CN105651817A - 氮化镓基异质结气敏传感器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料结构设计和晶体外延生长领域，特别是一种氮化镓基异质结气敏传感器的制作方法，其特征在于：(1)在衬底上生长低温氮化镓成核层；(2)然后再生长非有意掺杂氮化镓高阻层；(3)然后在700℃～850℃的温度范围内生长一层铟镓氮***层；(4)再生长很薄的低温氮化镓隔离层；(5)在低温氮化镓隔离层之上，生长非有意掺杂高迁移率氮化镓层；(6)在非有意掺杂高迁移率氮化镓层上，生长氮化铝***层；(7)在氮化铝***层上生长三层铝组分阶变的铝镓氮势垒层；(8)在1000℃～1100℃范围内生长非有意掺杂的氮化镓帽层。(9)在非有意掺杂的氮化镓帽层上淀积具有气敏传感特性的肖特基电极。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是一种氮化镓基异质结气敏传感器的制作方法。
背景技术
半导体气体传感器是采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化。根据其气敏机制，非电阻式半导体气体传感器一般是采用肖特基结构，以氢气传感为例来说明该类传感器的工作原理：肖特基二极管在与氢气接触时，氢气被吸附在催化金属表面，在金属的催化作用下分解为氢原子，氢原子从金属表面经晶格间隙扩散到金/半界面，二极管外加偏压后，氢原子被极化形成偶极层，二极管的势垒高度降低，输出电流增大，特性曲线发生漂移来检测氢气的存在。肖特基二极管型气体传感器具有制备简单、灵敏度高、稳定性高等优点。常用的半导体材料有Si、GaN、SiC等，只需在半导体材料上沉积一层很薄的金属就可形成肖特基结，一般采用金属Pt和Pd，金属Pt和Pd不仅可以与半导体材料形成肖特基结，同时由于它们对氢气的吸附具有催化作用，更能促进氢气分子在器件表面的吸附，提高了传感器的灵敏度。而氮化镓基异质结器件，其栅金属与半导体刚好形成肖特基势垒，同时具有较高的电子浓度，因此特别适用于制作气敏传感器件。
在本发明以前，普遍采用的氮化镓基异质结气敏传感器的制作方法为：在衬底上依次生长氮化镓缓冲层、非有意掺杂高迁移率氮化镓层、delta掺杂或非有意掺杂铝镓氮势垒层、金属Pt或Pd。由于这种传统制作，为了获得更高的传感灵敏度(即电流变化率)，通常需要更高浓度的二维电子气，而这就需要铝镓氮势垒层中的铝组分较高，同时传统结构对二维电子气的限制仅靠铝镓氮与氮化镓的异质结处形成的三角势阱，所以对二维电子气的限制作用有所局限，所以当氮化镓基异质结气敏传感器工作时，如果加以较大的漏极电压，就会引起一定的缓冲层漏电，从而引起电流下降而影响测量。同时由于高铝组分的铝镓氮势垒层表面形貌较差，具有气敏传感特性的金属如Pt电极不容易制作在其表面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化镓基异质结气敏传感器的制作方法。本发明是通过控制生长条件，如温度、压力，同时采用了特定的生长制作方法制作出了具有铟镓氮***层和阶变铝镓氮势垒层结构的氮化镓基异质结气敏传感器，其中铟镓氮***层的导带底能级在其压电极化电场的作用下被抬高，更好的把载流子限制在沟道之中。而阶变铝镓氮势垒层结构缓解了晶格适配的拉应力，提高了晶体质量和表面形貌，同时提高了铝镓氮势垒层的有效铝组分，便于在其上制作Pt等具有传感特性的金属电极，使得该传感器具有较好的灵敏度。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施方式对本发明作一个详细的描述，其中：
图1是本发明的氮化镓基异质结气敏传感器的结构示意图；
图2是本发明的氮化镓基异质结气敏传感器的能带示意图；
图3是本发明的氮化镓基异质结气敏传感器的表面原子力显微镜的测试结果；
图4是本发明的氮化镓基异质结气敏传感器的在100℃下的循环响应曲线。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明发明了一种氮化镓基异质结气敏传感器的制作方法，其中包括：
(1)选择一衬底10；该衬底10的材料为蓝宝石或硅或碳化硅或GaLiO3、ZnO；
(2)采用金属有机物化学气相淀积法，在衬底上生长一层低温氮化镓成核层20，该低温氮化镓成核层20的生长温度为500～600℃之间，生长压力为5.33×104～8.0×104帕，生长厚度为0.01～0.06μm；
(3)提高衬底10的温度，在低温氮化镓成核层20上生长非有意掺杂氮化镓高阻层30，该非有意掺杂氮化镓高阻层30的生长温度为1000～1100℃之间，生长压力为1.33×104～4.0×104帕，生长厚度为1～5μm；
