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CN115719758A - 一种高均匀性氮化镓异质结材料结构及外延生长方法 - Google Patents

一种高均匀性氮化镓异质结材料结构及外延生长方法 Download PDF

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CN115719758A
CN115719758A CN202211558532.8A CN202211558532A CN115719758A CN 115719758 A CN115719758 A CN 115719758A CN 202211558532 A CN202211558532 A CN 202211558532A CN 115719758 A CN115719758 A CN 115719758A
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CN202211558532.8A
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彭大青
李忠辉
李传皓
杨乾坤
陈韬
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CETC 55 Research Institute
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CETC 55 Research Institute
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Abstract

一种高均匀性氮化镓异质结材料结构及外延生长方法,涉及半导体单晶薄膜技术领域。所述材料结构自下而上包括:SiC衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、InAlGaN插入层、AlGaN势垒层;所述材料采用金属有机物化学气相沉积方法在衬底上外延制备。InAlGaN插入层能够增强异质结量子阱中载流子的限域性,提高二维电子气迁移率。与常规的AlN插入层相比,InAlGaN插入层与GaN缓冲层的晶格失配度较小,不易发生晶格驰豫,厚度的选择窗口较大,工艺容易控制,插入层原子层数增加有利于提高氮化镓高电子迁移率晶体管材料电学特性的均匀性、一致性。采用渐变升温的工艺生长InAlGaN插入层,能够有效提高插入层表面质量,避免升温对材料性能的影响。

Description

一种高均匀性氮化镓异质结材料结构及外延生长方法
技术领域
本发明涉及半导体单晶薄膜技术领域,具体涉及一种高均匀性氮化镓异质结材料结构及外延生长方法。
背景技术
氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种新型电子器件,采用铝镓氮(AlGaN)作势垒,与GaN缓冲层形成AlGaN/GaN异质结是当前较为常用的材料体系,得益于AlGaN/GaN异质结较强的极化特性和带隙差,在异质结量子阱中形成高密度二维电子气(2DEG),通过肖特基栅压控制沟道电子实现工作。GaN HEMT器件具有高频、大功率的优异特性,广泛应用于无线通信基站、电力电子器件等信息收发、能量转换等领域,符合当前节能环保、绿色低碳的发展理念。
AlGaN/GaN异质结二维电子气迁移率是影响器件功率特性的关键因素之一,较高的载流子迁移率有利于提高器件的工作电流。AlGaN/GaN异质结中二维电子气迁移率受多种散射机制的制约,主要包括:晶格散射(又称声子散射)、界面散射以及合金无序散射等。室温下,AlGaN/GaN异质结二维电子气迁移率一般在1300-1600 cm2/Vs,与Al组分及二维电子气浓度有关。通过在AlGaN/GaN异质结之间插入一层1nm左右的氮化铝(AlN)薄层,二维电子气迁移率可提高至2000-2200 cm2/Vs,二维电子气浓度也会提升,提升的幅度与AlN插入层的厚度密切相关。
