CN113948391B - 一种硅基AlGaN/GaN HEMT器件及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硅基AlGaN/GaN HEMT器件及制备方法，该制备方法包括步骤：S1、在Si衬底的背面生长至少一层SiGe外延层；S2、往反应室中通入三甲基铝和氨气，在目标温度和目标气体流量下对所述Si衬底的正面进行预处理；S3、在预处理后的所述Si衬底的正面依次外延生长AlN成核层、AlGaN阶变层、GaN缓冲层和AlGaN势垒层，形成硅基AlGaN/GaNHEMT器件；S4、对所述硅基AlGaN/GaN HEMT器件进行降温处理。该制备方法在Si衬底的背面设置SiGe外延层，SiGe的热膨胀系数比Si大，当生长完AlGaN/GaN HEMT器件进行降温的过程中，由于SiGe的热膨胀系数更大，会在衬底中引入一定的压缩应力，对于硅基AlGaN/GaN HEMT器件中的拉伸应力起到一定的抵消作用，从而达到降低翘曲的目的，提高材料的成品率。

Description

一种硅基AlGaN/GaN HEMT器件及制备方法

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种硅基AlGaN/GaN HEMT器件及制备方法。

背景技术

GaN作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，由于其禁带宽度较大(3.4ev)、大的击穿电场强度、抗辐射能力强等优势，被广泛应用于射频器件、发光二极管和功率电子器件中。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)作为常用的GaN结构，由于具有高的二维电子气迁移率、二维电子气密度而被广泛应用于新兴的5G通讯、雷达和太空探索等多个领域，但这也对AlGaN/GaN HEMT器件的射频性能提出了很高的要求。

常规的AlGaN/GaN HENT异质外延的衬底由SiC、蓝宝石和Si衬底。虽然SiC性能最好，但是由于大尺寸衬底较为昂贵，故而限制了其大规模商业化应用；而蓝宝石衬底则因为热导率较差，应用也受到限制。相比之下Si的衬底便宜且热导率更高，并且可以与Si传统工艺相兼容，得到了广泛关注。但是硅基AlGaN/GaN HEMT由于非常大的热失配和晶格失配，会造成较大的翘曲，影响材料的成品率。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种硅基AlGaN/GaN HEMT器件及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种硅基AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，包括步骤：

S1、在Si衬底的背面生长至少一层SiGe外延层；

S2、往反应室中通入三甲基铝和氨气，在目标温度和目标气体流量下对所述Si衬底的正面进行预处理；

S3、在预处理后的所述Si衬底的正面依次外延生长AlN成核层、AlGaN阶变层、GaN缓冲层和AlGaN势垒层，形成硅基AlGaN/GaN HEMT器件；

S4、对所述硅基AlGaN/GaN HEMT器件进行降温处理。

在本发明的一个实施例中，随着SiGe外延层数量的增加，SiGe外延层中Ge组分质量分数逐渐增大。

在本发明的一个实施例中，步骤S1包括：

S11、在所述Si衬底的背面生长第一SiGe外延层；

S12、在所述第一SiGe外延层的背面生长第二SiGe外延层。

在本发明的一个实施例中，所述第一SiGe外延层中Ge组分的质量分数为0.2-0.3，所述第二SiGe外延层中Ge组分的质量分数为0.4-0.5。

在本发明的一个实施例中，所述目标温度为1200℃。

在本发明的一个实施例中，所述三甲基铝的目标气体流量为180-190sccm。

在本发明的一个实施例中，所述氨气的目标气体流量为1300-1400sccm。

在本发明的一个实施例中，步骤S2和步骤S3之间还包括步骤：

在所述Si衬底的正面制备预铺铝层。

在本发明的一个实施例中，所述预铺铝层的制备条件为：反应室温度为1080-1090℃、三甲基铝流量为10-30sccm，制备得到的所述预铺铝的厚度小于10nm。

本发明的另一个实施例提供了一种硅基AlGaN/GaN HEMT器件，由如上述实施例所述的制备方法制得。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明在Si衬底的背面设置SiGe外延层，SiGe的热膨胀系数比Si大，当生长完AlGaN/GaN HEMT器件进行降温的过程中，由于SiGe的热膨胀系数更大，会在衬底中引入一定的压缩应力，对于硅基AlGaN/GaN HEMT器件中的拉伸应力起到一定的抵消作用，从而达到降低翘曲的目的，提高材料的成品率。

