GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜及其纳米外延过生长方法技术

本发明专利技术公开了GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜的纳米外延过生长方法，包括：(1)采用MOCVD方法在Si衬底上生长AlN成核层；(2)采用MOCVD方法在AlN成核层上外延生长GaN外延层；(3)在GaN薄膜层上沉积SiO2薄膜；(4)采用纳米压印的方法在SiO2薄膜制作长条形图案，得到具有长条形窗口区的掩模层；(5)采用MOCVD方法从窗口区外延过生长GaN膜，掩模区上方被GaN膜铺满，直至生长得到连续的GaN膜，得到过生长GaN外延层。本发明专利技术还公开了GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜。本发明专利技术解决了现有技术中在Si衬底上生长的GaN薄膜位错密度太高，GaN HEMT电子器件电阻高的问题。

GaN thin film of GaN high electron mobility transistor and nano epitaxial overgrowth method thereof

The present invention discloses nano epitaxial GaN films GaN high electron mobility transistor over growth methods, including: (1) grown on Si substrate AlN nucleation layer by MOCVD method; (2) the epitaxial growth of GaN epitaxial layer in AlN nuclear layer by MOCVD method; (3) in the deposition of SiO2 thin films GaN film layer; (4) using the method of making nano imprint strip pattern in SiO2 film, obtained the mask layer with an elongated window area; (5) using MOCVD method from the window area of epitaxial overgrowth of GaN film, the mask is covered with film over the GaN, until the continuous growth of GaN film. Had the growth of GaN. The invention also discloses a gallium nitride film of a GaN high electron mobility transistor. The invention solves the problem of dislocation density GaN thin films grown on Si substrates is too high, GaN HEMT electronic devices, the problem of high resistance.

【技术实现步骤摘要】
GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜及其纳米外延过生长方法
本专利技术涉及低电阻的高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜，特别涉及GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜及其纳米外延过生长方法。
技术介绍
GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件是一种基于宽禁带半导体材料的电力电子器件。通过形成外延的AlGaN/GaN异质结，极化电场有效的调制了GaN的能带结构以及电荷的分布。这导致高电子迁移率晶体管在未人为掺杂的情况下，也能够形成面密度达1013cm-2的二维电子气。因为在材料中没有掺杂，电子在GaN的理论迁移率超过2000cm2/Vs。这就使得GaNHEMT理论上具有低导通电阻和高工作频率的特点。能够满足新一代电力电子器件对更大功率、更高频率、更小体积和高温工作条件的要求，在电力电子应用领域具有非常大的潜力。目前阻碍GaNHEMT器件完全取代现有硅(Si)基电子器件的一个主要原因是高昂的生产成本。使用Si作为外延的衬底材料能够大幅度的减小GaNHEMT器件的材料成本，使得GaNHEMT的生产成本与现有Si基电子器件的生产成本相近。然而，在Si衬底上生长高质量的GaN薄膜存在技术上的困难。目前在Si衬底上外延生长的GaN薄膜层的位错密度很高，一般在109cm-2到1010cm-2左右。GaN薄膜层的位错至少从两个方面影响了GaNHEMT器件的性能。当电子横穿位错时，位错会对电子起到散射作用，从而降低了HEMT器件的电导。另一方面，薄膜层内的位错会导致GaN材料表面的粗糙度上升。薄膜表面的粗糙度对HEMT器件的电导影响很敏感。粗糙度越高，电导越低。所以一种能够显著降低在Si衬底上GaN薄膜层的位错密度的方法对于GaNHEMT器件的广泛应用具有重大的意义。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜的纳米外延过生长方法，解决了现有技术中在Si衬底上生长的GaN薄膜位错密度太高，GaNHEMT电子器件电阻高的问题。本专利技术的另一目的在于提供一种GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜，位错密度低，电阻值低。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜的纳米外延过生长方法，包括以下步骤：(1)采用MOCVD方法在Si衬底上生长AlN成核层；(2)采用MOCVD方法在AlN成核层上外延生长GaN外延层；(3)在GaN薄膜层上沉积SiO2薄膜；(4)采用纳米压印的方法在SiO2薄膜上制作长条形图案，得到具有长条形窗口区的掩模层；所述长条形窗口区的长度方向与GaN高电子迁移率晶体管的电流方向平行；(5)采用MOCVD方法从窗口区外延过生长GaN膜，掩模区上方被GaN膜铺满，直至生长得到连续的GaN膜，即过生长GaN外延层。步骤(4)所述掩模层的窗口区宽度小于200nm，掩模区的宽度为100nm～2000nm。步骤(1)所述采用MOCVD方法在Si衬底上生长AlN成核层，具体为：以TMAl，NH3作为反应气体，首先将V/III束流比设定在1000～2000生长30～60nm的第一AlN层，然后再将V/III束流比减少到500～800生长20～80nm厚度的第二AlN层，所述第一AlN层和第二AlN层形成AlN成核层。步骤(2)所述采用MOCVD方法在AlN成核层上外延生长GaN薄膜层，具体为：以TMGa，NH3作为反应气体，生长过程中，TMGa流速110～200μmol/min，V/III束流比设定为3000～6000，生长1μm～2μm的GaN薄膜。步骤(3)所述在GaN薄膜层上沉积SiO2薄膜，具体为：采用CVD法在GaN薄膜层上沉积50～100nmSiO2薄膜。步骤(5)中，以TMGa，NH3作为反应气体，从窗口区外延过生长GaN膜，掩模区上方被GaN膜铺满，反应直至成1μm～2μm的连续GaN膜。GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜，由下至上依次包括Si衬底、AlN成核层、GaN外延层、SiO2薄膜掩模层、过生长GaN外延层；所述SiO2薄膜掩模层上设有长条形窗口区，所述长条形窗口区的长度方向与GaN高电子迁移率晶体管的电流方向平行。所述掩模层的窗口区宽度小于200nm，掩模区的宽度为100nm～2000nm。所述AlN成核层包括第一AlN层和第二AlN层，所述第一AlN层的厚度为30～60nm，所述第二AlN层的厚度为20～80nm。所述GaN外延层的厚度为1μm～2μm；所述过生长GaN外延层的厚度为1μm～2μm。本专利技术的原理为：本专利技术采用了纳米级别的窗口(<200nm)，引入了位错过滤的新的物理机制。当GaN从纳米尺度的窗口中生长，因为离界面很近，GaN中的位错会受到界面的镜像力的作用，弯曲终止于界面或湮灭于界面。因此，从窗口生长出来的GaN的位错密度大大减小。这就是位错过滤的机制。由于掩膜层的材料(如SiO2)难以让GaN成核，在外延生长时，只有在窗口区内GaN才能成核生长。当窗口区的GaN生长超过掩膜层的厚度，发生横向生长。横向生长一定程度后，从相邻的窗口生长出来的GaN就会在掩膜层上相遇。在相遇的界面因为晶格的取向失配会形成一定量的新的位错。然而，因为GaN在掩模层上生长方向与电流方向垂直，新的位错与电流方向平行。因此，新产生的位错对GaNHEMT的电流没有散射作用。总结来说，和现有的方法相比，垂直电流方向纳米过生长氮化镓薄膜的方法一方面在窗口区和掩模区的上方大大减少了原来位错的密度。这样既可以减少GaNHEMT器件里位错对电子的散射，又可以减少GaN界面的粗糙度。另一方面，在掩模层上新产生的位错不会导致GaNHEMT电导的下降。从而实现了在Si衬底上制备低电阻的GaNHEMT电子器件。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：本专利技术利用纳米尺度下位错过滤的机制和电流与位错平行时不被散射的原理，采用纳米外延过生长氮化镓薄膜的方法在Si衬底上生长出低位错的GaN薄膜，位错密度低于108cm-2；同时采用外延生长方向垂直于电流方向，进一步降低了GaNHEMT器件的电阻。附图说明图1为本专利技术的实施例1的GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜的纳米外延过生长方法的步骤(4)得到样品的示意图。图2为本专利技术的实施例1的GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜的截面示意图。图3为本专利技术的实施例1的GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜的CL表面形貌图。图4为本专利技术的实施例1的GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜的TEM截面图。具体实施方式下面结合实施例，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1本实施例的GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜的生长方法，包括以下步骤：(1)采用MOCVD方法在Si衬底上生长AlN成核层。用TMAl，NH3作为反应气体。MOCVD生长过程中，Si衬底温度为1050℃。TMAl的流速是400μmol/min。首先将V/III比设定在2000生长60nmAlN层，然后再将V/III减少到800生长60nmAlN层。(2)采用MOCVD方法在AlN成核层上外延生长的GaN外延层。用TMGa，NH3作为反应气体。MOCVD生长过程中，衬底温度为1030℃，反应气体TMGa流速110μ本文档来自技高网...

