CN1937246A - 复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用复合缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法，AlGaN/GaN单异质结高电子迁移率晶体管的电子被一个量子阱所限制，在缓冲层和沟道层之间***AlGaN缓冲层形成AlGaN/GaN/AlGaN双异质结构，有利于提高缓冲层一侧的势垒高度，增加沟道中基态和激发态电子的量子限制作用，提高器件的夹断性能和输出功率。

Description

复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体技术，尤其涉及电子迁移率晶体管的外延结构及其制造方法，具体地说是一种复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法。

背景技术

众所周知，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管具有较GaAs场效应晶体管更高的击穿场强、更高的功率密度和更高的工作温度，将成为高频段微波高温、大功率器件发展的方向，在通讯和雷达领域都有重要的应用。

在AlGaN/GaN单异质结高电子迁移率晶体管结构中，AlGaN势垒层与沟道层之间的大能带带阶产生一个很高的势垒E1，沟道层与GaN缓冲层间的电子电荷形成一个弱的势垒E2，这种不对称的势阱仅对基态电子产生较强的量子限制，对能量高于势垒E2的激发态电子来说，其波函数可以扩展到缓冲层中，大大降低了二维限制特性，导致其输运特性和沟道夹断性能变差，降低了f_T和f_max。当沟道被夹断时，电子气密度极低，势垒E2几乎消失，无法产生二维限制特性，影响了高电子迁移率晶体管的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法。

本发明的技术方案是：

一种复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是它由：

一个衬底1；

一个生长在衬底1上的成核层2；

一个履盖在成核层2之上的由高阻GaN层3和AlGaN层4组成的氮化物复合缓冲层；

一个生长在缓冲层上氮化物沟道层5；

一个生长在沟道层5上的隔离层6；

一个生长在隔离层6上的AlGaN势垒层7和

一个位于最上层的帽层组成。

所述的衬底1为蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、镓酸锂或铝酸锂。

所述的成核层2是GaN、AlGaN或AlN，其厚度为10～120nm，生长温度为400℃～1200℃。

所述的成核层2或为由GaN、AlGaN或AlN组成的多层材料，或为由GaN、AlGaN或AlN通过低温和高温生长形成的多层材料。

所述的氮化物复合缓冲层由1～3μm的高阻GaN层3和10～80nm的AlGaN层4组成，其中Al的摩尔含量为0～0.3。

所述的氮化物沟道层5或为5～40nm的非故意掺杂GaN，或为n型GaN，或为InGaN，其In的摩尔含量为0.05～0.2，或者为InN。

所述的隔离层6为非故意掺杂的0.5～2.5nm的AlN或1～10nm的AlGaN，其中Al的摩尔含量为0～0.35。

所述的AlGaN势垒层7或为5～50nm的非故意掺杂AlGaN，或为n型AlGaN，其中Al的摩尔含量为0.1～0.4。

所述的帽层8或为1～10nm非故意掺杂的GaN，或为非故意掺杂的AlGaN，或为n型GaN，或为p型GaN。

本发明的制造方法，其特征是它包括以下步骤：

1)选择衬底，并在氢气气氛下利用MOCVD、MBE、HVPE或UHVCVD法进行烘烤，以去除表面沾污；

2)在衬底上生长成核层，控制成核温度在400～1100℃之间；

3)然后在1020℃～1100℃温度范围内在成核层上生长1～3μm的高阻GaN缓冲层和10～80nm的AlGaN缓冲层，控制Al(铝)的摩尔含量为0～0.3；

4)在氮化物复合缓冲层上生长5～40nm氮化物沟道层；

5)接着在氮化物沟道层的表面生长0.5～10nm非故意掺杂的隔离层；

6)再在隔离层6的表面生长5～50nm的AlGaN势垒层，控制Al(铝)的摩尔含量为0.1～0.5；

7)最后在AlGaN势垒层上生长1～10nm的帽层8即得本发明的复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构。

本发明具有以下优点：

本发明通过在AlGaN/GaN单异质结晶体管的GaN缓冲层和沟道层之间***一层AlGaN，构成AlGaN势垒层/沟道层/AlGaN缓冲层双异质结提高沟道层/AlGaN缓冲层一侧的势垒，形成两个不同的势阱，在零栅压和沟道夹断情况下电子(基态和激发态)都被约束在势阱中，增加了二维电子气的量子限制作用，有效提高器件的夹断性能和微波输出功率。

本发明以AlGaN缓冲层完全替代GaN缓冲层，并在其上生长异质结沟道层，即可以构成AlGaN势垒层/沟道层/AlGaN缓冲层双异质结构，利用沟道层/AlGaN缓冲层界面上的能带带阶和负极化电荷来提高势垒E2，能够进一步改善量子阱两层势垒的对称性，更有效地实现基态和激发态电子的量子限制。

