CN105374677B

CN105374677B - 一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管的方法

Info

Publication number: CN105374677B
Application number: CN201410421647.1A
Authority: CN
Inventors: 张国义; 贾传宇
Original assignee: Peking University; Sino Nitride Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Peking University; Sino Nitride Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-08-25
Publication date: 2018-05-22
Anticipated expiration: 2034-08-25
Also published as: CN105374677A

Abstract

本发明提供一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)的方法，尤其涉及一种采用碳纳米管作为周期性介质掩膜，采用选区外延（SAG）方法制备无龟裂、高晶体质量的AlGaN/GaN HEMT器件方法。在Si衬底上采用金属有机化学气相外延技术生长AlN成核层和AlGaN籽晶层；然后采用低压化学气相沉积法（LPCVD），生长排列整齐的多层碳纳米管，通过生长和编织，最终形成连续的碳纳米管薄膜；在此基础上采用选区外延（SAG）方法，利用GaN在介质掩膜和衬底上生长的选择性，把GaN外延层限制在没有介质掩膜的区域中生长，形成分立的窗口，从而释放整个外延层中的张应力；采用多周期Al组分渐变的Al_y1Ga_1‑y1N/GaN超晶格或AlN/Al_y1Ga_1‑y1N/GaN超晶格作为应力调控层，获得无龟裂、高晶体质量的GaN外延层。在此基础上制备AlGaN/GaN HEMT器件。

Description

一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管的方法

技术领域

本发明涉及一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率[场效应]晶体管(HEMT,high electron mobility transistor)的方法。尤其涉及一种采用碳纳米管作为周期性介质掩膜，采用选区[外延]生长，（selective area growth,SAG）方法制备无龟裂、高晶体质量的AlGaN/GaN HEMT 器件方法，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

高电子迁移率场效应晶体管（HEMT），又称调制掺杂场效应晶体管（MODFET，modulation-doped field effect transistor），是一种以衬底材料与另一种宽带材料形成的异质界面的二维电子气导电的场效应晶体管（FET）。因其沟道中无杂质，基本上不存在电离杂质散射对电子运动的影响，因此电子迁移率更高而得名。HEMT的工作原理是通过控制删极电压的变化使源极、漏极之间的沟道电流产生相应的变化，从而达到放大信号的目的。其优点是具有高的频率和低的噪声特性。HEMT现已用于***、移动通信、军事通信和雷达***的接收电路中。自1980年GaAs 基HEMT研制成功以来，得到了很快的发展。GaAs基HEMT在射频、微波及毫米波低频段已得到广泛的应用。InP器件比GaAs HEMT有更高的工作频率和更低的噪声，用于毫米波高频段和亚毫米波频段。GaN HEMT器件的特点是耐高温、大功率，有着巨大的应用前景，特别是在10-40GHz占据优势地位。

AlGaN/GaN HEMT 由于作为沟道层的GaN带隙宽度大（3.4eV）、击穿电压高(3.3MV/cm)、饱和电子速度大（2.8*10⁷s^-1）和二维电子气面密度高（10¹³cm²）等特性，导致GaN基HEMT的研究向更高工作频率、更大输出功率、更高工作温度和实用化方向发展。GaN基HEMT还可以用于高速开关集成电路和高压DC-DC变换器方面。 AlGaN/GaN HEMT生长在半绝缘的（0001）Si面SiC或（0001）蓝宝石衬底上，在核化层后生长一层半绝缘的GaN（约2μm）沟道层，接着生长不掺杂的 AlGaN 隔离层，掺Si的AlGaN和不掺杂的AlGaN 势垒层。二维电子气形成在沟道层/隔离层界面。Si 衬底尺寸大、价廉可以降低外延生长成本。对比硬度大、导热差的绝热蓝宝石衬底，简化衬底减薄等加工工艺，降低器件制作工艺成本。

