一种用于硅衬底集成mHEMT器件的外延层结构及其生长方法技术

本发明专利技术公开了一种用于硅衬底集成mHEMT器件的外延层结构及其生长方法，属于高性能半导体集成的技术领域。外延层结构，包括：P型硅衬底，以及，在P型硅衬底层上依次生长形成的：GaAs成核层、第六缓冲层、第五缓冲层、InGaAs应力释放层、第四缓存层、第三缓冲层、第二缓存层、第一缓冲层、InGaAs沟道层、InAlAs隔离层、硅delta掺杂层、InAlAs势垒层、重掺杂了硅的InGaAs帽层，第一缓冲层为高温InAlAs缓冲层，第二缓冲层为低温变组分InAlAs缓存层，第五缓冲层、第三缓冲层均为高温InP缓冲层，第六缓冲层、第四缓冲层均为低温InP缓冲层。利用本发明专利技术的外延层结构成功外延了二维电子气浓度高且沟道电子迁移率大的mHEMT器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了，属于高性能半导体集成的

技术介绍
在目前集成电路领域里，硅是应用最为广泛的半导体材料，其中CMOS工艺是大规模集成电路的主流工艺，但是随着人们对高速芯片的需求越来越大，采用以传统的硅衬底器件来满足现代高速电路的需求已经达到了硅材料的性能极限。然而，在m-v族器件中，HEMT (高电子迀移率晶体管)具有独特的调制掺杂异质结，避免了电子受杂质的散射影响，从而使器件具有较高的速度。同时，m-v族器件跟硅器件相比，在同样的功耗上有更高的速度，在同样的速度下有更低的功耗，能充分满足现代高速通信的需求。因此硅衬底上实现高性能的化合物异质集成一直是研究人员和工业界追求的目标，一方面，该技术可以大大降低化合物器件的成本，另一方面，可以充分利用硅衬底材料与化合物材料的结合实现多功能器件和电路的融合，如光电一体、高压低压一体、数字微波融合等等，将为未来系统设计带来巨大的变革。因此，大尺寸、大失配硅衬底化合物半导体材料生长是未来化合物半导体跨越式发展的关键。硅衬底材料与II1-V族半导体材料之间存在三种主要“失配”，即晶格常数失配、热膨胀系数失配、晶体结构失配，因此在硅衬底上异质外延II1-V族材料将引入大量的位错与缺陷、热失配等使外延层的缺陷密度增加甚至产生裂纹，这将影响到硅衬底上制备m-v族器件的电子迀移率，导致器件性能下降。实现m-v族器件像硅衬底器件那样的大规模成熟的集成技术存在非常大的技术难点。因此在硅衬底上实现πι-v族器件的制备是应对硅衬底集成挑战的有效方法，同时也是满足高速电路需求的有效方法。现有技术中已经使用了多种方法来克服这个问题，比如生长缓冲层、晶格匹配缓冲层、组分渐变缓冲层和应变超晶格缓冲层等技术。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述
技术介绍
的不足，提供了，在生长出的外延层结构上制备的mHEMT器件具有二维电子气浓度高、沟道电子迀移率大、特征频率和振荡频率高，解决了在硅衬底上异质外延II1-V族材料引入大量的位错与缺陷、热失配等使外延层的缺陷密度增加甚至产生裂纹，这将影响到硅衬底上制备m-v族器件的电子迀移率，导致器件性能下降的技术问题。本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案: 一种用于硅衬底集成mHEMT器件的外延层结构，包括: P型硅衬底，以及，在P型娃衬底层上依次生长形成的:GaAs成核层、第六缓冲层、第五缓冲层、InGaAs应力释放层、第四缓存层、第三缓冲层、第二缓存层、第一缓冲层、InGaAs沟道层、InAlAs隔离层、硅del ta掺杂层、InAlAs势皇层、重掺杂了硅的InGaAs帽层，所述第一缓冲层为高温InAlAs缓冲层，第二缓冲层为低温变组分InAlAs缓存层，所述第五缓冲层、第三缓冲层均为高温InP缓冲层，所述第六缓冲层、第四缓冲层均为低温InP缓冲层。用于硅衬底集成mHEMT器件的外延层结构的生长方法，包括如下步骤: A、在P型硅衬底上生长GaAs成核层； B、在GaAs成核层上低温生长不掺杂的InP缓冲层做为第六缓冲层，生长温度为450度； C、在第六缓冲层缓冲层上高温生长不掺杂的InP缓冲层做为第五缓冲层，生长温度为500度； D、在第五缓冲层上生长不掺杂的InGaAs应力释放层，生长温度为670度； E、在不掺杂的InGaAs应力释放层上低温生长不掺杂的InP缓冲层做为第四缓冲层，生长温度为450度； F、在第四缓冲层上高温生长不掺杂的InP缓冲层作为第三缓冲层，生长温度为600度； G、在第三缓冲层上低温生长不掺杂的变组分InAlAs缓存层做为第二缓冲层，生长温度为525度； H、在第二缓存层上高温生长不掺杂的InAlAs缓冲层做为第一缓冲层，生长温度为670度； 1、在第一缓冲层上依次生长不掺杂的InGaAs沟道层、InAlAs隔离层、硅delta掺杂层、不掺杂的InAlAs势皇层、重掺杂了硅的InGaAs帽层。