此外，通过解薛定谔方程和泊松方程可以分别获得AlGaN/GaN/AlGaN双异质结构的能带和基态、激发态电子波函数。无论零栅压还是沟道夹断时，基态、激发态的电子都波函数被限制在沟道中。因此复合缓冲层有效地改善了晶体管器件夹断特性，提高了输出功率和功率附加效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示。

一种复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，它由衬底1、生长在衬底1上的成核层2、履盖在成核层2之上的由高阻GaN层3和AlGaN层4组成的氮化物复合缓冲层、生长在缓冲层上氮化物沟道层5、生长在沟道层5上的隔离层6、生长在隔离层6上的AlGaN势垒层7和位于最上层的帽层8组成。

所述的衬底1可选用蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、镓酸锂或铝酸锂。

所述的成核层2是GaN、AlGaN或AlN，其厚度为10～120nm，生长温度为400℃～1200℃。它既可以是由GaN、AlGaN或AlN组成的多层材料，也可以是由GaN、AlGaN或AlN通过低温和高温生长形成的多层材料。

氮化物复合缓冲层由1～3μm的高阻GaN层3和10～80nm的AlGaN层4组成，其中Al的摩尔含量为0～0.3。

氮化物沟道层5或为5～40nm的非故意掺杂GaN，或为n型GaN，或为InGaN，其In的摩尔含量为0.05～0.2，或者为InN。

隔离层6为非故意掺杂的0.5～2.5nm的AlN或1～10nm的AlGaN，其中Al的摩尔含量为0～0.35。

AlGaN势垒层7或为5～50nm的非故意掺杂AlGaN，或为n型AlGaN，其中Al的摩尔含量为0.1～0.4。

帽层8或为1～10nm非故意掺杂的GaN，或为非故意掺杂的AlGaN，或为n型GaN，或为p型GaN。

具体的制造方法为：

1)选择衬底，并在氢气气氛下利用MOCVD、MBE、HVPE或UHVCVD法进行烘烤，以去除表面沾污；

2)在衬底上利用MOCVD、MBE、HVPE或UHVCVD法生长成核层，控制成核温度在400～1100℃之间；

3)然后在1020℃～1100℃温度范围内在成核层上生长1～3μm的高阻GaN缓冲层和10～80nm的AlGaN缓冲层，控制Al的摩尔含量为0～0.3；

4)在氮化物复合缓冲层上生长5～40nm氮化物沟道层；

5)接着在氮化物沟道层的表面生长0.5～10nm非故意掺杂的隔离层；

6)接着在隔离层6的表面生长5～50nm的AlGaN势垒层，控制Al的摩尔含量为0.1～0.5；

7)最后在AlGaN势垒层上生长1～10nm的帽层8即得本发明的复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构。

以下是几个包含了具体参数的实施例，任何人在具体制造时均可参照本发明权利要求所提供的参数范围对以下具体例中的参数进行修改，但它不影响本发明的保护范围。

具体例1：

1)选择蓝宝石衬底，利用低压MOCVD(也可利用MBE、HVPE或UHVCVD法)技术在1100℃，150Torr，氢气气氛烘烤衬底10分钟；

2)降温至550℃，500Torr，通入5L/min的氨气对表面进行氮化处理2分钟；通入3L/min的氨气和20mL/min的三甲基镓生长30nm的GaN成核层；然后升温至1040℃进行重结晶；

3)温度稳定后，在130Torr生长2～3μm高阻GaN缓冲层和10nm AlGaN缓冲层(Al的摩尔含量为0.05)；

4)1040℃，200Torr，生长5nm GaN沟道层；

5)1040℃，130Torr，生长0.5nm AlN隔离层；

6)1040℃，130Torr，生长5nm的AlGaN势垒层(Al的摩尔含量为0.25)；

7)1040℃，200Torr，生长1nm的GaN帽层。

8)降温。

上述的MOCVD还可用MBE、HVPE或UHVCVD法中的任一种来代替，所述的生长的方法可利用现有的MOCVD、MBE、HVPE或UHVCVD法中的任一种进行。

具体例2：

1)选择碳化硅衬底，利用低压MOCVD技术在1100℃，100Torr，氢气气氛烘烤衬底10分钟；

2)降温至1040℃，130Torr，通入3L/min的氨气和20mL/min的三甲基铝生长50～120nm的AlN成核层；

3)温度稳定后，生长2～3μm高阻GaN缓冲层和80nm AlGaN缓冲层(Al的摩尔含量为0.05)；

4)200Torr，生长40nm GaN沟道层；

5)130Torr，生长2.5nm AlN隔离层；

6)130Torr，生长50nm的AlGaN势垒层(Al的摩尔含量为0.25)；

7)130Torr，生长10nm的GaN帽层。

8)降温。

上述的MOCVD也可用MBE、HVPE或UHVCVD法中的任一种来代替，所述的生长的方法也可利用现有的MOCVD、MBE、HVPE或UHVCVD法中的任一种进行。

