專利名稱：雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)及制作方法，該晶體管使用低鋁組分的高阻鋁鎵氮作為緩沖層，并且在氮化鎵溝道層兩側(cè)各引入一薄層氮化鋁插入層，高阻鋁鎵氮作為緩沖層能降低溝道電子的緩沖層泄漏，提高器件擊穿電壓，而薄氮化鋁插入層能夠減小電子的合金散射，提高溝道電子遷移率。
背景技術(shù)：
氮化鎵作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的典型代表，具有優(yōu)良的物理和化學(xué)特性，非常適于研制高頻、高壓、高功率的器件和電路，采用氮化鎵研制的高電子遷移率晶體管，電流密度大，功率密度高，噪聲低，頻率特性好，在軍用和民用的微波功率領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前
旦
-5^ O高電子遷移率晶體管，組成異質(zhì)結(jié)的兩種材料的禁帶寬度不同，在異質(zhì)結(jié)界面處形成了勢壘和勢阱，由極化效應(yīng)或調(diào)制摻雜產(chǎn)生的自由電子，積累在非摻雜的氮化鎵層靠近界面的三角形勢阱中，形成二維電子氣，由于勢阱中的這些電子與勢壘中的電離雜質(zhì)空間分離，大大降低了庫倫散射，顯著提高電子遷移率。近年來，由于AlGaN/GaN基高電子遷移率晶體管的高溫、高頻、高擊穿電場等優(yōu)異特性，越來越多地受到人們的重視，是目前國內(nèi)外的研究熱點。對于HEMT的較大挑戰(zhàn)就是把器件的頻率提高到Ka(26-40GHz)甚至更高波段，以輔助甚至取代行波管放大器等電真空器件。為了提高工作頻率，必須減小柵長(Lg)。然而，柵長降至納米量級時，短溝道效應(yīng)會比較明顯，影響器件性能。減小短溝道效應(yīng)對器件性能影響的重要方法是提高溝道兩側(cè)的勢壘高度，降低溝道電子在強場下的泄漏。在溝道層和勢壘層中間引入薄層氮化鋁插入層，可以抑制溝道電子向表面勢壘層方向的泄漏，并能將溝道電子和鋁鎵氮勢壘層隔開，降低合金散射，提高溝道電子遷移率。用低鋁組分的鋁鎵氮高阻緩沖層取代高阻氮化鎵緩沖層，抬高溝道電子在襯底一側(cè)的勢壘高度，降低溝道電子在強場下向緩沖層襯底方向的泄漏，是目前毫米波氮化鎵基器件研制最常采用的結(jié)構(gòu)。但是，用鋁鎵氮高阻緩沖層代替高阻氮化鎵緩沖層，雖然鋁組分很低(一般在5 %以下)，但仍會大大減小電子遷移率，采用氮化鎵為高阻緩沖層研制的高電子遷移率晶體管材料，室溫溝道電子遷移率一般大于2000cm2/Vs，而采用高阻鋁鎵氮作為高阻緩沖層的材料，室溫電子遷移率一般只能大于1500cm2/Vs，所以這種結(jié)構(gòu)的外延材料在研制器件和電路的潛力方面也頗有爭議。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)及制作方法，該晶體管結(jié)構(gòu)具有高的二維電子氣遷移率，可以減小溝道電子向兩側(cè)的泄漏，適于研制高頻器件和電路，可以提高所研制器件的擊穿電壓和輸出功率，同時具有工藝簡單和成本低廉的優(yōu)點。
本發(fā)明提供一種雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，包括一襯底；一成核層，該成核層制作在襯底上面；一非有意摻雜高阻層，該非有意摻雜高阻層制作在成核層上面；—非有意摻雜插入層,該非有意摻雜插入層制作在非有意摻雜高阻層上面；一非有意摻雜高遷移率層，該非有意摻雜高遷移率層制作在非有意摻雜插入層上面；一非有意摻雜氮化鋁插入層，該非有意摻雜氮化鋁插入層制作在高遷移率層上面，該非有意摻雜氮化招插入層的厚度為O. 3-5nm ；
一非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層,該非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層制作在非有意摻雜氮化鋁插入層上面，該非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層的厚度為10-30nm，鋁組分為O. 10-0. 35之間；一非有意摻雜氮化鎵蓋帽層,該非有意摻雜氮化鎵蓋帽層制作在非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層上面，該非有意摻雜氮化鎵蓋帽層的厚度為l-10nm。本發(fā)明還提供一種雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下步驟步驟I :選擇一襯底；步驟2 :在襯底上生長一層成核層；步驟3 :在成核層上生長一層非有意摻雜高阻層；步驟4 :在非有意摻雜高阻層上生長非有意摻雜插入層；步驟5 :在非有意摻雜插入層上生長非有意摻雜高遷移率層；步驟6 :在非有意摻雜高遷移率層上生長非有意摻雜氮化鋁插入層，生長厚度為O. 3_5nm ；步驟7 :在非有意摻雜氮化鋁插入層上生長非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層，生長厚度為10-30nm，鋁組分為O. 10-0. 35之間；步驟8 :在非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層上生長非有意摻雜氮化鎵蓋帽層，生長厚度為 I-IOnm0


