[發(fā)明專利]氮化鎵基氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711099224.2
• 申請(qǐng)日: 2017-11-09
• 公開（公告）號(hào): CN107919392A
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張東國(guó);李忠輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所
• 主分類號(hào): H01L29/778
• 分類號(hào): H01L29/778;H01L29/06;H01L21/02;H01L21/335
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心32203
• 代理人: 陳鵬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體單晶薄膜的外延生長(zhǎng)技術(shù)，具體涉及一種氮化鎵基氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)方法。

背景技術(shù)

以GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、飽和電子漂移速度高和熱導(dǎo)率大等優(yōu)點(diǎn)，基于GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)的電力電子器件具有擊穿電壓高、功率密度大、工作溫度高、開態(tài)電阻低、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是新一代太陽能發(fā)電、智能電網(wǎng)和電動(dòng)汽車上功率轉(zhuǎn)換和控制器件的有力競(jìng)爭(zhēng)者，尤其是在通訊(5G)領(lǐng)域，有著難以比擬的優(yōu)勢(shì)。

由于缺乏合適的GaN單晶襯底，目前GaN材料主要通過異質(zhì)外延生長(zhǎng)的方法獲得，常用的襯底材料是SiC、藍(lán)寶石和Si。其中SiC襯底與GaN晶格失配較小(與GaN的晶格失配為3.5％、與AlN小于1％)、導(dǎo)電、熱導(dǎo)率高，容易摻雜得到導(dǎo)電性好的襯底，也是一種理想的襯底材料，因此高端的LED和微波器件都以SiC為襯底。

目前高阻SiC襯底生長(zhǎng)GaN HEMT通常采用AlN作為成核層，為了提高GaN外延層晶體質(zhì)量，常采用的方式有：高溫AlN緩沖層工藝、優(yōu)化緩沖層的生長(zhǎng)條件、使用側(cè)向外延技術(shù)、使用Si₃N₄插入層等。高溫AlN外延工藝對(duì)外延設(shè)備要求較高，側(cè)向外延技術(shù)通常基于圖形化襯底的制備，這無形之中增加了外延成本。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種氮化鎵基氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為：一種氮化鎵基氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，包括襯底以及由下至上依次生長(zhǎng)的AlN成核層、GaN緩沖層、GaN溝道層、AlN隔離層和勢(shì)壘層；AlN成核層生長(zhǎng)在襯底表面，原位退火進(jìn)行圖形化處理，形成圖像化AlN成核層。

一種氮化鎵基氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，包括以下步驟：

第一步，襯底經(jīng)清洗、甩干后在反應(yīng)室內(nèi)高溫烘烤；

第二步，在襯底上原位生長(zhǎng)圖形化AlN成核層；

第三步，在AlN成核層上生長(zhǎng)GaN緩沖層；

第四步，在GaN緩沖層上生長(zhǎng)GaN溝道層；

第五步，在GaN溝道層上生長(zhǎng)AlN隔離層；

第六步，在AlN隔離層上生長(zhǎng)勢(shì)壘層；

第七步，降至室溫，晶體管外延結(jié)構(gòu)制備完成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明采用圖形化AlN作為成核層可以改善GaN緩沖層的外延方式，由三維島狀生長(zhǎng)向二維生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變的生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)換為側(cè)向外延生長(zhǎng)模式，從而有效降低GaN外延層位錯(cuò)密度，提高GaN外延層的晶體質(zhì)量；(2)AlN弱圖形化通過工藝優(yōu)化在GaN外延爐反應(yīng)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)，降低了設(shè)備要求，避免了二次生長(zhǎng)，降低外延成本。

附圖說明

圖1是弱圖形化AlN成核層GaN HEMT外延結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是高阻SiC襯底和弱圖形化AlN成核層表面5um×5um的微觀形貌示意圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1，一種氮化鎵基氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，包括襯底以及由下至上依次生長(zhǎng)的AlN成核層、GaN緩沖層、GaN溝道層、AlN隔離層和勢(shì)壘層；AlN成核層生長(zhǎng)在襯底表面，原位退火進(jìn)行圖形化處理，形成圖像化AlN成核層。

圖形化AlN成核層生長(zhǎng)在高溫烘烤后的襯底表面，AlN成核島呈線性排列。圖形化AlN成核層的厚度為60-100nm，生長(zhǎng)溫度為1050～1100℃。

所述的GaN緩沖層厚度為1.5-2.5um，生長(zhǎng)溫度為1000-1100℃。

所述的GaN溝道層厚度為50-500nm，生長(zhǎng)溫度為1000-1100℃。

所述的AlN隔離層厚度為0.5-1.0nm，生長(zhǎng)溫度為1000-1050℃。

所述的勢(shì)壘層為Al_xGa_1-xN三元合金薄膜，0＜x＜0.35。勢(shì)壘層厚度為10-30nm，生長(zhǎng)溫度為1000-1050℃。

所述的襯底為(0001)面的高阻SiC襯底。

一種GaN基氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，包括以下步驟：

第一步，襯底經(jīng)清洗、甩干后在反應(yīng)室內(nèi)高溫烘烤；

第二步，在襯底上原位生長(zhǎng)圖形化AlN成核層；

第三步，在AlN成核層上生長(zhǎng)GaN緩沖層；

第四步，在GaN緩沖層上生長(zhǎng)GaN溝道層；