一种III族氮化物层结构及其制备方法、晶体管技术

本发明专利技术公开了一种III族氮化物层结构及其制备方法、晶体管，其中所述方法包括：⑴提供异质生长衬底；⑵在所述异质生长衬底的上表面上依次生长第一成核层和III极性III族氮化物层；⑶除去所述异质生长衬底、所述第一成核层，并暴露出所述III极性III族氮化物的氮极性面得到氮极性衬底；⑷在所述氮极性衬底的上表面上，生长氮极性III族氮化物层结构，所述氮极性III族氮化物层结构包括二维电子气。

【技术实现步骤摘要】
一种III族氮化物层结构及其制备方法、晶体管
本专利技术涉及半导体
，尤其涉及一种III族氮化物层结构及其制备方法、晶体管。
技术介绍
毫米波及太赫兹波在5G/6G通讯，自动驾驶测距和安检成像等方面有着广泛的应用。但是由于频率高，及空气对信号的吸收增加，所以必须提高信号强度，要求RF(即射频)微波功放管可以处理较高的功率密度。这为宽禁带半导体GaN及其晶体管提供了新的机遇。III族氮化物是极性材料，如GaN，AlN，AlGaN和InAlN等，即它们有自发极化，自发极化与它们的C方向平行。所以，一个与C方向相互垂直的薄晶片，其上下两个表面不相同。习惯上，当一个C切晶片或薄膜的上表面的法线方向与自发极化方向相反(反向平行)时，该晶片或薄膜称作III极性的(如果是GaN或AlN，则被分别称为Ga极性或Al极性)。反之，当法线方向与自发极化方向一致时，该晶片或薄膜称作氮极性的。III族氮化物是通常通过外延生长的，所以区分上表面的极性很重要。但现在为止，已经对氮极性III族氮化物进行了广泛的研究。在镓极性的表面上，二维电子气(2DEG)可以形成在AlGaN/GaN的界面，AlGaN势垒层的厚度在20-35纳米，可以形成晶体管，晶体管上表面有三个电极，中间的叫做栅极，它两侧的两个电极分别叫源极和漏极。在栅极上加上电压，可以控制电子在源极和漏极之间的传输，用于微波信号放大。通常为了提高晶体管的工作频率，需要降低栅极的宽度，但是这样不仅增加成本，同时也很难把工作频率提高到毫米波及太赫兹波波段，因为受制于栅极和2DEG之间的间距，通常20-35纳米的间距，与上表面AlGaN势垒层的厚度一致；如果用蚀刻法减少上表面AlGaN势垒层的厚度，将很难形成高质量的栅极。因此，要解决这个问题，要使用氮极性III族氮化物材料，把栅极和2DEG之间有的间距减少到5-15纳米。但是，这里面有一系列技术问题，最突出的包括：目前技术基于高阻SiC衬底，这种衬底十分昂贵(大约2000USD/片，100mm直晶)。并且碳面抛光问题还没有很好的解决。需要寻找新的技术替代途径。由于在生长过程中，氧离子容易通过氮极性面，对III族氮化物实现掺杂，造成材料的电阻低，晶体管漏电，所以还需要避免生长厚的氮极性GaN。利用斜切，即使表面法线方向与C方向有一个小的夹角，从而避免六角型缺陷。但斜切会造成生长台阶，很难形成理想的2DEG。目前整体来讲。氮化物以及所用的衬底有大量的缺陷(衬底的缺陷可以被III族外延层继承)。缺陷最常见的有两种：位错和晶界，位错仅有几个纳米的尺寸，对晶体管的负面影响通常是微观的，但是晶界的负面影响将是宏观，可以造成晶体管失效，降低成品率。在外延生长过程中，通常会在外延层-衬底界面形成高浓度的位错等缺陷。随着外延层厚度增加，这些位错缺陷有些相互复合而消失，有些相互复合而形成晶界。类似的，随着外延层厚度增加，有的晶界相互复合而消失，有的相互复合而形成大角度晶界。这些大角度晶界将造成表面粗糙，使晶体管失效。这是目前HVPE(HydrideVaporPhaseEpitaxy，氢化物气相外延)技术所面临的问题。本专利技术试图解决上述问题中一些问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术存在的问题，提供一种III族氮化物层结构的制备方法，从而用于制作可靠性高的、低成本半导体晶体管。本专利技术所要解决的第二个技术问题是提供一种III族氮化物层结构。本专利技术所要解决的第三个技术问题是提供一种晶体管。本专利技术解决上述技术问题所采用的第一个技术方案为：⑴提供异质生长衬底；⑵在所述异质生长衬底的上表面上依次生长第一成核层和III极性III族氮化物层；⑶除去所述异质生长衬底、所述第一成核层，并暴露出所述III极性III族氮化物的氮极性面得到氮极性衬底；⑷在所述氮极性衬底的上表面上，生长氮极性III族氮化物层结构，所述氮极性III族氮化物层结构包括二维电子气。可以在最上表面形成源极、栅极，漏极及钝化层等，做成晶体管。根据本专利技术的一个方面，所述异质生长衬底是蓝宝石和SiC晶体中的一种。在这两种衬底的上表面上，可以形成所述的第一成核层，从而继续生长所述III极性III族氮化物层。