在Si上金属有机物气相外延（metalorganic vapor phase epitaxy，MOVPE）生长GaN的难点在于：GaN纤维锌矿结构的（0001）与金刚石结构的Si（111）衬底的晶格失配为20.4%，会产生大量的位错；GaN与Si之间的热失配高达56%，外延生长结束后的降温工程中，外延层将承受很大的张应力。由于外延层厚度远小于衬底厚度，所以在外延层中会产生微裂纹，严重影响GaN器件特性。Si衬底上直接生长GaN时，NH₃容易与衬底Si发生反应而在衬底表面形成非晶态的SiN，影响GaN的生长质量。金属Ga与衬底Si之间也有很强的化学反应，会对衬底造成回溶，从而破坏界面的平整。在高温生长时，衬底中的Si会扩散至缓冲层表面，如果控制不当，将会影响GaN的生长模式，从而破坏晶体质量。此外由于Si是非极性半导体，在其上生长GaN、AlN或其他极性半导体时将会产生一些化合物极性相关的问题。

采用合适的缓冲层是解决Si衬底生长GaN时晶格失配、Si扩散和极性问题的有效手段，同时在一定程度上也可以缓解薄膜中的应力。为此人们尝试过许多方法，如AlAs、AlN、以及AlGaN/AlN等复合缓冲层。其中AlN结果最好，其主要优点是既可以和GaN在同一反应室进行生长，又可以避免高温生长时SiN的形成。根据其应力释放机理提出许多解决方法：

(1)缓冲层应力补偿法：通过缓冲层对上层GaN提供一个压应力来补偿热失配造成的张应力。如采用5个梯度的Al_xGa_1-xN(x=0.87、0.67、0.47、0.27和0.07)缓冲层，结果表明龟裂密度明显减少，且光学特性也有较大提高。

(2)***层应力剪裁法：通过***层来调节薄膜内部的应力状态，或阻挡由于热失配从衬底传入的张应力的传播。如超晶格***层法：***10个周期的AlN/GaN超晶格作***层，生长GaN总厚度为2μm,随着超晶格***层层数的增加，张应变减少。TEM显示位错密度随厚度变化而减小。

然而采用目前主流的***层方法不能够完全消除应力，且存在缺陷密度大，翘曲等问题。况且降低GaN位错密度有效的常规ELOG（epitaxial lateral overgrowth, ELOG）技术难于应用到AlGaN上，因为Al 原子在生长表面的迁移能力较差，AlGaN会在掩膜上沉积。

本发明，在大尺寸Si衬底上，采用碳纳米管作为周期性介质掩膜，采用选区外延（SAG）方法制备无龟裂、高晶体质量的AlGaN/GaN HEMT器件，不仅可以有效地解决至今技术中仍存在的不良应力及缺陷，有效地缓解翘曲。

发明内容

本发明提供一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)的方法，本发明的技术方案如下：在Si衬底上，（1）采用金属有机化学气相外延技术生长AlN成核层和AlGaN籽晶层。(2)然后采用低压化学气相沉积法（LPCVD，Low Pressure ChemicalVapor Deposition），采用乙炔作为载气，同时采用5nm的Fe作为催化剂，生长排列整齐的多层碳纳米管。生长后的碳纳米管直径为15nm。通过生长和编织，最终由平行排列的碳纳米管阵列可以形成连续的碳纳米管薄膜。（3）在此基础上采用选区外延（SAG）方法，利用GaN在介质掩膜和衬底上生长的选择性，把GaN外延层限制在没有隐蔽膜的区域中生长，形成分立的窗口，利用“受控小平面生长工艺”使位错弯曲，从而在整个面积上降低穿透位错密度，释放整个外延层中的张应力，获得无龟裂、高晶体质量的GaN外延层。（4）在此基础上生长多周期Al组分渐变的Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格或AlN/Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格作为应力调控层。（5）最终制备AlGaN/GaN HEMT 器件。该方法包括以下步骤：

步骤一，在金属有机化合物气相外延反应室中，在氢气（H₂）气氛下，在Si衬底上，温度1000℃～1500℃下，通入TMAl作为III族源，NH₃作为V族源，生长0.1～0.5微米厚AlN成核层；在此基础上，温度1000℃～1500℃下，通入TMAl、TMGa作为III族源，NH₃作为V族源，生长0.1～1微米厚AlGaN籽晶层。

步骤二，采用低压化学气相沉积法（LPCVD）生长排列整齐的多层碳纳米管。在生长过程中，采用乙炔作为载气，同时采用Fe作为催化剂。生长后的碳纳米管直径为15nm。通过生长和编织，最终由平行排列的碳纳米管阵列形成连续的碳纳米管薄膜。

