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 cm

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。

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。