(4)改变生长室压力和降低温度，在非有意掺杂氮化镓高阻层30上生长一层铟镓氮***层40，该铟镓氮***层40的生长温度在700～850℃之间，生长压力为1.33×104～4.0×104帕，生长厚度为1～10nm，铟组分为1％～10％；
(5)不改变生长温度，在铟镓氮***层40之上生长很薄的低温氮化镓隔离层50，用来防止铟的分凝扩散，该低温氮化镓隔离层50，生长温度在700～850℃之间，生长压力为1.33×104～4.0×104帕，生长厚度为1～5nm；
(6)改变生长室压力和提高温度，在低温氮化镓隔离层50之上，生长非有意掺杂高迁移率氮化镓层60，该非有意掺杂高迁移率氮化镓层60，生长温度在1000～1100℃之间，生长压力为5.33×104～8.0×104帕，生长厚度为10～300nm，优化值在10～50nm；
(7)在非有意掺杂高迁移率氮化镓层60上，生长很薄的氮化铝***层70，该氮化铝***层70，生长温度在1000～1100℃之间，生长压力为1.33×104～4.0×104帕，生长厚度在1～3nm之间；
(8)在氮化铝***层70上生长3层非有意掺杂的铝镓氮势垒层，分别为势垒层80、势垒层90和势垒层100，生长温度在1000～1100℃之间，生长压力为1.33×104～4.0×104帕。其中势垒层80生长厚度在5～10nm之间，铝组分为40～50％；势垒层90生长厚度在5～10nm之间，铝组分为25～35％；势垒层100生长厚度在5～10nm之间，铝组分为5～15％；
(9)最后生长非有意掺杂的氮化镓帽层110，该非有意掺杂的氮化镓帽层90，生长温度在1000～1100℃之间，生长压力为1.33×104～4.0×104帕，生长厚度在1～300nm之间。
(10)使用磁控溅射技术或电子束蒸发技术，在氮化镓帽层上淀积具有气敏传感特性的肖特基电极120。
请参阅图2所示的具体能带图结构，本发明关键在于通过分析异质结构中半导体的自发和压电极化效应，采用了铟镓氮***层改善对二维电子气的限制，并采用铝组分阶变的铝镓氮势垒层缓解了界面处的拉应力而降低了错位密度，从而提高了器件的表面形貌。如图2中所示，铟镓氮***层中的压电极化电场的方向，是从铟镓氮***层指向氮化镓缓冲层，而铝镓氮势垒层中的压电极化电场方向，则是从氮化镓高迁移率层指向铝镓氮势垒层，所以铟镓氮***层中的压电极化电场的方向与铝镓氮势垒层中的压电极化电场方向相反，所以铟镓氮***层的导带底能级在其压电极化电场的作用下被抬高，形成了一个背势垒结构，从而更好的把载流子限制在沟道之中，防止了沟道中的载流子泄漏到缓冲层中去。同时如图2中所示，铝镓氮势垒层被分为三层，铝组分从氮化铝***层界面由高向低阶变(50％，35％，20％)，阶变铝镓氮势垒层结构的晶格失配从高向低阶变，相应的应变能(拉应变)由高向低阶变，靠近势垒层表面的低铝组分Al0.2Ga0.8N层，拉应变较高铝组分的铝镓氮势垒层已显著减少，从而更容易获得高质量的铝镓氮势垒层表面质量。所以将方便制作具有气敏传感特性的肖特基电极。
采用金属有机物化学气相淀积法(MOCVD)生长获得以上结构的样品，对样品进行了测试分析，证明了该氮化镓基异质结气敏传感器具有较好的势垒层表面形貌和较高的氢气传感响应度。请参阅图3所示，原子力显微镜(AFM)测试方法证实该结构材料表面粗糙度(RMS)小于0.2nm，表明此结构材料具有平整的表面形貌。图4为在100℃下器件对氢气的重复响应性能曲线，表明该器件具有较高的氢气传感响应度和可重复性。该本发明利用了异质结构中半导体的自发和压电极化效应和能带工程理论进行设计，制作了一种氮化镓基异质结气敏传感器。
Claims (10)
1.一种氮化镓基异质结气敏传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选择一衬底10；采用金属有机物化学气相淀积法，在衬底10上生长一层低温氮化镓成核层20；
(2)提高衬底温度，在低温氮化镓成核层20上生长非有意掺杂氮化镓高阻层30；
(3)改变生长室压力和降低温度，在非有意掺杂氮化镓高阻层30上生长一层铟镓氮***层40；
(4)不改变生长温度，在铟镓氮***层40之上生长很薄的低温氮化镓隔离层50，用来防止铟的分凝扩散；
(5)改变生长室压力和提高温度，在低温氮化镓隔离层50之上，生长非有意掺杂高迁移率氮化镓层60；
(6)在非有意掺杂高迁移率氮化镓层60上，生长很薄的氮化铝***层70；
(7)在氮化铝***层70上生长3层非有意掺杂的铝组分阶变的铝镓氮势垒层，分别为势垒层80、势垒层90势垒层100；
(8)生长非有意掺杂的氮化镓帽层110；