步骤三，在氢气（H₂）气氛下，在1000℃～1500℃下,通入TMGa作为III族源，NH₃作为V族源，在此基础上采用选区外延（SAG）方法，利用GaN在介质掩膜和衬底上生长的选择性，把GaN外延层限制在没有介质掩膜的区域中生长，形成分立的窗口，释放整个外延层中的张应力，生长0.1～1微米GaN合并层。

步骤四，在氢气（H₂）气氛下，在1000℃～1500℃下,通入TMGa、TMAl作为III族源，NH₃作为V族源生长多周期非对称结构的Al组分梯度渐变的Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格或AlN/Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格，作为应力调控层，超晶格周期数为1～20。其中超晶格阱层GaN的厚度为1～5nm,超晶格Al_y1Ga_1-y1N垒层的厚度为1～5nm，超晶格AlN***层的厚度为1～5nm；

Al组分y₁随着应力调控层超晶格周期数的增加从1梯度减少至0（0≤y1≤1)。

步骤五，在氢气（H₂）气氛下，在1050℃～1200℃下,通入TMGa作为III族源，NH₃作为V族源生长2～4微米厚μ-GaN半绝缘层。接着通入TMGa、TMAl作为III族源，NH₃作为V族源，SiH₄作为n型掺杂源生长不掺杂的5nm～15nm AlGaN隔离层，10nm～20nm 掺Si的AlGaN和不掺杂的AlGaN势垒层。

本发明一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)的方法，采用碳纳米管作为周期性介质掩膜，采用选区外延（SAG）方法制备无龟裂、高晶体质量的AlGaN/GaN HEMT器件，不仅可以有效地解决至今技术尚且存在的应力及缺陷，有效缓解翘曲，而且可以有效提高热导。

附图说明

图1是本发明实施例1中一种采用碳纳米管作为周期性介质掩膜以及采用Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格应力调控层的新型结构AlGaN/GaN HEMT 器件的剖面图；

图2是本发明实施例2中一种采用碳纳米管作为周期性介质掩膜以及采用AlN/Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格新型结构AlGaN/GaN HEMT 器件的剖面图；

图3(a）是普通结构的没有采用碳纳米管作为周期性介质掩膜以及没有采用Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格或AlN/Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格应力调控层的AlGaN/GaN HEMT器件的SEM照片：图3(b)、（c）是采用本发明实施例1和实施例2新型结构的AlGaN/GaN HEMT器件的SEM照片。

具体实施方式

本发明提供一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)的方法。使用三甲基镓（TMGa），三甲基铝（TMAl）作为III族源，氨气（NH₃）作为V族源，硅烷（SiH₄）作为n型掺杂源，在Si衬底上，先低温生长AlN成核层和AlGaN籽晶层。在此基础上创造性采用碳纳米管作为周期性介质掩膜，采用选区外延（SAG）方法，并通过设计应力调控层结构，获得无龟裂、高晶体质量的AlGaN外延层。并进一步制备AlGaN/GaN HEMT 器件。

图1是根据本发明一个实施例的用于实现本发明的AlGaN/GaN HEMT器件侧面剖视图。图1中包括Si 衬底101，AlN成核层和AlGaN籽晶层 102,碳纳米管掩膜103，GaN 合并层104；Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格应力调控层105，u-GaN（undoped GaN）半绝缘层106。u-AlGaN(undoped AlGaN)隔离层107，n-AlGaN(n-doped AlGaN)和u-AlGaN(undoped AlGaN)势垒层108。

图2是根据本发明一个实施例的用于实现本发明的AlGaN/GaN HEMT器件侧面剖视图。图1中包括Si 衬底201，AlN成核层和AlGaN籽晶层 202,碳纳米管掩膜203，GaN 合并层204；AlN/Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格应力调控层205，u-GaN（undoped GaN）半绝缘层206。u-AlGaN(undoped AlGaN)隔离层207，n-AlGaN(n-doped AlGaN)和u-AlGaN(undoped AlGaN)势垒层208。

其中，Si衬底上的周期性介质掩膜采用碳纳米管，而应力调控层采用Al组分渐变的AlGaN/AlGaN超晶格或AlN/AlGaN/GaN超晶格结构或其它结构，只要是满足Al组分梯度渐变原则的都可以。

