分子束外延生长蓝宝石基AlGaN/GaN异质结结构的方法技术

本发明专利技术公开了一种分子束外延生长蓝宝石基AlGaN/GaN异质结结构的方法，使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在衬底上同质外延一层GaN外延层，使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在GaN外延层上外延AlN插入层；使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在AlN插入层上外延一层AlxGa(1‑x)N层；使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在AlxGa(1‑x)N层上外延一层GaN盖帽层。本发明专利技术采用分子束外延技术在GaN外延层与AlxGa(1‑x)N薄膜层之间生长不同厚度AlN插入层，能够优化AlxGa(1‑x)N/AlN/GaN异质结中二维电子气低温输运的特性问题。

Growth of Sapphire-based AlGaN/GaN Heterojunctions by Molecular Beam Epitaxy

【技术实现步骤摘要】
分子束外延生长蓝宝石基AlGaN/GaN异质结结构的方法
本专利技术涉及一种分子束外延生长蓝宝石基AlGaN/GaN异质结结构的方法，属于半导体材料

技术介绍
Ⅲ族氮化物半导体材料主要是指InN、GaN、AlN及其组成的三元、四元合金材料。第三代半导体材料，相对于第一代半导体材料Si、Ge材料体系和第二代半导体AlGaAs材料体系，具有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好、耐化学腐蚀等优良的性质(文献1：王党会.Ⅲ族氮化物半导体外延层薄膜的生长与表征研究[D].西安电子科技大学,2012)。GaN/AlGaN异质结结构由于自发极化与压电极化影响会在GaN与AlGaN表面形成二维电子气，从而体现优异的载流子输运特性，可以应用于高电子迁移率晶体管，起到优异的开关性能和频谱特性。相比于已经产业化的成熟的金属有机化学气相沉积外延GaN/AlGaN异质结结构而言，分子束外延由于外延生长速率慢真空度要求高，外延生长操作复杂只适用于实验室研究，但是MBE外延生长温度低、生长速率慢等特点，使得外延厚度、掺杂量和组分可以做到精确控制，尤其是生长超薄AlN插入层非常有利。超薄AlN插入层有利于提高AlGaN势垒层和GaN沟道层有效导带带阶，加深势阱和提高二维电子气限域性(文献2：李诚瞻.AlN插入层与AlGaN/GaNHEMT电流崩塌效应的关系[j].半导体学报.2006.27(6):1055-1058)。低温情况下，根据二维简并统计的动量驰豫模型(文献3：Dziuba.MagneticfielddependentHalldataanalysisofelectrontransportinmodulation-dopedAlGaN/GaNheterostructures[J].JOURNALOFAPPLIEDPHYSICS,1997,82(6):2996-3002)，异质结载流子浓度主要有二维电子气提供，40K以内表征载流子输运特性的迁移率几乎不随温度变化而变化，迁移率主要由声学波散射、压电散射、合金无序散射、界面粗糙度散射等表征异质结外延特性的散射机制构成。综上所述，在已有的国内外文献和专利中，很少有使用MBE外延优化具有AlN插入层的蓝宝石基AlxGa(1-x)N/AlN/GaN异质结结构低温输运特性案例报道。因此，使用MBE外延优化具有AlN插入层的蓝宝石基AlxGa(1-x)N/AlN/GaN异质结结构低温输运特性具有重要的技术价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种分子束外延生长蓝宝石基AlGaN/GaN异质结结构的方法。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种分子束外延生长蓝宝石基AlGaN/GaN异质结结构的方法，包括以下步骤：1)在衬底背面蒸镀一层Ti，对衬底进行预处理；2)使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在衬底上同质外延一层GaN外延层；3)使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在GaN外延层上外延厚度渐变的AlN插入层，厚度为1.19-3.57nm；4)使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在AlN插入层上外延一层AlxGa(1-x)N层；5)使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在AlxGa(1-x)N层上外延一层GaN盖帽层；6)除掉样品表面MBE(分子束外延)外延生长的Ga球；7)使用减薄抛光技术，去除掉衬底预处理生长的Ti。优选的，步骤3)中，外延AlN插入层的生长参数是：生长温度为820-850℃，Al源束流流量为6×10-8Torr，氮气的流量为0.6-0.8sccm，等离子发生器的射频功率为420-470W，生长时间由20s变化到1min。优选的，步骤2)中GaN外延层生长参数是：生长温度为820-850℃，Ga源束流流量为5.63×10-8Torr，氮气的流量为0.6-0.8sccm，等离子发生器的射频功率为420-470W，生长时间是3h，GaN外延层的厚度为610nm。优选的，步骤4)中，外延AlxGa(1-x)N薄膜的生长参数为：生长温度为820-850℃，Ga源束流流量为5.63×10-8Torr，Al源束流流量为6×10-8Torr，氮气的流量为0.6-0.8sccm，等离子发生器的射频功率为420-470W，生长时间为7min，AlxGa(1-x)N薄膜的Al组分x为0.2421，厚度为20.2nm。优选的，步骤5)中，外延GaN盖帽层生长参数是：生长温度为820-850℃，Ga源束流流量为5.63×10-8Torr，氮气的流量为0.6-0.8sccm，等离子发生器的射频功率为420-470W，生长时间是1min，GaN盖帽层厚度为6.13nm。优选的，步骤6)中，依次使用丙酮、酒精和去离子水超声处理去除Ga球。优选的，步骤1)中Ti厚度为1.3um，对衬底的预处理为依次使用丙酮、乙醇和去离子水对衬底进行超声清洗。优选的，步骤7)中，使用减薄机减薄衬底背面20um可以保证去掉衬底预处理的Ti，使用抛光机抛光样品，使样品恢复衬底光滑透明状态。优选的，步骤8)中，在样品表面涂布一层光刻胶，使用光刻机根据掩膜图进行光刻并反转曝光处理，使用PVD蒸镀霍尔测试电极30nmTi、150nmAl、50nmNi和100nmAu，使用RTA进行850℃、30s、10sccm氮气的快速热退火，使金属与样品表面达到欧姆接触，在样品表面形成6个电极，6个电极为轴对称，对称轴包括样品的横切线和纵剖线，电极间接触电阻小于10-10Ω，使用ICP技术刻蚀GaN完成台面隔离，其中ICP刻蚀条件为43.2sccm氯气和10.8sccm的三氯化硼，前置功率为20W，后置功率为60W，气压为10mTorr，刻蚀时间为510s，通过台面仪得到刻蚀深度为210nm，通过电焊机用银线将测试电极与封装外壳引脚相连，封装完成后的样品放入Montanainstruments,Cryostation霍尔测试仪中进行低温10K至300K霍尔测试，并用测试数据中的迁移率随温度变化表征样品载流子低温输入特性。本专利技术采用分子束外延技术改变在蓝宝石基AlxGa(1-x)N/AlN/GaN异质结结构中AlN插入层的厚度，优化具有AlN插入层的蓝宝石基AlxGa(1-x)N/AlN/GaN异质结结构低温输运特性的方法。本专利技术提供了MBE外延样品表面Ga球处理的方法和背面因衬底预处理的Ti处理方法，通过表面丙酮、酒精和去离子水超声处理掉表面的Ga球以及背面减薄抛光的方法处理掉Ti，物理处理方法简单易行且不会额外引入杂质。本专利技术还提供了采用六电极低温霍尔测试工艺的步骤，是标准微电子封装工艺在本专利技术外延片表面的新型应用，其中按照轴对称、轴对称，对称轴包括样品测试区域的横切线和纵剖线有利于得到科学合理的霍尔测试数据的光刻图案，以及异质结外延片上保证台面隔离的较优刻蚀厚度都是针对本专利技术外延片创新提出的。目前专利和文献很少涉及关于使用分子束外延技术生长优化具有AlN插入层的蓝宝石基AlxGa(1-x)N/AlN/GaN异质结结构低温输运特性的报道。附图说明图1是本专利技术所述的一种使用分子束外延技术生长具有AlN插入层的AlxGa(1-x)N/AlN/GaN异质结结构的外延结构示意图。图2是实施例1样品的截面TE本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分子束外延生长蓝宝石基AlGaN/GaN异质结结构的方法，包括以下步骤：1)在衬底背面蒸镀一层Ti，对衬底进行预处理；2)使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在衬底上同质外延一层GaN外延层；3)使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在GaN外延层上外延一层AlN插入层，AlN插入层厚度为1.19‑3.57nm；4)使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在AlN插入层上外延一层AlxGa(1‑x)N层；5)使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在AlxGa(1‑x)N层上外延一层GaN盖帽层；6)除掉样品表面MBE外延生长的Ga球；7)使用减薄抛光技术，去除掉衬底预处理生长的Ti。

