[發明專利]硅基AlGaN/GaN HEMT外延薄膜及其生長方法

有效

• 申請號: 202210500579.2
• 申請日: 2022-05-10
• 公開（公告）號: CN114613847B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 吳春艷;魯德;朱晨岳;周昆楠;戴一航;羅林保
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/12;H01L29/205;H01L29/778;H01L21/02;H01L21/335;C23C16/30
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 盧敏

1.硅基AlGaN/GaN HEMT外延薄膜，其特征在于：所述HEMT外延薄膜是在Si襯底上從下至上依次形成有2500-3000 nm厚的應力控制層、1200-1500 nm厚的GaN高阻層、250-300 nm厚的GaN溝道層、1-2 nm厚的AlN插入層、20 nm厚的AlGaN勢壘層和1-2 nm厚的GaN帽層；

所述應力控制層從下至上依次包括160nm-280 nm厚的AlN緩沖層、350-450 nm厚的AlN/AlGaN超晶格、700-1000 nm厚的Al_0.3Ga_0.7N和1200-1500 nm的AlN/GaN超晶格。

2.根據權利要求1所述的硅基AlGaN/GaN HEMT外延薄膜，其特征在于：所述160nm-280nm厚的AlN緩沖層從下至上依次包括10-30 nm厚的低溫AlN緩沖層、150-250 nm厚的高溫AlN緩沖層。

3.一種權利要求1~2中任意一項所述硅基AlGaN/GaN HEMT外延薄膜的生長方法，其特征在于，按如下步驟進行：

步驟1、預處理

將（111）晶向的輕摻雜硅晶圓片放置在石墨托盤上，然后放入MOCVD系統的反應腔中；

設置反應腔壓力為50 Torr、石墨托盤轉速為1000 rpm，將石墨托盤升溫至1000-1050℃，以90-120 slm的流量向反應腔中通過H₂氣對Si襯底表面的SiO₂進行還原反應，時間為5min，以去除氧雜質；

步驟2、應力控制層的生長

步驟21、維持反應腔壓力為40 Torr、石墨托盤轉速為1150 rpm；降溫到700-800℃，以200-250 sccm的流量通入三甲基鋁氣體5-10 s，進行Al的預鋪；然后保持三甲基鋁流量和溫度不變，以3-4 slm的流量通入NH₃氣25-35 s，從而在Si襯底表面生長一層10-30 nm厚的低溫AlN緩沖層；隨后升溫到1050-1120℃，以150-200 sccm的流量通入三甲基鋁氣體，同時以3-4 slm的流量通入NH₃，生長50-60 min，使低溫AlN緩沖層上生長一層150-250 nm厚的高溫AlN緩沖層；

步驟22、維持反應腔壓力為40 Torr、石墨托盤轉速為1150 rpm；設置溫度為1020-1070℃并保持恒溫，進行AlN/AlGaN超晶格的生長，即單層AlN超晶格和單層AlGaN超晶格的交替生長；

所述單層AlN超晶格的生長方法為：同時以480-550 sccm的流量通入三甲基鋁氣體、以3-3.5 slm的流量通入NH₃，生長28 s；

所述單層AlGaN超晶格的生長方法為：同時以300-350 sccm的流量通入TMAl、以70-80sccm的流量通入三甲基鎵氣體、以5-5.5 slm的流量通入NH₃、以50-70 sccm的流量通入C₃H₈，生長20 s；

交替生長單層AlN超晶格和單層AlGaN超晶格，直至在AlN緩沖層上形成總厚度為350-450 nm AlN/AlGaN超晶格；

步驟23、維持反應腔壓力為40 Torr、石墨托盤轉速為1150 rpm；設置溫度為1010-1060℃并保持恒溫，同時以10-12 slm的流量通入NH₃、以80-85 sccm的流量通入C₃H₈、以500-550sccm的流量通入三甲基鋁氣體、以100-120 sccm的流量通入三甲基鎵氣體，生長50-60min，從而在AlN/AlGaN超晶格上形成700-1000 nm厚的Al_0.3Ga_0.7N；

步驟24、維持反應腔壓力為40 Torr、石墨托盤轉速為1150 rpm；設置溫度為1000-1050℃并保持恒溫，進行AlN/GaN超晶格的生長，即單層AlN超晶格和單層GaN超晶格的交替生長；

所述單層AlN超晶格的生長方法為：同時以500-550 sccm的流量通入三甲基鋁氣體、以4.5-5 slm的流量通入NH₃，生長33 s；

所述單層GaN超晶格的生長方法為：同時以250-350 sccm的流量通入三甲基鎵氣體、以16-20 slm的流量通入NH₃、以150-200 sccm的流量通入C₃H₈氣，生長30 s；

交替生長單層AlN超晶格和單層GaN超晶格，直至在Al_0.3Ga_0.7N上形成1200-1500 nm 厚的AlN/GaN超晶格；

步驟3、GaN高阻層和GaN溝道層的生長

維持反應腔壓力為50 Torr、石墨托盤轉速為1150 rpm；設置溫度為1020-1090℃并保持恒溫，以450-550 sccm的流量通入三甲基鎵氣體、以30-40 slm的流量通入NH₃、以750-900 sccm的流量通入C₃H₈，生長14-15 min，從而在AlN/GaN超晶格上形成1200-1500 nm厚的GaN高阻層；

繼續維持石墨托盤轉速為1150 rpm、溫度為1020-1090℃，反應腔壓力升高到150Torr，同時以200-300 sccm的流量通入三甲基鎵氣體、以55-65 slm的流量通入NH₃，生長5-7 min，從而在GaN高阻層上形成250-300 nm厚的GaN溝道層；

步驟4、AlN插入層和AlGaN勢壘層的生長

維持反應腔壓力為75 Torr、石墨托盤轉速為1150 rpm；設置溫度為980-1050 ℃并保持恒溫，同時以35-40 sccm的流量通入三甲基鋁氣體、以10-12 slm的流量通入NH₃，生長1min，即在GaN溝道層上形成1-2 nm厚的AlN插入層；

繼續維持反應腔壓力為75 Torr、石墨托盤轉速為1150 rpm、溫度為980-1050℃，同時以35-40 sccm的流量通入三甲基鋁氣體、以25-30 sccm的流量通入三甲基鎵氣體、以10-12slm的流量通入NH₃，生長5 min，即在AlN插入層上形成20 nm厚的AlGaN勢壘層；

步驟5、GaN帽層的生長

維持反應腔壓力為75 Torr、石墨托盤轉速為1150 rpm；設置溫度為980-1050℃并保持恒溫，同時以10-12 slm的流量通入NH₃、以25-30 sccm的流量通入三甲基鎵氣體，生長30s，即在AlGaN勢壘層上形成1-2 nm厚的GaN帽層。