实施例1

使用Aixtron公司,紧耦合垂直反应室MOCVD生长***。生长过程中使用三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）作为III族源，氨气（NH₃）作为V族源，硅烷（SiH₄）作为n型掺杂源，二茂镁（Cp₂Mg）作为p型掺杂源，首先在MOCVD反应室中将Si衬底101加热到1080℃,在H₂气氛下，使用TMGa、TMAl作为III族源，NH₃作为V族源，生长0.1微米厚AlN成核层；接着，在1080℃、H₂气氛下，通入TMAl、TMGa作为III族源，NH₃作为V族源，生长0.5微米厚AlGaN籽晶层102。采用低压化学气相沉积法（LPCVD）生长排列整齐的多层碳纳米管。在生长过程中，采用乙炔作为载气，同时采用5nm的Fe作为催化剂。生长后的碳纳米管直径为15nm。通过生长和编织，最终由平行排列的碳纳米管阵列可以形成连续的碳纳米管薄膜103。在 1080℃、H₂气氛下，通入TMGa、TMAl作为III族源，NH₃作为V族源生长1μm GaN合并层104；在1080℃、H₂气氛下，通入TMGa、TMAl作为III族源，NH₃作为V族源生长20个周期的非对称结构的Al组分梯度渐变的（3nm）Al_y1Ga_1-y1N/(3nm)GaN超晶格***层，作为应力调控层105。其中Al组分y1随超晶格周期数增加从1阶梯式减少至0.05，Al组分阶梯变化是通过控制TMAl的流量实现（随超晶格周期数增加Al组分y₁依次为1、0.95、0.9、0.85、0.8、0.75、0.7、0.65、0.6、0.55、0.5、0.45、0.4、0.35、0.3、0.25、0.2、0.15、0.1、0.05）；在氢气（H2）气氛下，在1080℃下,通入TMGa作为III族源，NH₃作为V族源生长2μm厚u-GaN半绝缘层106。接着，在1080℃、H₂气氛下，通入TMGa、TMAl作为III族源，NH₃作为V族源，SiH₄作为n型掺杂源生长不掺杂的15nm AlGaN隔离层107，20nm 掺Si的AlGaN和20nm 不掺杂的AlGaN势垒层108。

实施例2

使用Aixtron公司,紧耦合垂直反应室MOCVD生长***。生长过程中使用三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）作为III族源，氨气（NH₃）作为V族源，硅烷（SiH₄）作为n型掺杂源，二茂镁（Cp₂Mg）作为p型掺杂源，首先在MOCVD反应室中将Si衬底201加热到1080℃,在H₂气氛下，使用TMGa、TMAl作为III族源，NH₃作为V族源，生长0.1微米厚AlN成核层；接着，在1080℃、H₂气氛下，通入TMAl、TMGa作为III族源，NH₃作为V族源，生长0.5微米厚AlGaN籽晶层202。采用低压化学气相沉积法（LPCVD）生长排列整齐的多层碳纳米管。在生长过程中，采用乙炔作为载气，同时采用5nm的Fe作为催化剂。生长后的碳纳米管直径为15nm。通过生长和编织，最终由平行排列的碳纳米管阵列可以形成连续的碳纳米管薄膜203。在 1080℃、H₂气氛下，通入TMGa、TMAl作为III族源，NH₃作为V族源生长1μm GaN合并层204；在1080℃、H₂气氛下，通入TMGa、TMAl作为III族源，NH₃作为V族源生长20个周期的非对称结构的Al组分梯度渐变的(3nm)AlN/（3nm）Al_y1Ga_1-y1N/(3nm)GaN超晶格***层，作为应力调控层205。其中Al组分y1随超晶格周期数增加从1阶梯式减少至0.05，Al组分阶梯变化是通过控制TMAl的流量实现（随超晶格周期数增加Al组分y₁依次为1、0.95、0.9、0.85、0.8、0.75、0.7、0.65、0.6、0.55、0.5、0.45、0.4、0.35、0.3、0.25、0.2、0.15、0.1、0.05）；在氢气（H2）气氛下，在1080℃下,通入TMGa作为III族源，NH₃作为V族源生长2μm厚u-GaN半绝缘层206。接着，在1080℃、H₂气氛下，通入TMGa、TMAl作为III族源，NH₃作为V族源，SiH₄作为n型掺杂源生长不掺杂的15nm AlGaN隔离层207，20nm 掺Si的AlGaN和20nm 不掺杂的AlGaN势垒层208。

