[發明專利]一種III族氮化物層結構及其制備方法、晶體管

有效

• 申請號: 202010812552.8
• 申請日: 2020-08-13
• 公開（公告）號: CN112071741B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 姜全忠
• 申請（專利權）人: 深圳市奧譜太赫茲技術研究院
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L21/683;H01L29/20;H01L29/205;H01L29/778;H01L23/373;H01L21/335
• 代理公司: 廣東良馬律師事務所 44395
• 代理人: 李良

本發明公開了一種III族氮化物層結構及其制備方法、晶體管，其中所述方法包括：⑴提供異質生長襯底；⑵在所述異質生長襯底的上表面上依次生長第一成核層和III極性III族氮化物層；⑶除去所述異質生長襯底、所述第一成核層，并暴露出所述III極性III族氮化物的氮極性面得到氮極性襯底；⑷在所述氮極性襯底的上表面上，生長氮極性III族氮化物層結構，所述氮極性III族氮化物層結構包括二維電子氣。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種III族氮化物層結構及其制備方法、晶體管。

背景技術

毫米波及太赫茲波在5G/6G通訊，自動駕駛測距和安檢成像等方面有著廣泛的應用。但是由于頻率高，及空氣對信號的吸收增加，所以必須提高信號強度，要求RF(即射頻)微波功放管可以處理較高的功率密度。這為寬禁帶半導體GaN及其晶體管提供了新的機遇。

III族氮化物是極性材料，如GaN，AlN，AlGaN和InAlN等，即它們有自發極化，自發極化與它們的C方向平行。所以，一個與C方向相互垂直的薄晶片，其上下兩個表面不相同。習慣上，當一個C切晶片或薄膜的上表面的法線方向與自發極化方向相反(反向平行)時，該晶片或薄膜稱作III極性的(如果是GaN或AlN，則被分別稱為Ga極性或Al極性)。反之，當法線方向與自發極化方向一致時，該晶片或薄膜稱作氮極性的。III族氮化物是通常通過外延生長的，所以區分上表面的極性很重要。但現在為止，已經對氮極性III族氮化物進行了廣泛的研究。

在鎵極性的表面上，二維電子氣(2DEG)可以形成在AlGaN/GaN的界面，AlGaN勢壘層的厚度在20-35納米，可以形成晶體管，晶體管上表面有三個電極，中間的叫做柵極，它兩側的兩個電極分別叫源極和漏極。在柵極上加上電壓，可以控制電子在源極和漏極之間的傳輸，用于微波信號放大。通常為了提高晶體管的工作頻率，需要降低柵極的寬度，但是這樣不僅增加成本，同時也很難把工作頻率提高到毫米波及太赫茲波波段，因為受制于柵極和2DEG之間的間距，通常20-35納米的間距，與上表面AlGaN勢壘層的厚度一致；如果用蝕刻法減少上表面AlGaN勢壘層的厚度，將很難形成高質量的柵極。因此，要解決這個問題，要使用氮極性III族氮化物材料，把柵極和2DEG之間有的間距減少到5-15納米。但是，這里面有一系列技術問題，最突出的包括：

目前技術基于高阻SiC襯底，這種襯底十分昂貴(大約2000USD/片，100mm直晶)。并且碳面拋光問題還沒有很好的解決。需要尋找新的技術替代途徑。

由于在生長過程中，氧離子容易通過氮極性面，對III族氮化物實現摻雜，造成材料的電阻低，晶體管漏電，所以還需要避免生長厚的氮極性GaN。

利用斜切，即使表面法線方向與C方向有一個小的夾角，從而避免六角型缺陷。但斜切會造成生長臺階，很難形成理想的2DEG。

目前整體來講。氮化物以及所用的襯底有大量的缺陷(襯底的缺陷可以被III族外延層繼承)。缺陷最常見的有兩種：位錯和晶界，位錯僅有幾個納米的尺寸，對晶體管的負面影響通常是微觀的，但是晶界的負面影響將是宏觀，可以造成晶體管失效，降低成品率。在外延生長過程中，通常會在外延層-襯底界面形成高濃度的位錯等缺陷。隨著外延層厚度增加，這些位錯缺陷有些相互復合而消失，有些相互復合而形成晶界。類似的，隨著外延層厚度增加，有的晶界相互復合而消失，有的相互復合而形成大角度晶界。這些大角度晶界將造成表面粗糙，使晶體管失效。這是目前HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氫化物氣相外延)技術所面臨的問題。

本發明試圖解決上述問題中一些問題。

發明內容

本發明所要解決的第一個技術問題是針對上述現有技術存在的問題，提供一種III族氮化物層結構的制備方法，從而用于制作可靠性高的、低成本半導體晶體管。

本發明所要解決的第二個技術問題是提供一種III族氮化物層結構。