2、本发明在Si衬底的背面引入SiGe层，SiGe层可以在SiGe/Si界面引入一定的二维电子气，抵消部分由于Al扩散进入Si衬底带来的空穴浓度，降低器件的射频损耗。

3、本发明先对Si衬底进行预处理，然后在Si衬底上外延生长外延层，预处理会对Si衬底起到保护作用，使得Si衬底的表面更加平整，有利于之后外延层淀积过程中Al原子的迁移，使之更容易到达平衡位置，从而使得Si衬底上的外延层更容易转变为二维生长模式，进而可以降低由于三维小岛的形成以及合并带来的晶界的数目，有利于阻挡位错的延伸，得到的外延层也会更加平整，有利于提高外延GaN晶体的质量，有利于提高HEMT器件的性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种硅基AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法的流程示意图；

图2a-图2d为本发明实施例提供的一种硅基AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法的过程示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种硅基AlGaN/GaN HEMT的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1和图2a-图2d，图1为本发明实施例提供的一种硅基AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法的流程示意图，图2a-图2d为本发明实施例提供的一种硅基AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法的过程示意图。

该硅基AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法包括步骤：

S1、在Si衬底1的背面生长至少一层SiGe外延层。

具体的，Si衬底1的材料包括P型Si(111)，厚度为500-900μm，尺寸为2-6寸，电阻大于6000Ω·cm，例如，Si衬底1可以选用厚度为525μm、4寸的且电阻大于6000Ω·cm的大电阻P型Si片，请参见图2a。本实施例选用晶向为111的Si片，可以在衬底上生长出Ga面，保证了后续生长材料的质量。

首先对Si衬底1进行清洗和热清洁。

对Si衬底1进行清洗的方法为：将Si衬底放入20％的HF酸溶液中浸泡60s，再用H₂O₂、酒精和丙酮清洗，最后使用流动的去离子水冲洗60s。

对Si衬底1进行热清洁的方法为：将清洗后的衬底放入低压MOCVD反应室中，通入氢气，温度升高至1000℃，反应室压力控制为40Torr，将衬底在氢气氛围下热处理3min。

接着，在Si衬底1的背面生长至少一层SiGe外延层。

具体的，SiGe外延层的数量可以为1层，也可以为多层，本实施例不做进一步限制，只要在Si衬底1的背面生长有SiGe外延层均可达到降低材料翘曲的目的。

SiGe外延层的数量为多层时，随着外延层数量的增加，SiGe外延层中Ge组分质量分数也变大，形成渐变的外延层，这样有利于降低外延层的晶格适配，提高外延层的晶体质量。这样可以在利用多层SiGe层保持较大的压缩应力的同时，通过逐步减小Si衬底与背面的SiGe层之间的晶格失配，提高SiGe层的晶体质量。

在一个具体实施例中，SiGe外延层的数量为2层，即SiGe外延层包括第一SiGe外延层71和第二SiGe外延层72，此时，步骤S1包括：

S11、在Si衬底1的背面生长第一SiGe外延层71，请参见图2b。

利用气相沉积法，在反应室温度为390-410℃的条件下，在Si衬底1的背面生长厚度为0.8～1μm的SiGe，其中，Ge组分的质量分数为0.2-0.3，形成第一SiGe外延层71。

在一个具体实施例中，热清洁阶段后，将Si衬底1取出，放入超高真空的气相沉积(Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition，简称UHVCVD)反应室中，在反应室温度为400℃的条件下，在Si衬底1的背面生长厚度为0.8～1μm、Ge组分的质量分数为0.25的SiGe，形成第一SiGe外延层71。

S12、在第一SiGe外延层71的背面生长第二SiGe外延层72，请参见图2c。

利用气相沉积法，在反应室温度为390-410℃的条件下，在第一SiGe外延层71的背面生长厚度为0.8～1μm的SiGe，其中，Ge组分的质量分数为0.4-0.5，形成第二SiGe外延层72。