如图3（b）、（c）SEM照片所示，采用本发明中技术：碳纳米管作为周期性介质掩膜，采用选区外延（SAG）方法，并通过设计应力调控层结构，获得无龟裂、高晶体质量的AlGaN/GaN HEMT器件。而没有采用炭纳米管作为周期性介质掩膜以及没有采用Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格或AlN/Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格的普通方法制备的AlGaN/GaN HEMT器件表面有明显的龟裂。

以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其描述较为具体和详细，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，因此不能仅以此来限定本发明的专利范围，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，即凡依据本发明所揭示的精神所作的变化，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims

1.一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)的方法，使用三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）作为III族源，氨气（NH₃）作为V族源，硅烷（SiH₄）作为n型掺杂源，在Si衬底上，先生长AlN成核层和AlGaN籽晶层；在此基础上创造性采用碳纳米管作为周期性介质掩膜，采用选区外延（SAG）方法，获得无龟裂、高晶体质量的GaN外延层，并进一步制备AlGaN/GaN HEMT 器件；该方法包括以下步骤：

步骤一，在金属有机化合物气相外延反应室中，在氢气（H₂）气氛下，在Si衬底上，温度1000℃～1500℃下，通入TMAl作为III族源，NH₃作为V族源，生长0.1～0.5微米厚AlN成核层；在此基础上，温度1000℃～1500℃下，通入TMAl、TMGa作为III族源，NH₃作为V族源，生长0.1～1微米厚AlGaN籽晶层；

步骤二，采用低压化学气相沉积法（LPCVD）生长排列整齐的多层碳纳米管；在生长过程中，采用乙炔作为载气，同时采用Fe作为催化剂；生长后的碳纳米管直径为15nm；通过生长和编织，最终由平行排列的碳纳米管阵列形成连续的碳纳米管薄膜；

步骤三，在氢气（H₂）气氛下，在1000℃～1500℃下，通入TMGa作为III族源，NH₃作为V族源生长0.1～1微米GaN合并层；

步骤四，在氢气（H₂）气氛下，在1000℃～1500℃下，通入TMGa、TMAl作为III族源，NH₃作为V族源生长多周期非对称结构的Al组分梯度渐变的Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格***层，作为应力调控层；

步骤五，在氢气（H₂）气氛下，在1050℃～1200℃下，通入TMGa作为III族源，NH₃作为V族源生长2～4微米厚μ-GaN半绝缘层；接着通入TMGa、TMAl作为III族源，NH₃作为V族源，SiH₄作为n型掺杂源生长不掺杂的5nm～15nm AlGaN隔离层，10nm～20nm 掺Si的AlGaN和不掺杂的AlGaN势垒层。

2.根据权利要求1所述的一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)的方法，其特征在于：由周期性平行排列的碳纳米管阵列形成连续的碳纳米管薄膜作为周期性介质掩膜；在此基础上采用选区外延（SAG）方法，利用GaN在新型碳纳米管介质掩膜和AlGaN籽晶层上生长的选择性，把GaN外延层限制在没有介质掩膜的区域中生长，形成分立的窗口，释放整个外延层中的张应力。

3.根据权利要求1所述的一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)的方法，其特征在于：所述的应力调控层采用多周期Al组分渐变的Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格，其中，Al组分y₁随着应力调控层超晶格周期数的增加从1梯度减少至0（0≤y1≤1)；超晶格周期数为1～20。

4.根据权利要求1所述的一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)的方法，其特征在于：所述的应力调控层采用多周期Al组分渐变的Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格，其中超晶格阱层GaN的厚度为1～5nm,超晶格Al_y1Ga_1-y1N垒层的厚度为1～5nm。

5.根据权利要求1所述的一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)的方法，其特征在于：所述的应力调控层采用多周期非对称结构Al组分渐变的AlN/Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格，其中Al组分y₁随着应力调控层超晶格周期数的增加从1梯度减少至0（0≤y1≤1)，超晶格周期数为1～20。

6.根据权利要求1所述的一种在大尺寸Si衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)的方法，其特征在于：所述的应力调控层采用多周期非对称结构Al组分渐变的AlN/Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格，其中超晶格阱层GaN的厚度为1～5nm,超晶格Al_y1Ga_1-y1N垒层的厚度为1～5nm，超晶格AlN***层的厚度为1～5nm。