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CN103594509A - 一种氮化镓高电子迁移率晶体管及其制备方法 - Google Patents

一种氮化镓高电子迁移率晶体管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微电子技术。本发明解决了现有AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中，电子容易溢出沟道进入缓冲层，从而降低沟道夹断性能的问题，提供了一种氮化镓高电子迁移率晶体管及其制备方法，其技术方案可概括为：一种氮化镓高电子迁移率晶体管，包括衬底、氮化镓成核层、氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层及AlGaN势垒层，其特征在于，还包括AlGaN背势垒层，所述AlGaN背势垒层设置在氮化镓缓冲层与氮化镓沟道层之间，所述AlGaN背势垒层中，Al原子组分含量沿氮化镓成核层向氮化镓沟道层方向由零逐渐增加至一固定数值。本发明的有益效果是，提高器件的微波性能和功率特性，适用于高电子迁移率晶体管。

Description

一种氮化镓高电子迁移率晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及微电子技术，特别涉及氮化镓高电子迁移率晶体管的技术。
背景技术
氮化镓（GaN）与第一代和第二代半导体材料相比具有更高的击穿电场强度、高饱和速度及高热稳定性等优良性能，使其得到了人们的极大关注和研究，其中研究最为广泛的是AlGaN/GaN（氮化铝镓/氮化镓）高电子迁移率晶体管（HEMT），该器件在高频、高功率、高温等都有应用。
AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管是一种异质结场效应晶体管，它是利用氮化物材料特有的极化效应使得在异质结界面势阱中形成高浓度的二维电子气（2-DEG）沟道，通过肖特基栅压控制沟道电子实现工作。2-DEG存在于AlGaN势垒层和GaN沟道层相接触的异质结表面，其迁移率很高并且在极低的温度下也不冻结，具有很好的温度特性。HEMT是一种电压控制的器件，栅极电压Vg可以控制AlGaN和GaN异质结势阱的深度，进而控制势阱中2-DEG的面密度，从而控制器件的工作电流。现有的GaN HEMT外延结构一般包括衬底、成核层、缓冲层、沟道层及势垒层，成核层设置在衬底上方，缓冲层设置在成核层上方，沟道层设置在缓冲层上方，势垒层设置在沟道层上方，衬底一般为蓝宝石、碳化硅（SiC）或单晶硅（Si），对于通常采用的AlGaN/GaN异质结构，缓冲层和沟道层均为GaN，势垒层为AlGaN，在这种单异质结构中沟道层和缓冲层均为GaN，之间不能形成导带带阶，沟道二维电子气的限域性较差，电子容易溢出沟道进入缓冲层，从而降低了沟道的夹断性能，造成器件的输出电导增大和击穿性能下降，进而降低了器件的频率性能和功率特性。
发明内容
本发明的目的是要克服目前AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中，电子容易溢出沟道进入缓冲层，从而降低沟道夹断性能的问题，提供一种氮化镓高电子迁移率晶体管及其制备方法。
本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，一种氮化镓高电子迁移率晶体管，包括衬底、氮化镓成核层、氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层及AlGaN势垒层，其特征在于，还包括AlGaN背势垒层，所述AlGaN背势垒层设置在氮化镓缓冲层与氮化镓沟道层之间，所述AlGaN背势垒层中，Al原子与Ga原子的原子比例为x:1-x，0<x<1，Al原子组分含量沿氮化镓成核层向氮化镓沟道层方向由零逐渐增加至一固定数值。
具体的，衬底为蓝宝石衬底或碳化硅衬底或单晶硅衬底。
进一步的，所述固定数值的取值范围为0.02至0.5。
再进一步的，所述AlGaN背势垒层的厚度为10nm至50nm，氮化镓沟道层的厚度为10nm至500nm。
一种氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将衬底置于高温高压氢气气氛下烘烤一段时间；
步骤2、通入氨气及三甲基镓，在衬底表面生长氮化镓成核层；
步骤3、继续通入氨气及三甲基镓，在氮化镓成核层上生长氮化镓缓冲层；
步骤4、继续通入氨气及三甲基镓，并通入三甲基铝，通入的三甲基铝与三甲基镓中，三甲基铝所占比例由零到一固定数值逐渐增大，在氮化镓缓冲层上生长AlGaN背势垒层；
步骤5、继续通入氨气及三甲基镓，并取消通入三甲基铝，在AlGaN背势垒层上生长氮化镓沟道层；
步骤6、继续通入氨气及三甲基镓，并通入三甲基铝，在氮化镓沟道层上生长AlGaN势垒层，完毕后降至室温。
进一步的，所述衬底为蓝宝石衬底或碳化硅衬底或单晶硅衬底。