AlN插入层虽然可以带来材料及器件性能的提升,但是由于与上方的AlGaN势垒层和下方的GaN缓冲层具有较大的晶格失配,使得其厚度一般不能超过2nm,否则将发生应变弛豫、表面质量恶化等问题,达不到改善沟道电子输运特性的效果。目前采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法生长1nm(两层原子)左右的AlN插入层工艺难度较大,很难精确控制其厚度并保证整个圆片的均匀性。因此,对于微波功率器件用AlGaN/GaN异质结材料,如何有效提高沟道二维电子气迁移率,同时实现外延工艺的精确可控以及片内的均匀性是一个重要课题。
发明内容
解决的技术问题:针对现有技术中无AlN插入层AlGaN/GaN异质结外延材料沟道二维电子气迁移率低,有AlN插入层AlGaN/GaN异质结外延材料存在内应力大、均匀性控制难度高的问题,本发明提供一种高均匀性氮化镓异质结材料结构及外延生长方法,采用InAlGaN作为插入层能有效提高沟道二维电子气浓度和迁移率。与AlN插入层相比,InAlGaN插入层与GaN之间的晶格失配度较小,插入层发生应变弛豫的临界厚度较大,插入层厚度的选择窗口增大,降低了外延工艺的难度,原子层数增加有利于提高材料的均匀性和一致性。同时,采用渐变升温的工艺生长InAlGaN插入层,能够有效提高插入层表面质量,避免升温对材料性能的影响。
技术方案:一种高均匀性氮化镓异质结材料结构,所述高均匀性氮化镓异质结材料结构自下而上依次为衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、InAlGaN插入层和AlGaN势垒层,其中AlN成核层厚度为10-100 nm,GaN缓冲层厚度为500-2500 nm,InAlGaN插入层厚度为2-4nm,AlGaN势垒层厚度为10-30 nm。
作为优选,所述衬底为SiC衬底。
作为优选,所述InAlGaN插入层中,In组分范围区间为(0,0.1],Al组分范围区间为(0.5,0.9],Ga组分范围区间为(0,0.5],此范围内的InAlGaN插入层材料既不会显著增加AlGaN/GaN异质结应力,造成晶格驰豫,也具有较强的极化强度,保持沟道二维电子气浓度和迁移率在较高的水平。
作为优选,所述AlGaN势垒层中Al组分范围在0.15-0.35之间。
基于上述一种高均匀性氮化镓异质结材料结构的外延生长方法,步骤如下:
步骤一. 选取衬底,将其放置于金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备反应腔内;
步骤二.将反应腔升温至1000-1200℃,通入氢气,对衬底进行烘烤处理,时间5-10分钟;
步骤三. 调整反应腔温度至1000-1200℃,设定反应腔压力为50-100Torr,通入氨气和三甲基铝,生长10-100 nm厚AlN成核层;
步骤四. 关闭三甲基铝,调整反应腔温度至950-1100℃,设定反应腔压力为100-500Torr,通入三甲基镓,生长500-2500 nm厚GaN缓冲层;
步骤五. 调整反应腔温度至850-900℃,设定反应腔压力为50-150Torr,通入三甲基铟、三甲基铝,在缓冲层上生长2-4nm厚InAlGaN插入层,生长过程中温度渐变升高至950-1000℃;
步骤六. 关闭三甲基铟,保持反应腔温度、压力不变,生长10-30nm厚AlGaN势垒层;
步骤七. 关闭氨气、三甲基铝和三甲基镓,降至室温,取片。
作为优选,所述步骤五中温度渐变升高的速率为40-80℃/min。
有益效果: 本发明提出的铟铝镓氮(InAlGaN)插入层,在In组分较低、Al组分较高的情况下,具有较强的极化效应,产生的负极化电荷能抬高AlGaN势垒层的能级,增强沟道电子的限域性,有效降低沟道电子进入势垒层的概率,提高沟道二维电子气浓度和迁移率。同时,与AlN插入层相比,InAlGaN插入层与GaN之间的晶格失配度较小,使得插入层发生应变弛豫的临界厚度增加,插入层厚度的选择窗口增大,降低外延工艺的难度,原子层数增加有利于提高材料的均匀性和一致性。
与AlGaN相比,生长InAlGaN四元合金需要较低的温度,以提高In的并入效率。因此,在InAlGaN之上生长AlGaN需要升高反应腔温度,升温会造成InAlGaN插入层表面损伤,造成材料性能下降。本发明提出采用渐变升温的工艺生长InAlGaN插入层,能够有效提高插入层表面质量,避免升温对材料性能的影响。