為進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作一詳細的描述，其中圖I為本發(fā)明雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)的制備流程圖。
具體實施例方式請參閱圖I所示，本發(fā)明一種雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，包括一襯底 10 ；一成核層20，該成核層20制作在襯底10上面，所述成核層20為氮化鎵或氮化鋁或鋁鎵氮，厚度為O. 01-0. 50 μ m。一非有意摻雜高阻層30，該非有意摻雜高阻層30制作在成核層20上面，所述非有意摻雜高阻層30的材料為AlyGai_yN，其中O < y < O. 20，厚度為1_5 μ m,室溫電阻率大于IX IO6 Ω. cm。該高阻層30的作用有四個，一是作為緩沖層減小襯底和外延層之間的晶格失配，提高外延層的晶體質(zhì)量，二是作為高阻層減小器件漏電，三是作為背勢壘層抬高溝道在緩沖層襯底一側(cè)的勢壘高度，降低溝道電子在高場下的緩沖層泄漏，提高材料和器件的穩(wěn)定性，四是提高器件的擊穿電壓，提器件的輸出功率。—非有意摻雜插 入層40,該非有意摻雜插入層40制作在非有意摻雜高阻層30上面，所述非有意摻雜插入層40的材料為氮化鋁A1N，厚度為O. 3-10nm。插入層40的作用有兩個，一是抬高溝道在緩沖層襯底一側(cè)的勢壘高度，降低溝道電子在高場下的緩沖層泄漏，提高材料和器件的穩(wěn)定性，二是利用二元化合物將溝道電子和多元化合物鋁鎵氮高阻層30隔開，減少鋁鎵氮高阻層30引入對溝道電子遷移率的影響，提高溝道二維電子氣遷移率。一非有意摻雜高遷移率層50，該非有意摻雜高遷移率層50制作在非有意摻雜插入層40上面，所述高遷移率層50為非有意摻雜氮化鎵，厚度為10-200nm。該高遷移率層50為二維電子氣提供了一個良好的通道，同時也顯著提高了溝道二維電子氣遷移率。一非有意摻雜氮化鋁插入層60，該非有意摻雜氮化鋁插入層60制作在高遷移率氮化鎵層50上面，所述非有意摻雜氮化鋁插入層60厚度為O. 3-5nm。該氮化鋁插入層60的一個作用是利用二元化合物將溝道電子和多元化合物鋁鎵氮勢壘層(后敘的非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層70)隔開，減少電子散射，進一步提高溝道二維電子氣遷移率；氮化鋁插入層60的另外一個作用是利用其禁帶寬度大于氮化鎵的特點，有效限制電子向非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層70和表面的泄漏。一非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層70，該非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層70制作在非有意摻雜氮化鋁插入層60上面，所述非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層70為AlxGai_xN，厚度為10_30nm，
O.10 < X < O. 35。該非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層70由極化效應(yīng)形成溝道溝道二維電子。一非有意摻雜氮化鎵蓋帽層80，該非有意摻雜氮化鎵蓋帽層80制作在非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層70上面，所述非有意摻雜氮化鎵蓋帽層80厚度為l-10nm。該非有意摻雜氮化鎵蓋帽層80作為帽層能降低器件工藝難度。本發(fā)明關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)上采用獨特的低鋁組分鋁鎵氮高阻層30代替?zhèn)鹘y(tǒng)高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)中的氮化鎵高阻層，借助鋁鎵氮較寬的禁帶寬度抬高緩沖層襯底一側(cè)的勢壘高度，抑制溝道電子的緩沖層泄漏。同時，此結(jié)構(gòu)在高遷移率層50和高阻層30之間引入插入層40，所述插入層40為氮化鋁，將溝道電子和鋁鎵氮高阻層30隔開，減小鋁鎵氮高阻層30對溝道電子的合金散射，以此減小以鋁鎵氮高阻層30替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的氮化鎵高阻緩沖層對溝道電子遷移率的影響，提高電子遷移率和所研制器件的性能。請參閱圖2并結(jié)合參閱圖I所示，本發(fā)明還提供一種雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下步驟步驟I :選擇一襯底10，所述的襯底10為碳化硅襯底或藍寶石襯底或硅襯底；步驟2 :在襯底10上生長一層成核層20，所述成核層20為氮化鎵或氮化鋁或鋁鎵氮，厚度為O. 01-0. 50 μ m。所述的成核層20為氮化鎵或氮化鋁或鋁鎵氮，生長溫度為500-6000C，生長厚度為 O. 01-0. 