具体的，步骤4中，所述生长AlGaN背势垒层时的温度为700至1200摄氏度。
再进一步的，步骤4中，所述固定数值的取值范围为0.02至0.5。
本发明的有益效果是，上述一种氮化镓高电子迁移率晶体管及其制备方法，相较于现有氮化镓高电子迁移率晶体管，AlGaN背势垒层能够与氮化镓沟道层形成导带带阶，增强2-DEG限域性，提高器件的微波性能和功率特性，且AlGaN背势垒层若为上述渐变的AlGaN背势垒层，相较于固定组分的AlGaN背势垒层，其能有效减低AlGaN背势垒层中的位错等缺陷密度，有助于进一步提升器件的性能及可靠性。
附图说明
图1为本发明的一种氮化镓高电子迁移率晶体管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，详细描述本发明的技术方案。
本发明所述的一种氮化镓高电子迁移率晶体管由衬底、氮化镓成核层、氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层、AlGaN势垒层及AlGaN背势垒层组成，其中，氮化镓成核层设置在衬底上，氮化镓缓冲层设置在氮化镓成核层上，AlGaN背势垒层设置在氮化镓缓冲层上，氮化镓沟道层设置在AlGaN背势垒层上，即AlGaN背势垒层设置在氮化镓缓冲层与氮化镓沟道层之间，AlGaN势垒层设置在氮化镓沟道层上。本发明所述的一种氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法中，采用MOCVD（Metal-organic Chemical Vapor Deposition金属有机化合物化学气相沉淀）技术，首先将衬底置于高温高压氢气气氛下烘烤一段时间，然后通入氨气及三甲基镓，在衬底表面生长氮化镓成核层，再继续通入氨气及三甲基镓，在氮化镓成核层上生长氮化镓缓冲层，然后再继续通入氨气及三甲基镓，并通入三甲基铝，在氮化镓缓冲层上生长AlGaN背势垒层，再继续通入氨气及三甲基镓，并取消通入三甲基铝，在AlGaN背势垒层上生长氮化镓沟道层，最后再继续通入氨气及三甲基镓，并通入三甲基铝，在氮化镓沟道层上生长AlGaN势垒层，完毕后降至室温。
实施例
本例的一种氮化镓高电子迁移率晶体管的结构示意图参见图1，其中的AlGaN背势垒层中，Al原子与Ga原子的原子比例为x:1-x，Al原子组分含量沿氮化镓成核层向氮化镓沟道层方向逐渐增加至一固定数值。
具体为：氮化镓成核层设置在衬底上，氮化镓缓冲层设置在氮化镓成核层上，AlGaN背势垒层设置在氮化镓缓冲层上，氮化镓沟道层设置在AlGaN背势垒层上，即AlGaN背势垒层设置在氮化镓缓冲层与氮化镓沟道层之间，AlGaN势垒层设置在氮化镓沟道层上。
其中，衬底可以为蓝宝石衬底或碳化硅衬底或单晶硅衬底等。在AlGaN背势垒层中，Al原子与Ga原子的原子比例为x:1-x，0<x<1，Al原子组分含量沿氮化镓成核层向氮化镓沟道层方向逐渐增加至一固定数值，该固定数值的取值范围为0.02至0.5，该AlGaN背势垒层的厚度为10nm至50nm，氮化镓沟道层的厚度为10nm至500nm。
其制备方法如下：
步骤1、将衬底置于高温高压氢气气氛下烘烤一段时间。
本步骤中，衬底可以为蓝宝石衬底或碳化硅衬底或单晶硅衬底等，本例采用蓝宝石衬底，则举例为：将蓝宝石衬底置于1080摄氏度和100Torr的氢气气氛下烘烤8分钟。
步骤2、通入氨气及三甲基镓，在衬底表面生长氮化镓成核层。
本步骤中，结合上述举例为：先降温至550摄氏度，通入氨气及三甲基镓，在蓝宝石衬底表面上生长20nm厚的氮化镓成核层。
步骤3、继续通入氨气及三甲基镓，在氮化镓成核层上生长氮化镓缓冲层。
本步骤中，结合上述举例为：继续通入氨气及三甲基镓，在氮化镓成核层表面上生长2μm厚的氮化镓缓冲层。
步骤4、继续通入氨气及三甲基镓，并通入三甲基铝，在氮化镓缓冲层上生长AlGaN背势垒层。
本步骤中，生长AlGaN背势垒层时的温度为700至1200摄氏度，且生长AlGaN背势垒层时，通入的三甲基铝与三甲基镓中，三甲基铝所占比例可由零到一固定数值逐渐增大，以形成渐变的AlGaN背势垒层，该固定数值的取值范围为0.02至0.5。其结合上述举例为：调整温度为950摄氏度，继续通入氨气及三甲基镓，并通入三甲基铝，通入的三甲基铝与三甲基镓中，三甲基铝所占比例可由0到0.06逐渐增大，在氮化镓缓冲层上生长50nm厚的Al原子组分含量逐渐增大的AlGaN背势垒层。
步骤5、继续通入氨气及三甲基镓，并取消通入三甲基铝，在AlGaN背势垒层上生长氮化镓沟道层。
本步骤中，结合上述举例为：继续通入氨气及三甲基镓，并关闭三甲基铝的通入，温度调整为1080摄氏度，在AlGaN背势垒层上生长200nm厚的氮化镓沟道层。
步骤6、继续通入氨气及三甲基镓，并通入三甲基铝，在氮化镓沟道层上生长AlGaN势垒层，完毕后降至室温。
本步骤中，结合上述举例为：继续通入氨气及三甲基镓，并通入三甲基铝，温度调整为1100摄氏度，在氮化镓沟道层上生长30nm厚的AlGaN势垒层，完毕后降至室温。

