[發明專利]一種AlGaN/GaN/InGaN雙異質結材料及其生產方法

有效

• 申請號: 201210440955.X
• 申請日: 2012-11-06
• 公開（公告）號: CN102931229A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 董遜;許曉軍;章詠梅;彭大青;張東國;李亮;李忠輝
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十五研究所
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L21/335
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及半導體器件生產領域，尤其涉及一種AlGaN/GaN/InGaN雙異質結材料及其生產方法。

背景技術

相對于Si、GaAs、InP等傳統半導體材料來說，GaN材料具有寬禁帶、高擊穿場強、高電子飽和速度等特性，因而被譽為第三代半導體材料的代表。GaN?HEMT的輸出功率密度要比GaAs?FET高一個數量級以上，同時具有高得多的強場飽和電子漂移速度，有望在100GHz以上的高頻和高于300℃的溫度下工作。

由于AlGaN/GaN異質結材料存在較強的自發極化、壓電極化效應和較大的能帶帶階，會產生比AlGaAs/GaAs異質結高得多的二維電子氣密度，提高了HEMT（高電子遷移率晶體管）器件的輸出功率。

AlGaN/GaN單異質結材料的不足之處在于電子氣的量子限制決定了電子的輸運特性和HEMT器件的性能。有大量實驗證明二維電子氣的量子限制程度隨溝道狀態而變化。當溝道夾斷或打開時電子的輸運特性都比較差，它不僅降低了器件的射頻工作效率，而且限制了器件截止頻率的提高。當溝道被夾斷時，電子氣密度趨近于零，右勢壘消失，能帶被拉平，基態（和激發態）波函數擴展到很寬的范圍內，電子氣幾乎完全失去二維特性，接近于三維電子，其遷移率降為體材料的遷移率。電子波函數擴展到緩沖層后，溝道夾斷性能變差，降低了f_T和f_max。為了進一步優化器件性能必須增強電子氣的量子限制，對右勢壘進行能帶剪裁。結合圖1所示，該雙異質結構材料包括襯底11、GaN成核層12、GaN緩沖層13、InGaN背勢壘層14、GaN溝道層15、AIN插入層16和Al_xGa_1-xN勢壘層17。即在右勢壘中插入InGaN背勢壘層14，形成AlGaN/GaN/InGaN雙異質結，利用GaN/InGaN界面極化電荷產生的電場，可以提高右勢壘，增強溝道阱中電子氣的量子限制。

但是，由于In組分的并入受溫度影響極大，InGaN背勢壘層只能在低溫生長（800℃以下），而為了保證GaN溝道層的晶體質量，GaN層必須在高溫生長（1000℃以上），這樣InGaN背勢壘層生長結束以后必然要經歷一個高溫退火過程，容易導致InGaN材料分解，惡化了晶體質量。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述缺陷，提供一種效率更高、質量更好的AlGaN/GaN/InGaN雙異質結材料，并進一步提供該材料生產方法。

為實現上述目的，本發明可采用的技術方案是：

一種AlGaN/GaN/InGaN雙異質結材料，所述AlGaN/GaN/InGaN雙異質結材料包括在襯底上依次生長的下列各層：GaN成核層、GaN緩沖層、InGaN背勢壘層、GaN保護層、GaN溝道層、AIN插入層和Al_xGa_1-xN勢壘層，其中0.1≤x≤0.9。優選地，在所述的AlGaN/GaN/InGaN雙異質結材料中：所述GaN保護層的厚度為2~3nm。

優選地，在所述的AlGaN/GaN/InGaN雙異質結材料中：所述x為0.2~0.5，更優選為0.3。

優選地，在所述的AlGaN/GaN/InGaN雙異質結材料中：所述襯底為（0001）面的藍寶石襯底。

本發明進一步提供了一種AlGaN/GaN/InGaN雙異質結材料的生產方法，所述生產方法包括以下步驟：選取襯底并在氫氣氣氛下對所述襯底進行表面預處理；在所述襯底上依次生長GaN成核層、GaN緩沖層、InGaN背勢壘層、GaN保護層、GaN溝道層、AlN插入層和Al_xGa_1-xN勢壘層，其中0.1≤x≤0.9。

優選地，在所述的AlGaN/GaN/InGaN雙異質結材料的生產方法中：生長所述GaN保護層的生長溫度為750～780℃，生長氣壓為150至250毫米汞柱，生長源為氨氣、三甲基鎵，生長厚度為2～3nm。

優選地，在所述的AlGaN/GaN/InGaN雙異質結材料的生產方法中：生長所述GaN成核層生長溫度為520～560℃，生長氣壓為450~550毫米汞柱，生長源為氨氣、三甲基鎵，生長厚度為20～30nm。

優選地，在所述的AlGaN/GaN/InGaN雙異質結材料的生產方法中：生長所述GaN緩沖層的生長溫度為1000～1100℃，生長氣壓為200～300毫米汞柱，生長源為氨氣、三甲基鎵，生長厚度為2～3μm。