[發明專利]用于在硅襯底上制備高電子遷移率場效應晶體管的方法

有效

• 申請號: 201611256276.1
• 申請日: 2016-12-30
• 公開（公告）號: CN106783547B
• 公開（公告）日: 2020-08-21
• 發明（設計）人: 賈傳宇;殷淑儀;張國義
• 申請（專利權）人: 東莞市中鎵半導體科技有限公司
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L21/335
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 羅曉林;楊桂洋

一種用于在硅襯底上制備高電子遷移率場效應晶體管的方法，包括以下步驟，在在Si襯底上生長AlN成核層和Al組分線性變化和固定不變的Al_yGa_1?yN應力釋放層，再生長GaN外延層，然后鋪設三組交叉排列的碳納米管陣列形成連續的碳納米管薄膜周期性介質掩膜和MgN/SiN無定型掩膜形成的復合微納米掩膜，第一組碳納米管排列方向平行于GaN外延層[1?100]方向，第二組碳納米管排列方向與第一組碳納米管成60度夾角，第三組碳納米管排列方向與第一組碳納米管成120度夾角，然后再生長GaN合并層和Al_0.25Ga_0.75N勢疊層。本發明能獲得無龜裂、高晶體質量的GaN外延層。

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，具體地說是一種在硅襯底上，尤其是在八英寸硅襯底上采用碳納米管制備高電子遷移率場效應晶體管的方法。

背景技術

高電子遷移率場效應晶體管(HEMT)，又稱調制摻雜場效應晶體管(MODFET，modulation-doped field effect transistor)，是一種以襯底材料與另一種寬帶材料形成的異質界面的二維電子氣導電的場效應晶體管(FET)。因其溝道中無雜質，基本上不存在電離雜質散射對電子運動的影響，因此電子遷移率更高而得名。HEMT的工作原理是通過控制刪極電壓的變化使源極、漏極之間的溝道電流產生相應的變化，從而達到放大信號的目的。其優點是具有高的頻率和低的噪聲特性。HEMT現已用于衛星電視、移動通信、軍事通信和雷達系統的接收電路中。自1980年GaAs基HEMT研制成功以來，得到了很快的發展。GaAs基HEMT在射頻、微波及毫米波低頻段已得到廣泛的應用。InP器件比GaAs HEMT有更高的工作頻率和更低的噪聲，用于毫米波高頻段和亞毫米波頻段。GaN HEMT器件的特點是耐高溫、大功率，有著巨大的應用前景，特別是在10-40GHz占據優勢地位。

AlGaN/GaN HEMT由于作為溝道層的GaN帶隙寬度大(3.4eV)、擊穿電壓高(3.3MV/cm)、飽和電子速度大(2.8*10⁷s^-1)和二維電子氣面密度高(10¹³cm²)等特性，導致GaN基HEMT的研究向更高工作頻率、更大輸出功率、更高工作溫度和實用化方向發展。GaN基HEMT還可以用于高速開關集成電路和高壓DC-DC變換器方面。AlGaN/GaN HEMT生長在半絕緣的(0001)Si面SiC或(0001)藍寶石襯底上，在核化層后生長一層半絕緣的GaN(約2μm)溝道層，接著生長不摻雜的AlGaN隔離層，摻Si的AlGaN和不摻雜的AlGaN勢壘層。二維電子氣形成在溝道層/隔離層界面。Si襯底尺寸大、價廉可以降低外延生長成本。對比硬度大、導熱差的絕熱藍寶石襯底，簡化襯底減薄等加工工藝，降低器件制作工藝成本。

在Si上MOVPE(metalorganic vapor phase epitaxy，金屬有機物氣相外延)生長GaN的難點在于：GaN纖維鋅礦結構的(0001)與金剛石結構的Si(111)襯底的晶格失配為20.4％，會產生大量的位錯；GaN與Si之間的熱失配高達56％，外延生長結束后的降溫工程中，外延層將承受很大的張應力。由于外延層厚度遠小于襯底厚度，所以在外延層中會產生微裂紋，嚴重影響GaN器件特性。Si襯底上直接生長GaN時，NH₃容易與襯底Si發生反應而在襯底表面形成非晶態的SiN，影響GaN的生長質量。金屬Ga與襯底Si之間也有很強的化學反應，會對襯底造成回溶，從而破壞界面的平整。在高溫生長時，襯底中的Si會擴散至緩沖層表面，如果控制不當，將會影響GaN的生長模式，從而破壞晶體質量。此外由于Si是非極性半導體，在其上生長GaN、AlN或其他極性半導體時將會產生一些化合物極性相關的問題。