【技术特征摘要】
1.一种分子束外延生长蓝宝石基AlGaN/GaN异质结结构的方法，包括以下步骤：1)在衬底背面蒸镀一层Ti，对衬底进行预处理；2)使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在衬底上同质外延一层GaN外延层；3)使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在GaN外延层上外延一层AlN插入层，AlN插入层厚度为1.19-3.57nm；4)使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在AlN插入层上外延一层AlxGa(1-x)N层；5)使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在AlxGa(1-x)N层上外延一层GaN盖帽层；6)除掉样品表面MBE外延生长的Ga球；7)使用减薄抛光技术，去除掉衬底预处理生长的Ti。2.根据权利要求1所述的分子束外延生长蓝宝石基AlGaN/GaN异质结结构的方法，其特征在于：步骤3)中，外延AlN插入层的生长参数是：生长温度为820-850℃，Al源束流流量为6×10-8Torr，氮气的流量为0.6-0.8sccm，等离子发生器的射频功率为420-470W，生长时间为20s至1min。3.根据权利要求1所述的分子束外延生长蓝宝石基AlGaN/GaN异质结结构的方法，其特征在于：步骤2)中GaN外延层生长参数是：生长温度为820-850℃，Ga源束流流量为5.63×10-8Torr，氮气的流量为0.6-0.8sccm，等离子发生器的射频功率为420-470W，生长时间是3h，GaN外延层的厚度为610nm。4.根据权利要求1所述的分子束外延生长蓝宝石基AlGaN/GaN异质结结构的方法，其特征在于：步骤4)中，外延AlxGa(1-x)N薄膜的生长参数为：生长温度为820-850℃，Ga源束流流量为5.63×10-8Torr，Al源束流流量为6×10-8Torr，氮气的流量为0.6-0.8sccm，等离子发生器的射频功率为420-470W，生长时间为7min，AlxGa(1-x)N薄膜的Al组分x为0.2421，厚度为20.2nm。5.根据权利要求1所述的分子束外延...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，初嘉鹏，谢自力，陶涛，李振华，吴耀政，赵红，陈敦军，张荣，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32