在一个具体实施例中，在CVD反应室温度为400℃的条件下，在第一SiGe外延层71的背面生长厚度为0.8、Ge组分的质量分数为0.47的SiGe，形成第二SiGe外延层72。

在形成第二SiGe外延层72后，将反应室温度升高至700℃，对样品进行退火处理。

本实施例中，第一SiGe外延层71中Ge组分质量分数为0.2-0.3，第二SiGe外延层72中Ge组分质量分数为0.4-0.5，因此，第一SiGe外延层71中Si组分质量分数大于第二SiGe外延层72中Si组分质量分数；在Si衬底背面先外延Si组分质量分数较大的SiGe作为过渡层，在外延Si组分质量分数较小的SiGe，可以降低Si衬底与后续生长的SiGe外延层之间的晶格失配，为外延高质量的SiGe层做准备，进而可以保证SiGe对衬底施加的压缩应力的大小。

S2、往反应室中通入三甲基铝和氨气，在目标温度和目标气体流量下对Si衬底1的正面进行预处理。

具体的，将反应室温度即目标温度升高至1190-1210℃，打开目标气体三甲基铝TMAl和氨气NH₃气路，使得目标气体流量分别为180-190sccm和1300-1400sccm，对Si衬底1进行预处理。在一个具体实施例中，反应室温度为1200℃，TMAl流量为190sccm，NH₃流量为1400sccm，预处理时间为10-20min。

在预处理之前，衬底表面有很多深坑，衬底表面起伏较大，在4-6nm，表面很粗糙；而经过预处理，Si衬底1的表面粗糙度得到了极大的改善，衬底表面起伏很小，在pm量级并且表面很平整，这样有利于之后的预铺铝、AlN成核层的淀积，可以进一步改善GaN的质量。

S3、在预处理后的Si衬底1的正面依次外延生长AlN成核层3、AlGaN阶变层4、GaN缓冲层5和AlGaN势垒层6，形成硅基AlGaN/GaN HEMT器件，请参见图2d。

具体的，利用金属有机化合物化学气相沉淀法在预处理后的Si衬底1的正面依次生长AlN成核层3、AlGaN阶变层4、GaN缓冲层5和AlGaN势垒层6，形成硅基AlGaN/GaN HEMT器件。

步骤S2具体包括步骤：

S21、在Si衬底1外延生长第一AlN成核层31。

具体的，利用MOCVD方法，同时打开三甲基铝(Trimethylaluminium，TMAl)和NH₃气路，调整TMAl流量为240-260sccm，NH₃流量为3800-4200sccm，生长温度为895-905℃，生长时间为60min，生长20-40nm厚的低温AlN成核层，形成第一AlN成核层31。

在一个具体实施例中，第一AlN成核层31的生长条件为：TMAl流量为260sccm，NH₃流量为4000sccm，生长温度为900℃，生长时间为60min，形成的第一AlN成核层31的厚度为30nm。

S22、在第一AlN成核层31上外延生长第二AlN成核层32。

具体的，将反应室温度升高至1200-1220℃，调整TMAl流量为190-200sccm，氨气流量为1350-1650sccm，生长160-180nm厚的高温AlN成核层，生长时间为60min，形成第二AlN成核层32。

在一个具体实施例中，第二AlN成核层32的生长条件为：TMAl流量为190sccm，NH₃流量为1400sccm，生长温度为1210℃，生长时间为60min，形成的第二AlN成核层32的厚度为170nm。

S23、在第二AlN成核层32上制备第一AlGaN层41。

具体的，将反应室温度降低至1140-1160℃，此时调整TMAl、三甲基镓(Trimethylgallium，TMGa)、NH₃流量分别为190-200sccm、10sccm、2650-3250sccm，生长340-360nm厚的AlGaN，形成Al组分质量分数为30-40％的第一AlGaN层41。

在一个具体实施例中，第一AlGaN层41的生长条件为反应室温度为1150℃，TMAl、TMGa、NH₃流量分别为190sccm、10sccm、2700sccm，生长形成的第一AlGaN层41的厚度为350nm，Al组分质量分数为35％。

S24、在第一AlGaN层41上制备第二AlGaN层42。

具体的，保持反应室温度为1140-1160℃，调整TMAl、TMGa、NH₃流量分别为160-170sccm、20sccm、2920sccm-3580sccm，生长390-410nm厚的AlGaN，形成Al组分质量分数为70-80％的第二AlGaN层42。