Claims (8)

1.一种氮化镓高电子迁移率晶体管，包括衬底、氮化镓成核层、氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层及AlGaN势垒层，其特征在于，还包括AlGaN背势垒层，所述AlGaN背势垒层设置在氮化镓缓冲层与氮化镓沟道层之间，所述AlGaN背势垒层中，Al原子与Ga原子的原子比例为x:1-x，0<x<1，Al原子组分含量沿氮化镓成核层向氮化镓沟道层方向由零逐渐增加至一固定数值。
2.如权利要求1所述的一种氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，衬底为蓝宝石衬底或碳化硅衬底或单晶硅衬底。
3.如权利要求1所述的一种氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述固定数值的取值范围为0.02至0.5。
4.如权利要求1或2或3或4所述的一种氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述AlGaN背势垒层的厚度为10nm至50nm，氮化镓沟道层的厚度为10nm至500nm。
5.一种氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将衬底置于高温高压氢气气氛下烘烤一段时间；
步骤2、通入氨气及三甲基镓，在衬底表面生长氮化镓成核层；
步骤3、继续通入氨气及三甲基镓，在氮化镓成核层上生长氮化镓缓冲层；
步骤4、继续通入氨气及三甲基镓，并通入三甲基铝，通入的三甲基铝与三甲基镓中，三甲基铝所占比例由零到一固定数值逐渐增大，在氮化镓缓冲层上生长AlGaN背势垒层；
步骤5、继续通入氨气及三甲基镓，并取消通入三甲基铝，在AlGaN背势垒层上生长氮化镓沟道层；
步骤6、继续通入氨气及三甲基镓，并通入三甲基铝，在氮化镓沟道层上生长AlGaN势垒层，完毕后降至室温。
6.如权利要求5所述的一种氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底或碳化硅衬底或单晶硅衬底。
7.如权利要求5所述的一种氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述生长AlGaN背势垒层时的温度为700至1200摄氏度。
8.如权利要求5或6或7所述的一种氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述固定数值的取值范围为0.02至0.5。
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