所述的第一成核层通常指在外延生长过程中，需要一层或多层材料，解决物理因素造成的失配问题如晶格失配，表面状态失配等，形成与所述III极性III族氮化物层有相同或类似的结构。所述第一成核层通常由高浓度缺陷，如位错等。根据本专利技术的一个方面，所述氮极性衬底的上表面与所述异质生长衬底的上表面的物理间距在5纳米与15微米之间。为了优化所生长的所述III极性III族氮化物层的质量，对所述III极性III族氮化物背面，即其氮极性面进行抛光或刻蚀处理，暴露出所述III极性III族氮化物的氮极性面，得到所述氮极性衬底，其上表面即为抛光或刻蚀处理后的表面。所述物理间距是指上述抛光或刻蚀处理的损耗厚度加上去除的所述第一成核层的厚度。在这个厚度范围之内，既可以把高缺陷的氮化物层除去，又保证这些缺陷不形成大的晶界。更进一步地，根据本专利技术的一个方面，所述氮极性衬底的上表面与所述异质生长衬底的上表面的物理间距在200纳米到5微米之间。根据本专利技术的一个方面，所述III极性III族氮化物层可包括AlN或GaN中的至少一种；所述氮极性衬底的上表面包括AlN层。进一步地，所述氮极性衬底包括由MOVPE(有机金属化合物气相外延法，metal-organicvapourphaseepitaxy)生长的AlN在上表面和使用HVPE(HydrideVaporPhaseEpitaxy，氢化物气相外延)生长的AlN在下部；MOVPE可以形成高质量的AlN而HVPE可以有很高的AlN生长速率。根据本专利技术的一个方面，所述氮极性衬底的上表面III族氮化物的X光摇摆曲线的半宽度不低于在所述氮极性衬底包括的其它材料的数值。这样，在生长III极性III族氮化物时，初期以质量为主，后期以生长速度为主，从而降低生长成本。本专利技术解决上述技术问题所采用的第二个技术方案为：一种III族氮化物层结构，其中：一种氮极性III族氮化物多层膜结构包括：⑴氮极性III族氮化物衬底，所述衬底具有上表面，并且是在III极性状态下、使用异质衬底生长的，生长所述衬底的第一成核层被去除；⑵氮极性III族氮化物多层膜构生长在所述氮极性III族氮化物衬底的上表面上，包括二维电子气体。根据本专利技术的一个方面，所述的氮极性III族氮化物衬底的表面有AlN层。进一步地，所述氮极性衬底包括由MOVPE生长的AlN在上表面和使用HVPE生长的AlN在下部。根据本专利技术的一个方面，所述氮极性衬底的上表面III族氮化物的X光摇摆曲线的半宽度不低于在所述氮极性衬底包括的其它材料的数值。根据本专利技术的一个方面，所述氮极性III族氮化物衬底的上表面与用于其生长用的异质衬底的物理间距在5纳米到15微米之间。进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种III族氮化物层结构的制备方法，其特征在于，包括：/n⑴提供异质生长衬底；/n⑵在所述异质生长衬底的上表面上依次生长第一成核层和III极性III族氮化物层；/n⑶除去所述异质生长衬底、所述第一成核层，并暴露出所述III极性III族氮化物的氮极性面得到氮极性衬底；/n⑷在所述氮极性衬底的上表面上，生长氮极性III族氮化物层结构，所述氮极性III族氮化物层结构包括二维电子气。/n

【技术特征摘要】
1.一种III族氮化物层结构的制备方法，其特征在于，包括：
⑴提供异质生长衬底；
⑵在所述异质生长衬底的上表面上依次生长第一成核层和III极性III族氮化物层；
⑶除去所述异质生长衬底、所述第一成核层，并暴露出所述III极性III族氮化物的氮极性面得到氮极性衬底；
⑷在所述氮极性衬底的上表面上，生长氮极性III族氮化物层结构，所述氮极性III族氮化物层结构包括二维电子气。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述异质生长衬底包括蓝宝石或SiC晶体中的一种。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮极性衬底的上表面与所述异质生长衬底的上表面的物理间距在5纳米到15微米之间。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述氮极性衬底的上表面与所述异质生长衬底的上表面的物理间距在200纳米到5微米之间。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮极性衬底的上表面包括AlN层。


6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜全忠，
申请(专利权)人：深圳市奥谱太赫兹技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44