在硅衬底集成mHEMT器件的方法，包括如下步骤: 1、采用权利要求1的方法在硅衬底上生成外延层结构； 2、匀胶光刻保护外延层结构，采用离子注入法注入离子使得沟道层形成隔离，腐蚀帽层以形成样品的隔离台面； 3、匀胶光刻保护隔离台面，采用电子束蒸发台蒸发源金属和漏金属并形成样品的源漏欧姆接触； 4、采用三层电子束光刻、两次曝光、一次显影工艺形成样品的T型栅结构； 5、以制备的T型栅结构作为栅槽腐蚀掩膜层，腐蚀帽层以形成栅槽； 6、采用电子束蒸发台蒸发栅金属，退火处理栅金属使得栅金属与势皇层充分接触以形成埋层，剥离后形成样品的T型金属栅； 7、在形成T型金属栅后的样品上生长钝化层，匀胶光刻出测试窗口。进一步的，所述在硅衬底集成mHEMT器件的方法中，步骤2、步骤3、步骤4、步骤7中光刻之前对样品进行HMDS表面预处理。进一步的，所述在硅衬底集成mHEMT器件的方法，步骤2中利用的柠檬酸与双氧水混合溶液腐蚀帽层以形成样品的隔离台面，C6H8O7 = H2O2 =1:1，步骤5中利用稀盐、磷酸和冰乙酸混合溶液腐蚀帽层以形成栅槽，HCl: H3PO4: CH3COOH: H2O=1: 1:2:2。进一步的，所述在娃衬底集成mHEMT器件的方法中，步骤3采用电子束蒸发台自下而上蒸发N1、AuGe、N1、Au形成源金属和漏金属，步骤6采用电子束蒸发台自下而上蒸发Pt、T1、Pt、Au形成栅金属。进一步的，所述在硅衬底集成mHEMT器件的方法中，步骤4三层电子束光刻采用的三层胶自下而上分别为PMMA4、MMA-EL9和PMMA2。本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果: (1)本专利技术的硅衬底mHEMT(变组分高电子迀移率晶体管)器件材料利用变组分材料生长技术和新型的材料结构设计，解决硅衬底与II1-V族外延材料由于晶格常数失配、热膨胀系数失配、晶体结构失配等所产生的应力、缺陷和反相畴等问题，外延成功二维电子气浓度高和沟道电子迀移率大的mHEMT材料，结合硅工艺技术和m-V族半导体材料的优良性能，实现了在硅衬底II1-V族异质集成技术； (2)本专利技术还在新型的缓冲层生长技术的衬底础上，采用离子注入与湿法腐蚀相结合的台面隔离技术，独特的三层电子束光刻胶，两次曝光，一次显影的T型栅制造技术制造出150nm栅长器件。器件跨导为641ms/mm、漏极输出饱和电流密度为925mA/mm，截止频率为235GHz，最大振荡频率为260GHz。【附图说明】图1是一种硅衬底mHEMT外延材料结构图。图2是一种硅衬底mHEMT欧姆接触形貌光学照片。图3是一种栅长150纳米硅衬底mHEMT的T型栅扫描电子显微镜图。图4是一种栅长150纳米硅衬底mHEMT输出特性曲线图。图5是一种栅长150纳米硅衬底mHEMT转移特性曲线图。图6是一种栅长150纳米硅衬底mHEMT特征频率与最大振荡频率曲线图。【具体实施方式】下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明。 一种用于硅衬底集成的mHEMT器件及其制备方法，包括如下步骤: 步骤一:外延材料生长。所述衬底于硅衬底集成的mHEMT器件材料结构，采用铟镓砷/铟铝砷异质结结构，在P型100硅衬底材料上，应用高低温生长技术和缓变生长技术生长InP和InAlA本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于硅衬底集成mHEMT器件的外延层结构，其特征在于，包括：P型硅衬底，以及，在P型硅衬底层上依次生长形成的：GaAs成核层、第六缓冲层、第五缓冲层、InGaAs应力释放层、第四缓存层、第三缓冲层、第二缓存层、第一缓冲层、InGaAs沟道层、InAlAs隔离层、硅delta掺杂层、InAlAs势垒层、重掺杂了硅的InGaAs帽层，所述第一缓冲层为高温InAlAs缓冲层，第二缓冲层为低温变组分InAlAs缓存层，所述第五缓冲层、第三缓冲层均为高温InP缓冲层，所述第六缓冲层、第四缓冲层均为低温InP缓冲层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于宗光，马慧红，李海欧，黄伟，王成，顾爱军，唐剑平，
申请(专利权)人：无锡中微晶园电子有限公司，中国电子科技集团公司第五十八研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32