具体例3：

1)选择蓝宝石衬底，利用低压MOCVD技术在1100℃，氢气气氛烘烤衬底15分钟；

2)降温至800℃，500Torr，通入10L/min的氨气对表面进行氮化处理3分钟；通入4L/min的氨气和25mL/min的三甲基镓生长30nm的GaN成核层；然后升温至1040℃进行重结晶；

3)温度稳定后，通入5L/min的氨气和30mL/min的三甲基镓生长2～3μm高阻GaN缓冲层和20nm AlGaN缓冲层(Al的摩尔含量为0.05)；

4)200Torr，生长10nm GaN沟道层；

5)130Torr，生长1nm AlN隔离层；

6)130Torr，生长30nm的AlGaN势垒层(Al的摩尔含量为0.25)；

7)200Torr，生长2nm的GaN帽层。

8)降温。

上述的MOCVD同样可用MBE、HVPE或UHVCVD法中的任一种来代替，所述的生长的方法也同样可利用现有的MOCVD、MBE、HVPE或UHVCVD法中的任一种进行。

具体例4：

1)选择碳化硅衬底，利用低压MOCVD技术在1100℃，氢气气氛烘烤衬底10分钟；

2)降温至1040℃，130Torr，通入3L/min的氨气和20mL/min的三甲基镓生长50～120nm的AlN成核层；

3)温度稳定后，通入5L/min的氨气和30mL/min的三甲基镓生长2～3μm高阻GaN缓冲层和20nm AlGaN缓冲层(Al的摩尔含量为0.05)；

4)200Torr，生长10nm GaN沟道层；

5)130Torr，生长1nm AlN隔离层；

6)130Torr，生长30nm的AlGaN势垒层(Al的摩尔含量为0.25)；

7)200Torr，生长5nm的GaN帽层。

8)降温。

上述的MOCVD可用MBE、HVPE或UHVCVD法中的任一种来代替，所述的生长的方法可利用现有的MOCVD、MBE、HVPE或UHVCVD法中的任一种进行。

Claims (10)

1、一种复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是它由：

一个衬底(1)；

一个生长在衬底(1)上的成核层(2)；

一个履盖在成核层(2)之上的由高阻GaN层(3)和AlGaN层(4)组成的氮化物复合缓冲层；

一个生长在缓冲层上氮化物沟道层(5)；

一个生长在沟道层(5)上的隔离层(6)；

一个生长在隔离层(6)上的AlGaN势垒层(7)和

一个位于最上层的帽层组成。

2、根据权利要求1所述的复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是所述的衬底(1)为蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、镓酸锂或铝酸锂。

3、根据权利要求1所述的复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是所述的成核层(2)是GaN、AlGaN或AlN，其厚度为10～120nm，生长温度为400℃～1200℃。

4、根据权利要求3所述的复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是所述的成核层(2)或为由GaN、AlGaN或AlN组成的多层材料，或为由GaN、AlGaN或AlN通过低温和高温生长形成的多层材料。

5、根据权利要求1所述的复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是所述的氮化物复合缓冲层由1～3μm的高阻GaN层(3)和10～80nm的AlGaN层(4)组成，其中Al的摩尔含量为0～0.3。

6、根据权利要求1所述的复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是所述的氮化物沟道层(5)或为5～40nm的非故意掺杂GaN，或为n型GaN，或为InGaN，其In的摩尔含量为0.05～0.2，或者为InN。

7、根据权利要求1所述的复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是所述的隔离层(6)为非故意掺杂的0.5～2.5nm的AlN或1～10nm的AlGaN，其中Al的摩尔含量为0～0.35。

8、根据权利要求1所述的复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是所述的AlGaN势垒层(7)或为5～50nm的非故意掺杂AlGaN，或为n型AlGaN，其中Al的摩尔含量为0.1～0.4。

9、根据权利要求1所述的复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构，其特征是所述的帽层(8)或为1～10nm非故意掺杂的GaN，或为非故意掺杂的AlGaN，或为n型GaN，或为p型GaN。

10、一种制造权利要求1所述的复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构的方法，其特征是它包括以下步骤：

1)选择衬底，并在氢气气氛下利用MOCVD、MBE、HVPE或UHVCVD法进行烘烤，以去除表面沾污；

2)在衬底上生长成核层，控制成核温度在400～1100℃之间；

3)然后在1020℃～1100℃温度范围内在成核层上生长1～3μm的高阻GaN缓冲层和10～80nm的AlGaN缓冲层，控制铝的摩尔含量为0～0.3；

4)在氮化物复合缓冲层上生长5～40nm氮化物沟道层；

5)接着在氮化物沟道层的表面生长0.5～10nm非故意掺杂的隔离层；

6)再在隔离层(6)的表面生长5～50nm的AlGaN势垒层，控制铝的摩尔含量为0.1～0.5；

7)最后在AlGaN势垒层上生长1～10nm的帽层(8)即得本发明的复合缓冲层氮化物高电子迁移率晶体管外延结构。