本发明专利技术提供一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)的方法，尤其涉及一种采用炭纳米管作为周期性介质掩膜，采用选区外延(SAG)方法制备无龟裂、高晶体质量的AlGaN/GaN HEMT器件方法。在Si衬底上采用金属有机化学气相外延技术生长AlN成核层和AlGaN籽晶层；然后采用低压化学气相沉积法(LPCVD)，生长排列整齐的多层碳纳米管，通过生长和编织，最终形成连续的碳纳米管薄膜；在此基础上采用选区外延(SAG)方法，利用GaN在介质掩膜和衬底上生长的选择性，把GaN外延层限制在没有隐蔽膜的区域中生长，形成分立的窗口，从而释放整个外延层中的张应力；采用多周期Al组分渐变的Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格或AlN/Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格作为应力调控层，获得无龟裂、高晶体质量的GaN外延层。在此基础上制备AlGaN/GaN HEMT器件。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率晶体管(HEMT, high electron mobility transistor)的方法。尤其涉及一种采用炭纳米管作为周期性介质掩膜，采用选区生长，(selective area growth, SAG)方法制备无龟裂、高晶体质量的AlGaN/GaN HEMT器件方法，属于半导体光电子
技术介绍
高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)，又称调制掺杂场效应晶体管(M0DFET，modulat1n-doped field effect transistor),是一种以衬底材料与另一种宽带材料形成的异质界面的二维电子气导电的场效应晶体管(FET)。因其沟道中无杂质，基本上不存在电离杂质散射对电子运动的影响，因此电子迁移率更高而得名。HEMT的工作原理是通过控制删极电压的变化使源极、漏极之间的沟道电流产生相应的变化，从而达到放大信号的目的。其优点是具有高的频率和低的噪声特性。HEMT现已用于卫星电视、移动通信、军事通信和雷达系统的接收电路中。自1980年GaAs基HEMT研制成功以来，得到了很快的发展。GaAs基HEMT在射频、微波及毫米波低频段已得到广泛的应用。InP器件比GaAs HEMT有更高的工作频率和更低的噪声，用于毫米波高频段和亚毫米波频段。GaN HEMT器件的特点是耐高温、大功率，有着巨大的应用前景，特别是在10-40GHZ占据优势地位。AlGaN/GaN HEMT由于作为沟道层的GaN带隙宽度大(3.4eV)、击穿电压高(3.3MV/cm)、饱和电子速度大(2.8*107s ')和二维电子气面密度高(1013cm2)等特性，导致GaN基HEMT的研究向更高工作频率、更大输出功率、更高工作温度和实用化方向发展。GaN基HEMT还可以用于高速开关集成电路和高压DC-DC变换器方面。AlGaN/GaN HEMT生长在半绝缘的(0001)Si面SiC或(0001)蓝宝石衬底上，在核化层后生长一层半绝缘的GaN(约2μπι)沟道层，接着生长不掺杂的AlGaN隔离层，掺Si的AlGaN和不掺杂的AlGaN势垒层。二维电子气形成在沟道层/隔离层界面。Si衬底尺寸大、价廉可以降低外延生长成本。对比硬度大、导热差的绝热蓝宝石衬底，简化衬底减薄等加工工艺，降低器件制作工艺成本。在Si 上金属有机物气相外延(metalorganic vapor phase epitaxy, M0VPE)生长GaN的难点在于:GaN纤维锌矿结构的(0001)与金刚石结构的Si (111)衬底的晶格失配为20.4%,会产生大量的位错；GaN与Si之间的热失配高达56%，外延生长结束后的降温工程中，外延层将承受很大的张应力。由于外延层厚度远小于衬底厚度，所以在外延层中会产生微裂纹，严重影响GaN器件特性。Si衬底上直接生长GaN时，NH3容易与衬底Si发生反应而在衬底表面形成非晶态的SiN，影响GaN的生长质量。金属Ga与衬底Si之间也有很强的化学反应，会对衬底造成回溶，从而破坏界面的平整。在高温生长时，衬底中的Si会扩散至缓冲层表面，如果控制不当，将会影响GaN的生长模式，从而破坏晶体质量。此外由于Si是非极性半导体，在其上生长GaN、A1N或其他极性半导体时将会产生一些化合物极性相关的问题。采用合适的缓冲层是解决Si衬底生长GaN时晶格失配、Si扩散和极性问题的有效手段，同时在一定程度上也可以缓解薄膜中的应力。为此人们尝试过许多方法，如AlAs、A1N、以及AlGaN/AIN等复合缓冲层。其中A1N结果最好，其主要优点是既可以和GaN在同一反应室进行生长，又可以避免高温生长时SiN的形成。根据其应力释放机理提出许多解决方法:(1)缓冲层应力补偿法:通过缓冲层对上层GaN提供一个压应力来补偿热失配造成的张应力。如采用5个梯度的AlxGai xN(x = 0.87,0.67,0.47,0.27和0.07)缓冲层，结果表明龟裂密度明显减少，且光学特性也有较大提高。(2)插入层应力剪裁法:通过插入层来调节薄膜内部的应力状态，或阻挡由于热失配从衬底传入的张应力的传播。如超晶格插入层法:插入10个周期的AlN/GaN超晶格作插入层，生长GaN总厚度为2 μ m,随着超晶格插入层层数的增加，张应变减少。TEM显示位错密度随厚度变化而减小。然而采用目前主流的插入层方法不能够完全消除应力，且存在缺陷密度大，翘曲等问题。况且降低GaN位错密度有效的常规ELOG (epitaxial lateral overgrowth, ELOG)技术难于应用到AlGaN上，因为A1原子在生长表面的迁移能力较差，AlGaN会在掩膜上沉积。本专利技术，在大尺寸Si衬底上，采用炭纳米管作为周期性介质掩膜，采用选区外延(SAG)方法制备无龟裂、高晶体质量的AlGaN/GaN HEMT器件，不仅可以有效地解决至今技术中仍存在的不良应力及缺陷，有效地缓解翘曲。