在一个具体实施例中，第二AlGaN层42的生长条件为：反应室温度为1150℃，TMAl、TMGa、NH₃流量分别为162sccm、20sccm、3000sccm，生长形成的第二AlGaN层42的厚度为400nm，Al组分质量分数为75％。

进一步的，第一AlGaN层41和第二AlGaN层42共同形成阶变AlGaN缓冲层4。

S25、在AlGaN缓冲层3上生长GaN缓冲层5。

具体的，保持反应室温度不变，关闭TMAl源，调整TMGa、NH₃流量分别为190-200sccm、8800-10100sccm，继续外延生长厚度为900-1100nm的GaN层，形成GaN缓冲层5。

在一个具体实施例中，GaN缓冲层5的生长条件为：反应室温度为1150℃，TMGa流量为192sccm，NH₃流量为9000sccm，形成的GaN缓冲层5的厚度为1μm。

在经过预处理的Si衬底上生长得到的GaN，其螺位错和刃位错密度更低，而螺位错、刃位错越低说明晶体质量越好，因此，在经过预处理的Si衬底上生长得到的GaN晶体质量较好。

本实施例中先对Si衬底进行预处理，然后在Si衬底上外延生长外延层，预处理会对Si衬底起到保护作用，使得Si衬底的表面更加平整，有利于之后AlN成核层淀积过程中Al原子的迁移，使之更容易到达平衡位置，此时反应原子与衬底的位点结合按照二维模式生长，即AlN成核层更容易转变为二维生长模式，AlN成核层上的各外延层也更倾向于转变为二维生长模式，进而可以降低由于三维小岛的形成以及合并带来的晶界的数目，有利于阻挡位错的延伸，得到的成核层和外延层也会更加平整，同时二维生长模式也更加有效的降低位错密度，避免了外延层晶格失配带来的位错以及硅基GaN本身存在的较大失配引入的位错，提高了外延GaN晶体的质量，提高了HEMT器件的性能。

S26、在GaN缓冲层5上制备AlGaN势垒层6。

具体的，将反应室温度升高至1190℃，打开TMAl源，此时调整TMAl、TMGa、NH₃流量分别为70-90sccm、35-50sccm和10000-24000sccm，淀积200-300nm的AlGaN层，形成AlGaN势垒层6。

在一个具体实施例中，AlGaN势垒层6的生长条件为反应室温度为1190℃，TMAl流量为80sccm，TMGa流量为43sccm，NH₃流量为20000sccm，形成的AlGaN势垒层6厚度为250nm。

S3、对硅基AlGaN/GaN HEMT器件进行降温处理。

具体的，可以在AlGaN/GaN HEMT的反应腔室中将AlGaN/GaN HEMT器件降温到室温，也可以将硅基AlGaN/GaN HEMT器件放置在室温环境中进行降温。本实施例中，由于利用金属有机化合物化学气相沉淀设备制备硅基AlGaN/GaN HEMT器件，因此，继续在MOCVD设备中对HEMT器件进行降温。

在对HEMT器件进行降温的过程中，由于SiGe的热膨胀系数比Si大，SiGe会在衬底中引入一定的压缩应力，对于硅基AlGaN/GaN HEMT器件中的拉伸应力起到一定的抵消作用，从而达到降低翘曲的目的，提高材料的成品率。另外，在Si衬底的背面引入SiGe层，SiGe层可以在SiGe/Si界面引入一定的二维电子气，抵消部分由于Al扩散进入Si衬底带来的空穴浓度，降低器件的射频损耗。

由上述制备方法制得的硅基AlGaN/GaN HEMT器件结构请参见图2d，图2d为本发明实施例提供的一种硅基AlGaN/GaN HEMT的结构示意图。该硅基AlGaN/GaN HEMT器件包括依次层叠的至少一层SiGe外延层、Si衬底1、AlN成核层3、AlGaN阶变层4、GaN缓冲层5和AlGaN势垒层6,其中，Si衬底1为经过预处理的表面起伏在pm量级的衬底。该硅基AlGaN/GaN HEMT器件中各层的具体参数请参见上述描述，此处不再赘述。

