGa1-x-yN...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨学林，沈波，张洁，程建朋，冯玉霞，纪攀峰，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11