技术实现思路
本专利技术提供一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)的方法，本专利技术的技术方案如下:在Si衬底上，(1)采用金属有机化学气相外延技术生长A1N成核层和AlGaN籽晶层。(2)然后采用低压化学气相沉积法(LPCVD,Low Pressure ChemicalVapor Deposit1n),采用乙炔作为载气，同时采用5nm的Fe作为催化剂，生长排列整齐的多层碳纳米管。生长后的碳纳米管直径为15nm。通过生长和编织，最终由平行排列的碳纳米管阵列可以形成连续的碳纳米管薄膜。(3)在此基础上采用选区外延(SAG)方法，利用GaN在介质掩膜和衬底上生长的选择性，把GaN外延层限制在没有隐蔽膜的区域中生长，形成分立的窗口，利用“受控小平面生长工艺”使位错弯曲，从而在整个面积上降低穿透位错密度，释放整个外延层中的张应力，获得无龟裂、高晶体质量的GaN外延层。(4)在此基础上生长多周期A1组分渐变的AlylGai ylN/GaN超晶格或AlN/AlylGai ylN/GaN超晶格作为应力调控层。(5)最终制备AlGaN/GaN HEMT器件。该方法包括以下步骤:步骤一，在金属有机化合物气相外延反应室中，在氢气(?)气氛下，在Si衬底上，温度1000°C?1500°C下，通入TMA1作为III族源，NH3作为V族源，生长0.1?0.5微米厚A1N成核层；在此基础上，温度1000°C?1500°C下，通入TMAl、TMGa作为III族源，见13作为V族源，生长0.1?1微米厚AlGaN籽晶层。步骤二，采用低压化学气相沉积法(LPCVD)生长排列整齐的多层碳纳米管。在生长过程中，采用乙炔作为载气，同时采用Fe作为催化剂。生长后的碳纳米管直径为15nm。通过生长和编织，最终由平行排列的碳纳米管阵列形成连续的碳纳米管薄膜。步骤三，在氢气(?)气氛下，在1000°C?1500°C下，通入TMGa作为III族源，NH3作为V族源，在此基础上采用选区外延(SAG)方法，利用GaN在介质掩膜和衬底上生长的选择性，把GaN外延层限制在没有隐蔽膜的区域中生长，形成分立的窗口，释放整个外延层中的张应力，生长0.1?1微米GaN合并层。步骤四，在氢本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)的方法。使用三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)作为III族源，氨气(NH3)作为V族源，硅烷(SiH4)作为n型掺杂源，在Si衬底上，先生长AlN成核层和AlGaN籽晶层。在此基础上创造性采用炭纳米管作为周期性介质掩膜，采用选区外延(SAG)方法，获得无龟裂、高晶体质量的GaN外延层，并进一步制备AlGaN/GaN HEMT器件。该方法包括以下步骤：步骤一，在金属有机化合物气相外延反应室中，在氢气(H2)气氛下，在Si衬底上，温度1000℃～1500℃下，通入TMAl作为III族源，NH3作为V族源，生长0.1～0.5微米厚AlN成核层；在此基础上，温度1000℃～1500℃下，通入TMAl、TMGa作为III族源，NH3作为V族源，生长0.1～1微米厚AlGaN籽晶层。步骤二，采用低压化学气相沉积法(LPCVD)生长排列整齐的多层碳纳米管。在生长过程中，采用乙炔作为载气，同时采用Fe作为催化剂。生长后的碳纳米管直径为15nm。通过生长和编织，最终由平行排列的碳纳米管阵列形成连续的碳纳米管薄膜。步骤三，在氢气(H2)气氛下，在1000℃～1500℃下,通入TMGa作为III族源，NH3作为V族源生长0.1～1微米GaN合并层。步骤四，在氢气(H2)气氛下，在1000℃～1500℃下,通入TMGa、TMAl作为III族源，NH3作为V族源生长多周期非对称结构的Al组分梯度渐变的Aly1Ga1‑y1N/GaN超晶格插入层，作为应力调控层。步骤五，在氢气(H2)气氛下，在1050℃～1200℃下,通入TMGa作为III族源，NH3作为V族源生长2～4微米厚GaN半绝缘层。接着通入TMGa、TMAl作为III族源，NH3作为V族源，SiH4作为n型掺杂源生长不掺杂的5nm～15nm AlGaN隔离层，10nm～20nm掺Si的AlGaN和不掺杂的AlGaN势垒层。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张国义，贾传宇，
申请(专利权)人：东莞市中镓半导体科技有限公司，北京大学，
类型：发明
国别省市：广东;44
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