该硅基AlGaN/GaN HEMT器件由于Si衬底1为经过预处理的表面起伏在pm量级的衬底，外延GaN晶体的质量较高，器件性能较好；同时在Si衬底背面设置了热膨胀系数较大的SiGe层，使得器件具有较低的翘曲度和较低的射频损耗。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施例提供了另一种硅基AlGaN/GaN HEMT的制备方法，该制备方法包括步骤：

S1、在Si衬底1的背面生长至少一层SiGe外延层。

S2、往反应室中通入三甲基铝和氨气，在目标温度和目标气体流量下对Si衬底1的正面进行预处理。

S2、在Si衬底1的正面制备预铺铝层2。

具体的，将反应室温度升高至1080-1090℃，打开TMAl气路，调整TMAl流量为10-30sccm，在Si衬底1的正面进行预铺铝层2的制备，形成的预铺铝层2的厚度小于10nm。

在一个具体实施例中，预铺铝层2的制备条件为反应室温度为1085℃，TMAl流量为20sccm。

S3、在预铺铝层2的正面依次生长AlN成核层3、AlGaN阶变层4、GaN缓冲层5和AlGaN势垒层6，形成硅基AlGaN/GaN HEMT器件。

S4、对硅基AlGaN/GaN HEMT器件进行降温处理。

步骤S1～S2、S3～S4的具体实施方法请参见实施例一，本实施例不再赘述。

制备得到的器件结构请参见图3，图3为本发明实施例提供的另一种硅基AlGaN/GaN HEMT的结构示意图。该硅基AlGaN/GaN HEMT包括依次层叠的至少一层SiGe外延层、Si衬底1、预铺铝层2、AlN成核层3、AlGaN阶变层4、GaN缓冲层5和AlGaN势垒层6，其中，Si衬底1为经过预处理的表面起伏在pm量级的衬底。

本实施例在Si衬底和AlN成核层之间设置预铺铝，不仅可以提高成核层的生长效果，而且可以改善GaN的晶体质量，进而提高器件性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种硅基AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于，利用金属有机化合物化学气相沉淀设备制备硅基AlGaN/GaN HEMT器件，包括步骤：

S1、在Si衬底(1)的背面生长至少一层SiGe外延层；

S2、将反应室温度升高至1190-1210℃，往反应室中通入三甲基铝和氨气，使得三甲基铝的气体流量为180-190sccm、氨气的气体流量为1300-1400sccm，对所述Si衬底(1)的正面进行预处理；

S3、在所述Si衬底(1)的正面制备预铺铝层(2)，所述预铺铝层(2)的制备条件为：反应室温度为1080-1090℃、三甲基铝流量为10-30sccm，制备得到的所述预铺铝层(2)的厚度小于10nm；

S4、在预铺铝层(2)的正面依次外延生长AlN成核层(3)、AlGaN阶变层(4)、GaN缓冲层(5)和AlGaN势垒层(6)，形成硅基AlGaN/GaN HEMT器件，其中，所述预处理用于降低所述AlN成核层(3)、AlGaN阶变层(4)、GaN缓冲层(5)和AlGaN势垒层(6)由三维生长模式转变为二维生长模式的难度；

S5、对所述硅基AlGaN/GaN HEMT器件进行降温处理，降温过程中，所述至少一层SiGe外延层在Si衬底(1)中引入压缩应力，同时，SiGe在SiGe/Si界面引入二维电子气以抵消Al扩散进入Si衬底带来的空穴浓度。

2.根据权利要求1所述的硅基AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于，随着SiGe外延层数量的增加，SiGe外延层中Ge组分质量分数逐渐增大。

3.根据权利要求1所述的硅基AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于，步骤S1包括：

S11、在所述Si衬底(1)的背面生长第一SiGe外延层(71)；

S12、在所述第一SiGe外延层(71)的背面生长第二SiGe外延层(72)。

4.根据权利要求3所述的硅基AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于，所述第一SiGe外延层(71)中Ge组分的质量分数为0.2-0.3，所述第二SiGe外延层(72)中Ge组分的质量分数为0.4-0.5。

5.一种硅基AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于，由如上述权利要求1～4任一项所述的制备方法制得。