[發明專利]一種硅上高遷移率GaN基異質結構及其制備方法

有效

• 申請號: 201510037027.2
• 申請日: 2015-01-23
• 公開（公告）號: CN104576714B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 楊學林;沈波;程建朋;桑玲;許福軍
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/205;H01L29/207;H01L29/778;H01L21/04;H01L21/335
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙)11360
• 代理人: 賈曉玲

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，特別是涉及一種硅(Si)襯底上高遷移率GaN基異質結構及其制備方法。

背景技術

以III族氮化物為代表的第三代半導體具有高禁帶寬度、高擊穿電場、高飽和電子漂移速度以及強極化等優異的性質，特別是基于AlGaN/GaN異質結構的高遷移率晶體管(HEMT)具有開關速度快、導通電阻低、器件體積小、耐高溫、節能等優異特性，有望在下一代高效功率電子器件領域得到廣泛使用。

在以藍寶石、碳化硅、硅為襯底材料的GaN基異質結構材料中，Si上GaN基異質結構材料及器件因其在大尺寸、低成本以及與現有Si工藝兼容等方面具有明顯的優勢，在太陽能逆變器、混合動力汽車逆變器、功率電源、家用電器及工業設備的功率轉換器等領域有廣泛的應用前景,也因此使其成為國際上氮化物領域研究的熱點之一。

二維電子氣遷移率和濃度是表征GaN基異質結構材料質量的兩個最重要指標，對于提高器件的輸出電流密度和功率密度具有重要作用。而影響二維電子氣遷移率的散射機制主要有界面粗糙度散射，位錯散射，合金無序散射以及聲子散射等。對于Si襯底上GaN基異質結構材料，由于存在較大的晶格失配，外延出的材料中含有大量的缺陷，這些缺陷大大限制了二維電子氣性能的提高，同時嚴重影響了器件的可靠性。另一方面，由于熱失配，高溫生長GaN基材料后，在降溫的過程中GaN基外延材料會受到Si襯底施加的巨大的張應力，導致外延材料強烈翹曲甚至龜裂,難以滿足工藝的要求。因此，如何通過應力和缺陷工程，避免外延材料的龜裂，并獲得低缺陷密度的GaN基異質結構外延材料，是研制Si上GaN基功率電子器件需要解決的首要問題。現有技術中為了實現Si上GaN異質結構材料的應力和缺陷控制，提高二維電子氣的輸運性能，國際上通常采取以下三種方法：

(1)低溫AlN插入層技術，如[1]A.Dadgar et al.,Jpn.J.Appl.Phys.39 L1183(2000)。這種技術優點是可以實現較厚的GaN基外延層，但由于低溫AlN層的晶體質量較差使得GaN基外延層的質量也受到影響，在提高二維電子氣的遷移率方面不是很理想。同時在MOCVD外延中需要多次的升溫和降溫，大大增加了外延工藝的復雜性。

(2)AlN/GaN超晶格技術，如[2]E.Feltin et al.,Phys.Status Solidi(a)188 531(2001)。這種技術在一定程度上可以降低位錯密度，提高晶體質量，但在厚膜GaN的制備上具有一定的困難，同時周期長，增加了外延成本。

(3)Al組分梯度漸變AlGaN技術(多為從高Al組分梯度漸變到低Al組分)，如[3]K.Cheng et al.J.Electron.Mater.25,4(2006)。這種技術介于上面兩個技術中間，但涉及到多次(三次以上)三元合金AlGaN的生長，因為Al組分受MOCVD反應室如溫度的影響較敏感，外延步驟較多，在應力控制的可重復性和穩定性上也受到一定的挑戰。

發明內容

本發明的目的在于克服現有Si上GaN基異質結構外延技術上的不足以及工藝的復雜性，提供了一種Si上高遷移率GaN基異質結構，即利用單層的低Al組分AlGaN作為應力和缺陷控制層，來制備Si上高遷移率GaN基異質結構材料。

為了實現上述目的，技術方案如下：一種Si上高遷移率GaN基異質結構，由下至上依次包括：硅襯底；成核層；該成核層在硅襯底之上，應力和缺陷控制層；該應力和缺陷控制層在成核層之上，外延層；該外延層在應力和缺陷控制層之上，溝道層；該溝道層在外延層之上，插入層；該插入層在溝道層之上，勢壘層；該勢壘層在插入層之上，其中應力和缺陷控制層為AlGaN層，其厚度為10nm-10μm，且Al摩爾組分為1-26％。

本發明還提供一種高遷移率GaN基異質結構的制備方法，采用該方法能夠有效克服現有Si襯底上GaN基異質結構外延技術上的復雜性，外延工藝簡單且快捷有效，穩定性高，同時能大幅度提高異質結構晶體質量，提高二維電子氣的輸運性質，包括如下步驟：

(1)選擇Si襯底；

(2)在Si襯底上生長一層鋁鎵氮或氮化鋁成核層；

(3)在成核層上生長應力和缺陷控制層，該應力和缺陷控制層為AlGaN層，其厚度為10nm-10μm，且Al摩爾組分為1-26％；

(4)在應力和缺陷控制層上生長氮化鎵或鋁鎵氮外延層；

(5)在外延層上生長氮化鎵或銦鎵氮溝道層；

(6)在溝道層上生長氮化鋁插入層；