(9)使用磁控溅射技术或电子束蒸发技术，在氮化镓帽层上淀积具有气敏传感特性的肖特基电极120。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基异质结气敏传感器的制作方法，其特征在于，其中所述的衬底10为蓝宝石或硅或碳化硅或GaLiO3、ZnO。
3.根据权利要求1所述的新型氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中所述的低温氮化镓成核层20的生长温度为500～600℃之间，生长压力为5.33×104～8.0×104帕，生长厚度为0.01～0.06μm。
4.根据权利要求1所述的新型氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中所述的非有意掺杂氮化镓高阻层30的生长温度为1000～1100℃之间，生长压力为1.33×104～4.0×104帕，生长厚度为1～5μm。
5.根据权利要求1所述的新型氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中所述的铟镓氮***层40的生长温度为700～850℃之间，生长压力为1.33×104～4.0×104帕，生长厚度为1～10nm，铟组分为1％～10％。
6.根据权利要求1所述的新型氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中所述的低温氮化镓隔离层50，生长温度在700～850℃之间，生长压力为1.33×104～4.0×104帕，生长厚度为1～5nm。
7.根据权利要求1所述的新型氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中所述的非有意掺杂高迁移率氮化镓层60，生长温度在1000～1100℃之间，生长压力为5.33×104～8.0×104帕，生长厚度为10～300nm，优化值在10-50nm。
8.根据权利要求1所述的新型氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中所述的氮化铝***层70，生长温度在1000～1100℃之间，生长压力为1.33×104～4.0×104帕，生长厚度在1～3nm之间。
9.根据权利要求1所述的新型氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中3层非有意掺杂的铝镓氮势垒层，生长温度在1000～1100℃之间，生长压力为1.33×104～4.0×104帕，其中势垒层80生长厚度在5～10nm之间，铝组分为40～50％；势垒层90生长厚度在5～10nm之间，铝组分为25～35％；势垒层100生长厚度在5～10nm之间，铝组分为5～15％。
10.根据权利要求1所述的新型氮化镓高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，其中非有意掺杂的氮化镓帽层，生长温度在1000～1100℃之间，生长压力为1.33×104～4.0×104帕，生长厚度在1～300nm之间。
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|---|---|---|---|---|
| WO2019136864A1 (zh) * | 2018-01-12 | 2019-07-18 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 基于复合势垒层结构的iii族氮化物增强型hemt及其制作方法 |
| CN112834579A (zh) * | 2021-01-07 | 2021-05-25 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 半导体气体传感器及其制备方法和应用 |
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| US11362205B2 (en) | 2018-01-12 | 2022-06-14 | Suzhou Institute Of Nano-Tech And Nano-Bionics (Sinano), Chinese Academy Of Sciences | Group III nitride enhancement-mode HEMT based on composite barrier layer structure and manufacturing method thereof |
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