[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

本發明公開了硅基AlGaN/GaN HEMT外延薄膜及其生長方法，是在Si襯底上利用金屬有機氣相化學沉積的方法外延生長基于AlGaN/GaN異質結的HEMT外延薄膜。本發明通過在Si襯底上生長緩沖層控制Al組分漸變，并且加入AlGaN/AlN超晶格和AlN/GaN超晶格的雙層超晶格緩沖層來降低晶格失配和熱失配，實現大尺寸硅基AlGaN/GaN HEMT外延薄膜的生長，得到高質量的AlGaN/GaN異質結，獲得高濃度高遷移率的二維電子氣（2DEG）。

技術領域

本發明屬于薄膜生長技術領域，具體涉及一種大尺寸高質量硅基AlGaN/GaN HEMT外延薄膜及其生長方法。

背景技術

當今社會最重要的挑戰之一是世界能源消耗的穩定增長。在未來的20年里，全球的能源消耗預計將增加40%，屆時電力將覆蓋最大比例的能源使用(高達60%)。在這種背景下，電力電子學作為專用于電力控制和管理的技術，在優化電力電子器件特性上起到了至關重要的作用。發展至今，硅(Si)材料在半導體市場中所占比重較大，在半導體科技的發展過程中承擔著主要作用，目前成熟的Si基產品約占電力電子器件市場份額的87%。由于Si材料自身理論極限較低，無法滿足當下低能耗的需求，人們逐漸將目光轉向具有高熱導率、高電子飽和速度、高擊穿場強的第三代寬禁帶半導體材料。以GaN和SiC為首的寬禁帶半導體材料被認為是低損耗電力電子器件的最佳選擇，相較于Si基器件在降低導通電阻的同時提高擊穿電壓，從而全面降低功率損耗。因此，GaN基器件可以在很多重要領域得以應用，包括各類電子產品、新能源汽車、工業應用、可再生能源、交通運輸工具等。AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）由于具有以下優異特性，成為目前研究熱點：（1）AlGaN/GaN HEMT異質結界面處二維電子氣（2DEG）濃度高，并且由于GaN層作為溝道層而AlGaN層作為勢壘層提供電子，在空間上保證了電子與提供電子的雜質互相分離，使得電子遷移率免于雜質散射的影響而大幅度提高。（2）由于GaN基器件寬禁帶、耐高溫的特性，AlGaN/GaN HEMT能在高溫、高電場、大功率狀態下工作且直流特性不發生顯著退化。

GaN外延生長常用的襯底有氮化鎵（GaN）、碳化硅(SiC)、藍寶石（Al₂O₃）和硅（Si）。Si襯底價格低廉，大尺寸制備技術成熟，容易獲得不同尺寸(2-12英寸）不同類型（n型/p型/高阻）的襯底，并且GaN-on-Si外延片后續器件工藝可與傳統的硅器件工藝兼容，大幅降低了工藝研發成本。基于以上這些優點，硅襯底上GaN基HEMT外延迅速成為國內外企業高校的研究熱點。

然而，雖然在硅襯底上外延GaN基HEMT外延薄膜有著諸多優勢，但是GaN-on-Si的難度很大，面臨很多技術問題，比如GaN和Si之間的晶格失配（17%）和熱失配（56%）導致厚層GaN龜裂、大尺寸外延片的翹曲控制、Ga原子擴散到Si襯底時發生的回熔腐蝕現象等。

發明內容

基于上述現有技術所存在的問題，本發明提供一種大尺寸高質量硅基AlGaN/GaNHEMT外延薄膜及其生長方法，是在硅（111）襯底上利用有機金屬化學氣相沉積的方法生長HEMT外延薄膜，旨在通過合理的薄膜結構設計和工藝參數設計生長出Si襯底GaN基HEMT無裂痕高均勻高質量的外延薄膜，通過應力控制層生長高質量高均勻性的AlGaN/GaN異質結獲得高濃度高遷移率的二維電子氣（2DEG）。

本發明為解決技術問題，采用如下技術方案：

一種大尺寸高質量硅基AlGaN/GaN HEMT外延薄膜，其特點在于：所述HEMT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。