附图说明
图1为本发明的一种高均匀性氮化镓异质结外延材料结构示意图。
图2 为本发明的一种高均匀性氮化镓异质结外延材料制备流程图。
图3为AlN与InAlGaN两种插入层与GaN缓冲层晶格失配度对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
一种高均匀性氮化镓异质结材料,如图1所示,其结构包括:
衬底1,该衬底材料为SiC;
AlN成核层2,该AlN成核层2生长在衬底1上,其作用为浸润衬底1,为后续缓冲层提供成核点,并调节衬底1与外延层之间的应力,AlN成核层2厚度为10-100 nm;
GaN缓冲层3,该GaN缓冲层3生长在AlN成核层2上,释放外延层与衬底1之间的晶格失配,为异质结制备提供基板,GaN缓冲层3厚度为500-2500 nm;
InAlGaN插入层4,该InAlGaN插入层4生长在GaN缓冲层3上,采用InAlGaN四元合金,与GaN缓冲层晶格失配度小,驰豫临界厚度大,原子层数多,厚度均匀性好,InAlGaN插入层4厚度为2-4 nm,In组分范围区间为(0,0.1],Al组分范围区间为(0.5,0.9],Ga组分范围区间为(0,0.5];
AlGaN势垒层5,该AlGaN势垒层5生长在InAlGaN插入层4上,与GaN缓冲层形成量子阱,通过极化效应产生高浓度二维电子气,AlGaN势垒层5厚度为10-30 nm,Al组分范围在0.15-0.35之间。
其中本发明提到的InAlGaN四元合金实际上是InN、AlN、GaN三种材料的组合,合金中三种III族元素原子数之和等于V族元素原子数。每一种III族元素的原子数占III族元素原子总数的比例为该III族元素的组分,设In组分为x,Al组分为y,Ga组分为z,则x+y+z=1。
同样,本发明提到的AlGaN为AlN、GaN两种材料的组合,合金中两种III族元素原子数之和等于V族元素原子数。每一种III族元素的原子数占III族元素原子总数的比例为该III族元素的组分,设Al组分为y,Ga组分为z,则y+z=1。
图2为本发明的制备流程图,结合图1示意图,上述高均匀性氮化镓异质结材料结构的外延生长方法,所采用设备为MOCVD,其中所用V族源为氨气,所用III族源为三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟,载气为氢气或氮气,根据实验研究,获得优选的制备工艺及步骤如下:
步骤一. 选取衬底1,将其放置于MOCVD设备反应腔内;
步骤二.将反应腔升温至1000-1200℃,通入氢气,对衬底1进行烘烤处理,时间5-10分钟;
步骤三. 调整反应腔温度至1000-1200℃,设定反应腔压力为50-100Torr,通入氨气和三甲基铝,生长10-100 nm厚AlN成核层2;
步骤四. 关闭三甲基铝,调整反应腔温度至950-1100℃,设定反应腔压力为100-500Torr,通入三甲基镓,生长500-2500 nm厚GaN缓冲层3;
步骤五. 调整反应腔温度至850-900℃,设定反应腔压力为50-150Torr,通入三甲基铟、三甲基铝,在缓冲层上生长2-4nm厚InAlGaN插入层,生长过程中温度渐变升高至950-1000℃,温度渐变升高的速率为40-80℃/min;
步骤六. 关闭三甲基铟,保持反应腔温度、压力不变,生长10-30nm厚AlGaN势垒层;
步骤七. 关闭氨气、三甲基铝和三甲基镓,降至室温,取片。
实施例1
步骤1,选取衬底1,将其放置于MOCVD设备反应腔内;
步骤2,将反应腔升温至1050℃,生长压力为100Torr,氢气气氛下进行衬底1原位预处理,时间10分钟;
步骤3,在衬底1上生长成核层,调整反应腔温度,通入氨气和三甲基铝,在生长温度为1100℃,生长压力为100Torr的条件下,生长厚度为50nm的AlN成核层2;
步骤4,在成核层上生长缓冲层,关闭三甲基铝,调整反应腔温度,在生长温度为1050℃,生长压力为200Torr的条件下,通入三甲基镓,生长厚度2000nm的GaN缓冲层3;
步骤5,在缓冲层上生长插入层,调整反应腔温度及压力,通入三甲基铟、三甲基铝,在生长温度从900℃渐变至1000℃,升温速率为60℃/min,生长压力为100Torr,氨气、三甲基铟、三甲基铝、三甲基镓摩尔比为1600:4:3:1的条件下,生长厚度为3nm的InAlGaN插入层4,其中,In组分从0.05渐变至0.01,Al组分从0.6渐变至0.63,Ga组分从0.35渐变至0.36;