【技术保护点】
GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜的纳米外延过生长方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用MOCVD方法在Si衬底上生长AlN成核层；(2)采用MOCVD方法在AlN成核层上外延生长GaN外延层；(3)在GaN薄膜层上沉积SiO2薄膜；(4)采用纳米压印的方法在SiO2薄膜上制作长条形图案，得到具有长条形窗口区的掩模层；所述长条形窗口区的长度方向与GaN高电子迁移率晶体管的电流方向平行；(5)采用MOCVD方法从窗口区外延过生长GaN膜，掩模区上方被GaN膜铺满，直至生长得到连续的GaN膜，即过生长GaN外延层。

【技术特征摘要】
1.GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜的纳米外延过生长方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用MOCVD方法在Si衬底上生长AlN成核层；(2)采用MOCVD方法在AlN成核层上外延生长GaN外延层；(3)在GaN薄膜层上沉积SiO2薄膜；(4)采用纳米压印的方法在SiO2薄膜上制作长条形图案，得到具有长条形窗口区的掩模层；所述长条形窗口区的长度方向与GaN高电子迁移率晶体管的电流方向平行；(5)采用MOCVD方法从窗口区外延过生长GaN膜，掩模区上方被GaN膜铺满，直至生长得到连续的GaN膜，即过生长GaN外延层。2.GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜的纳米外延过生长方法，其特征在于，步骤(4)所述掩模层的窗口区宽度小于200nm，掩模区的宽度为100nm～2000nm。3.根据权利要求1所述的GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜的纳米外延过生长方法，其特征在于，步骤(1)所述采用MOCVD方法在Si衬底上生长AlN成核层，具体为：以TMAl，NH3作为反应气体，首先将V/III束流比设定在1000～2000生长30～60nm的第一AlN层，然后再将V/III束流比减少到500～800生长20～80nm厚度的第二AlN层，所述第一AlN层和第二AlN层形成AlN成核层。4.根据权利要求1所述的GaN高电子迁移率晶体管的氮化镓薄膜的纳米外延过生长方法，其特征在于，步骤(2)所述采用MOCVD方法在AlN成核层上外延生长GaN外延层，具体为：以TMGa，NH3作为反应气体，生长过程中，TMGa流速1...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘智崑，李国强，李媛，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44