50 μ m,優(yōu)選值為 O. 03-0. 30 μ m。步驟3 :在成核層20上生長一層非有意摻雜高阻層30，該高阻層30為AlyGa^yN,其中O < y < O. 20，生長溫度為900-1100°C，優(yōu)選值范圍為1020-1100°C，生長厚度為1_5 μ m，室溫電阻率大于1Χ106Ω · Cm，優(yōu)選值大于I XlO8 Ω .cm。所述的鋁鎵氮高阻層30，作為緩沖層提高其上外延層的晶體質(zhì)量，并抬高溝道電子在緩沖層襯底一側(cè)的勢壘高度，降低電子的緩沖層泄漏，提高材料和器件的穩(wěn)定性。步驟4 :在非有意摻雜高阻層30上生長非有意摻雜插入層40，所述的非有意摻雜插入層40為氮化鋁，該層將鋁鎵氮高阻層30與溝道電子隔開，減小溝道電子的合金散射，提高溝道電子遷移率。該層生長溫度在850-1150°C之間，生長厚度為O. 30-10nm，優(yōu)選值為Inm0步驟5 :在非有意摻雜插入層40上生長非有意摻雜高遷移率層50，所述非有意摻雜高遷移率層50為非有意摻雜氮化鎵，厚度為10-200nm，生長溫度在850-1150°C之間。該層為二維電子氣的運行溝道，室溫電子遷移率大于500cm2/Vs，優(yōu)選值大于700cm2/Vs。步驟6 :在非有意摻雜高遷移率層50上生長非有意摻雜氮化鋁插入層60，生長溫度在850-1150°C之間，生長厚度為O. 3-5nm，優(yōu)選值為lnm。所述的氮化鋁插入層60，該層可以提高二維電子氣的遷移率和面密度，提高異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的綜合性能。 步驟7 :在非有意摻雜氮化鋁插入層60上生長非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層70，生長厚度為10-30nm，鋁組分為O. 10-0. 35之間，生長溫度在850-1150°C之間。步驟8 :在非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層70上生長非有意摻雜氮化鎵蓋帽層80，生長厚度為Ι-lOnm，生長溫度為850-1150°C。該層為非有意摻雜。其中，在襯底10上生長的各層材料包括但不局限于金屬有機物化學(xué)氣相沉積法、分子束外延和氣相外延，優(yōu)先采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積法。本發(fā)明提供了一種適于研制高頻器件的高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)材料，該結(jié)構(gòu)抬高溝道兩側(cè)的勢壘高度，抑制電子在強場下向勢壘層表面緩沖層襯底兩個方向的泄漏，提高材料和器件的穩(wěn)定性，同時通過引入薄插入層，將溝道電子同三元化合物隔開，減小合金散射，提高電子遷移率。因此，本發(fā)明可顯著改善和提高氮化鎵基高頻、高功率器件和電路的性能。本發(fā)明的第一個效果這種晶體管采用高阻鋁鎵氮作為緩沖層，可以抑制溝道電子在強場下向緩沖層方向的泄漏，適于研制高頻器件和電路。本發(fā)明的第二個效果這種晶體管采用高阻鋁鎵氮作為緩沖層，能夠提高所研制器件的擊穿電壓和輸出功率。本發(fā)明的第三個效果這種晶體管即使采用高阻鋁鎵氮作為緩沖層，由于薄層氮化鋁插入層對合金散射的屏蔽作用，該結(jié)構(gòu)仍具有高的二維電子氣遷移率。本發(fā)明的第四個效果這種晶體管在氮化鎵溝道層的兩側(cè)都引入薄層氮化鋁插入層，減小溝道電子向兩側(cè)的泄漏。本發(fā)明采用新型的低鋁組分的鋁鎵氮作為高阻緩沖層，該層一方面作為緩沖層減小襯底和外延層之間的晶格失配，提高材料質(zhì)量，另一方面抬高勢壘，抑制溝道電子向緩沖層方向的泄漏，提高材料穩(wěn)定性，用以研制高頻器件和電路。本發(fā)明在鋁鎵氮高阻緩沖層和氮化鎵溝道層之間引入薄層氮化鋁插入層，該層一方面進一步抬高勢壘高度，更大程度的降低電子的緩沖層泄漏，另一方面可以將溝道電子與鋁鎵氮高阻緩沖層隔開，降低電子的合金散射，提高溝道電子遷移率。本發(fā)明可獲得適于高頻毫米波器件和電路研制的高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)材料，這種材料在溝道層的襯底一側(cè)引入禁帶更寬的薄層氮化鋁插入層和鋁鎵氮高阻緩沖層，減小溝道電子的緩沖層泄漏，提高電子的限域特性。本發(fā)明可獲得更高電子遷移率的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，這種材料在鋁鎵氮高阻緩沖層和氮化鎵溝道層之間引入薄層氮化鋁插入層，將溝道電子和鋁鎵氮緩沖層隔開，降低合金散射，提高溝道電子遷移率。以上所述的具體實施例，是對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在 本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，包括 一襯底； 一成核層，該成核層制作在襯底上面； 一非有意摻雜高阻層，該非有意摻雜高阻層制作在成核層上面； 一非有意摻雜插入層，該非有意摻雜插入層制作在非有意摻雜高阻層上面； 一非有意摻雜高遷移率層，該非有意摻雜高遷移率層制作在非有意摻雜插入層上面；一非有意摻雜氮化鋁插入層，該非有意摻雜氮化鋁插入層制作在高遷移率層上面，該非有意摻雜氮化招插入層的厚度為O. 