步骤6,在插入层上生长势垒层,关闭三甲基铟,在生长温度为1000℃、生长压力为100 Torr的条件下,生长厚度为20nm的AlGaN势垒层5,其中Al组分为0.25;
步骤7,关闭氨气、三甲基铝和三甲基镓,降至室温,即可。
实施例2
步骤1,选取衬底1,将其放置于MOCVD设备反应腔内;
步骤2,将反应腔升温至1050℃,生长压力为100Torr,氢气气氛下进行衬底1原位预处理,时间10分钟;
步骤3,在衬底1上生长成核层,调整反应腔温度,通入氨气和三甲基铝,在生长温度为1100℃,生长压力为100Torr的条件下,生长厚度为50nm的AlN成核层2;
步骤4,在成核层上生长缓冲层,关闭三甲基铝,调整反应腔温度,在生长温度为1050℃,生长压力为200Torr的条件下,通入三甲基镓,生长厚度2000nm的GaN缓冲层3;
步骤5,在缓冲层上生长插入层,调整反应腔温度及压力,通入三甲基铟、三甲基铝,在生长温度从870℃渐变至970℃,升温速率为60℃/min,生长压力为100Torr,氨气、三甲基铟、三甲基铝、三甲基镓摩尔比为2000:5:3.5:1的条件下,生长厚度为3nm的InAlGaN插入层4,其中,In组分从0.08渐变至0.02,Al组分从0.7渐变至0.74,Ga组分从0.22渐变至0.24;
步骤6,在插入层上生长势垒层,关闭三甲基铟,在生长温度为970℃、生长压力为100 Torr的条件下,生长厚度为20nm的AlGaN势垒层5,其中,Al组分为0.25;
步骤7,关闭氨气、三甲基铝和三甲基镓,降至室温,即可。
实施例3
步骤1,选取衬底1,将其放置于MOCVD设备反应腔内;
步骤2,将反应腔升温至1050℃,生长压力为100Torr,氢气气氛下进行衬底1原位预处理,时间10分钟;
步骤3,在衬底1上生长成核层,调整反应腔温度,通入氨气和三甲基铝,在生长温度为1100℃,生长压力为100Torr的条件下,生长厚度为50nm的AlN成核层2;
步骤4,在成核层上生长缓冲层,关闭三甲基铝,调整反应腔温度,在生长温度为1050℃,生长压力为200Torr的条件下,通入三甲基镓,生长厚度2000nm的GaN缓冲层3;
步骤5,在缓冲层上生长插入层,调整反应腔温度及压力,通入三甲基铟、三甲基铝,在生长温度从850℃渐变至950℃,升温速率为60℃/min,生长压力为100Torr,氨气、三甲基铟、三甲基铝、三甲基镓摩尔比为2400:6:4:1的条件下,生长厚度为3nm的InAlGaN插入层4,其中,In组分从0.1渐变至0.03,Al组分从0.8渐变至0.86,Ga组分从0.1渐变至0.11;
步骤6,在插入层上生长势垒层,关闭三甲基铟,在生长温度为950℃、生长压力为100 Torr的条件下,生长厚度为20nm的AlGaN势垒层5,其中,Al组分为0.25;
步骤7,关闭氨气、三甲基铝和三甲基镓,降至室温,即可。
对比例1
同实施例2,区别在于:
步骤5,在缓冲层上生长插入层,调整反应腔压力,关闭三甲基镓、通入三甲基铝,在生长温度1050℃,生长压力为100Torr,氨气、三甲基铝摩尔比为800:1的条件下,生长厚度为1nm的AlN插入层4;
步骤6,在插入层上生长势垒层,打开三甲基镓,在生长温度为1050℃、生长压力为100 Torr的条件下,生长厚度为20nm的AlGaN势垒层5,其中,Al组分为0.25。
对比例2
同实施例2,区别在于:
步骤5,在缓冲层上生长插入层,调整反应腔温度及压力,通入三甲基铟、三甲基铝,在生长温度恒定为870℃、生长压力为100 Torr,氨气、三甲基铟、三甲基铝、三甲基镓摩尔比为2000:5:3.5:1的条件下,生长厚度为3nm的InAlGaN插入层4,其中,In组分恒定为0.08,Al组分恒定为0.7,Ga组分恒定为0.22;
步骤6,在插入层上生长势垒层,关闭三甲基铟,调整反应腔温度,在生长温度为970℃、生长压力为100 Torr的条件下,生长厚度为20nm的AlGaN势垒层5,其中,Al组分为0.25。