3-5nm ； 一非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層，該非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層制作在非有意摻雜氮化鋁插入層上面，該非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層的厚度為10-30nm，鋁組分為O. 10-0. 35之間； 一非有意摻雜氮化鎵蓋帽層，該非有意摻雜氮化鎵蓋帽層制作在非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層上面，該非有意摻雜氮化鎵蓋帽層的厚度為l-10nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，其中成核層為氮化鎵或氮化鋁或鋁鎵氮，厚度為O. 01-0. 50 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，其中非有意摻雜高阻層的材料為AlyGai_yN，其中O < y < O. 20，厚度為1_5 μ m，室溫電阻率大于I X IO6 Ω . cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，其中非有意摻雜插入層的材料為氮化鋁A1N，厚度為O. 3-10nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，其中非有意摻雜高遷移率層的材料為GaN，厚度為10-200nm。
6.一種雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下步驟 步驟I :選擇一襯底； 步驟2 :在襯底上生長一層成核層； 步驟3 :在成核層上生長一層非有意摻雜高阻層； 步驟4 :在非有意摻雜高阻層上生長非有意摻雜插入層； 步驟5 :在非有意摻雜插入層上生長非有意摻雜高遷移率層； 步驟6 :在非有意摻雜高遷移率層上生長非有意摻雜氮化鋁插入層，生長厚度為O.3_5nm ； 步驟7 :在非有意摻雜氮化鋁插入層上生長非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層，生長厚度為.10-30nm，鋁組分為O. 10-0. 35之間； 步驟8 :在非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層上生長非有意摻雜氮化鎵蓋帽層，生長厚度為I-IOnm0
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其中成核層為氮化鎵或氮化鋁或鋁鎵氮，厚度為O. 01-0. 50 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其中非有意摻雜高阻層的材料為AlyGa^N,其中O < y < O. 20，生長溫度為900-1200°C，厚度為1-5 μ m,室溫電阻率大于I X IO6 Ω · cm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其中非有意摻雜插入層的材料為氮化鋁AIN，厚度為O. 3-10nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其中非有意摻雜高遷移率層的材料為氮化鎵GaN，厚度為10-200nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其中在襯底上生長的各層材料包括但不局限于金屬有機物化學(xué)氣相沉積法、分子束外延和氣相外延，優(yōu)先采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積法。
全文摘要
一種雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，包括一襯底；一成核層，該成核層制作在襯底上面；一非有意摻雜高阻層，該非有意摻雜高阻層制作在成核層上面；一非有意摻雜插入層，該非有意摻雜插入層制作在非有意摻雜高阻層上面；一非有意摻雜高遷移率層，該非有意摻雜高遷移率層制作在非有意摻雜插入層上面；一非有意摻雜氮化鋁插入層，該非有意摻雜氮化鋁插入層制作在高遷移率層上面；一非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層，該非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層制作在非有意摻雜氮化鋁插入層上面；一非有意摻雜氮化鎵蓋帽層，該非有意摻雜氮化鎵蓋帽層制作在非有意摻雜鋁鎵氮勢壘層上面。
文檔編號H01L29/06GK102842613SQ20121034800
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者王曉亮, 王翠梅, 肖紅領(lǐng), 彭恩超, 馮春, 姜麗娟, 陳竑 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所