为了能够提高势垒高度,实现对沟道载流子的有效隔离,InAlGaN插入层Al组分需要不低于0.5,Al组分越高,隔离效果越好,但与GaN缓冲层晶格失配越大。In组分设计主要考虑工艺实现的难度,高In组分需要较低的生长温度,与势垒层存在工艺匹配性较差,因此,In组分一般小于0.1。图3为AlN与InAlGaN两种插入层与GaN缓冲层晶格失配度对比图,从图中可以看出,与AlN插入层相比,InAlGaN插入层与GaN缓冲层晶格失配度较低,在Al组分0.6-0.8,In组分0-0.1的优选范围内,InAlGaN插入层与GaN缓冲层的适配度小于2%。实施例1-3分别约为1.2%,1.2%,1.3%,为对比例1的一半。
采用实施例1-3、对比例1-2的5种外延材料结构及工艺所生长的4英寸AlGaN/GaN异质结材料特性如下表所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
从对比例1和实施例2中的结果可以看出,InAlGaN插入层能够在不明显降低材料电学特性的情况下,显著提高材料的方阻均匀性。从对比例2和实施例2中的结果可以看出,InAlGaN插入层需低温生长,AlGaN势垒层需高温生长,而升温会造成材料表面质量的下降,影响材料电学特性及均匀性,采用渐变温度的工艺,可以克服这个问题。
上述实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,制作方法上实际可采用的制作方案是很多的,凡依本发明的权利要求所做的均等变化与装饰,均属于本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种高均匀性氮化镓异质结材料结构,其特征在于,所述高均匀性氮化镓异质结材料结构自下而上依次为衬底(1)、AlN成核层(2)、GaN缓冲层(3)、InAlGaN插入层(4)和AlGaN势垒层(5),其中AlN成核层(2)厚度为10-100 nm,GaN缓冲层(3)厚度为500-2500 nm,InAlGaN插入层(4)厚度为2-4 nm,AlGaN势垒层(5)厚度为10-30 nm。
2.根据权利要求1所述的一种高均匀性氮化镓异质结材料结构,其特征在于,所述衬底为SiC衬底。
3.根据权利要求1所述的一种高均匀性氮化镓异质结材料结构,其特征在于,所述InAlGaN插入层(4)中In组分范围区间为(0,0.1],Al组分范围区间为(0.5,0.9],Ga组分范围区间为(0,0.5]。
4.根据权利要求1所述的一种高均匀性氮化镓异质结材料结构,其特征在于,所述AlGaN势垒层(5)中Al组分范围在0.15-0.35之间。
5.基于权利要求1所述的一种高均匀性氮化镓异质结材料结构的外延生长方法,其特征在于,步骤如下:
步骤一. 选取衬底(1),将其放置于金属有机物化学气相沉积设备反应腔内;
步骤二.将反应腔升温至1000-1200℃,通入氢气,对衬底(1)进行烘烤处理,时间5-10分钟;
步骤三. 调整反应腔温度至1000-1200℃,设定反应腔压力为50-100Torr,通入氨气和三甲基铝,生长10-100 nm厚AlN成核层(2);
步骤四. 关闭三甲基铝,调整反应腔温度至950-1100℃,设定反应腔压力为100-500Torr,通入三甲基镓,生长500-2500 nm厚GaN缓冲层(3);
步骤五. 调整反应腔温度至850-900℃,设定反应腔压力为50-150Torr,通入三甲基铟、三甲基铝,在缓冲层上生长2-4nm厚InAlGaN插入层,生长过程中温度渐变升高至950-1000℃;
步骤六. 关闭三甲基铟,保持反应腔温度、压力不变,生长10-30nm厚AlGaN势垒层;
步骤七. 关闭氨气、三甲基铝和三甲基镓,降至室温,取片。
6.根据权利要求5所述的一种高均匀性氮化镓异质结材料结构的外延生长方法,其特征在于,所述步骤五中温度渐变升高的速率为40-80℃/min。
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CN118763107A (zh) * 2024-09-06 2024-10-11 江西兆驰半导体有限公司 一种氮化镓基高电子迁移率晶体管及其制备方法

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