一種用于制備GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外延結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料外延生長(zhǎng)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種用于制備GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外延結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)方法。其外延結(jié)構(gòu)由下至上依次包括襯底、應(yīng)力緩沖層、高阻GaN外延層、新型插入層、非摻雜GaN溝道層和異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層，新型插入層包括一層P型摻雜GaN插入層和一層N型摻雜GaN插入層。本發(fā)明材料結(jié)構(gòu)直接采用一層P型摻雜GaN和一層N型摻雜GaN組成的摻入層作為新型插入層，實(shí)現(xiàn)了一種用于制備高遷移率，低關(guān)態(tài)漏電流，超高開(kāi)關(guān)比的GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的新型外延結(jié)構(gòu)。
【專利說(shuō)明】—種用于制備GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外延結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料外延生長(zhǎng)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于制備GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外延結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料具有寬禁帶、高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、高飽和電子漂移速度、高熱導(dǎo)率、異質(zhì)界面二維電子氣濃度高等優(yōu)良的材料性能特點(diǎn)，相比于Si材料，GaN更加適合制作大功率高容量、高開(kāi)關(guān)速度以及高頻的電子器件。與傳統(tǒng)Si器件相比，GaN器件能承載更高的功率密度，具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率，可以使整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量減少，從而降低系統(tǒng)成本。
[0003]利用AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)制備的高頻功率器件是目前被廣泛采用的技術(shù)方案。同時(shí)半絕緣GaN外延層(高阻GaN外延層)是制備AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)HFET的關(guān)鍵，因?yàn)樵摪虢^緣GaN外延層扮演著降低器件柵極和漏極之間平行電導(dǎo)以及保證優(yōu)良溝道關(guān)斷特性(耐壓特性)的重要角色。
[0004]目前，非故意摻雜的高阻GaN外延層已被通過(guò)引入刃型位錯(cuò)來(lái)補(bǔ)償材料中的背景η型殘余施主雜質(zhì)的方法實(shí)現(xiàn)。但是，由于對(duì)溝道處二維電子氣較差的限制作用，用該方法實(shí)現(xiàn)的外延層制備的HFET器件在進(jìn)一步降低漏電流方面遇到了瓶頸，從而可能導(dǎo)致器件在高頻工作條件下短溝道效應(yīng)明顯。
[0005]為了改善上述缺點(diǎn)，臺(tái)灣成功大學(xué)的Y.K.SU等人提出的采用AlGaN/GaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案來(lái)達(dá)到限制溝道二維電子氣的目的，實(shí)現(xiàn)了溝道遷移率1180cm2/V.s的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管；(參見(jiàn)文獻(xiàn)Y.K.Su, S.J.Chang, T.M.Kuan, C.H.Ko,J.B.Webb, W.H.Lanj Y.T.Cherngj and S.C.Chen, Nitride-based HFETs withcarrier confinement layers, Materials Science and Engineering: B 110 (2)， 172(2004).)。臺(tái)灣成功大學(xué)的Shoou-Jinn Chang等人通過(guò)釆用Mg重?fù)诫sGaN緩沖層的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)約束溝道電流的目標(biāo)，從而獲得了 6mA/mm源極-漏極漏電流。(參見(jiàn)文獻(xiàn)Shoou-Jinn Chang, Sun-Chin Weij Yan-Kuin Suj Chun-Hsing Liuj Shih-Chih ChenjUang-HeayLiawj Tzong-Yow Tsai, and Tzu-Hsuan HsujAlGaN/GaN Modulation-DopedField-Effect Transistors with An Mg—doped Carrier Confinement Layer, JapaneseJournal of Applied Physics 42，3316 (2003))。但是雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和 Mg 重滲雜 GaN 緩沖層都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)外延結(jié)構(gòu)晶體質(zhì)量的大幅度下降，從而導(dǎo)致后續(xù)生長(zhǎng)的二維電子氣溝道層的晶體質(zhì)量的退化。除此之外，較大厚度的Mg重?fù)诫sGaN緩沖層會(huì)引起嚴(yán)重的Mg原子記憶效應(yīng)(參見(jiàn)文獻(xiàn) Y Ohba and A Hatanoj A study on strong memory effects for Mgdoping in GaN metalorganic chemical vapor deposition, Journal of crystal growth145 (I), 214 (1994).)，這會(huì)相應(yīng)的影響后續(xù)制備的HFET器件的輸出特性，同時(shí)也非常不利于外延生長(zhǎng)的重復(fù)性。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明首先提出一種工藝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性更高、可靠性更強(qiáng)的且可重復(fù)用的用于制備GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外延結(jié)構(gòu)。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，技術(shù)方案如下:
一種用于制備GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外延結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括襯底、應(yīng)力緩沖層、高阻GaN外延層、P型摻雜GaN插入層、N型摻雜GaN插入層、非摻雜GaN溝道層和異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層；
所述P型摻雜GaN插入層厚度為f 50nm ；N型摻雜GaN插入層厚度為f 50nm。
[0008]優(yōu)選的，所述襯底為Si襯底、藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底中的任一種。
[0009]優(yōu)選的，所述應(yīng)力緩沖層為AIN、AlGaN, GaN的任一種或組合；應(yīng)力緩沖層厚度為IOOnnTlO μ m。
[0010]優(yōu)選的，所述高阻GaN外延層厚度為100ηπm-5 μ m。
[0011]優(yōu)選的，所述P型摻雜層摻雜Mg、Be或Zn ;所述N型摻雜Si或Ge。其中Mg輕摻入薄層可有效減弱記憶效應(yīng)，Si輕摻入薄層可有效改善外延生長(zhǎng)過(guò)層中原子表面遷移，并提聞溝道晶體質(zhì)量。
[0012]優(yōu)選的，所述非摻雜GaN溝道層厚度為5~200nm。
[0013]優(yōu)選的，所述異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層為AlGaN、AlInN、AlInGaN、AlN材料中的一種或任意幾種組合，該異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層為非摻雜層或η型摻雜層，異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層的厚度1(T30 nm。
[0014]本發(fā)明還提出一種上述外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，能夠在有效提高背勢(shì)壘、降低關(guān)態(tài)漏電流、實(shí)現(xiàn)高開(kāi)關(guān)比的同時(shí)有效提高晶體質(zhì)量，減少缺陷密度，降低異質(zhì)結(jié)表面粗糙度，增大異質(zhì)結(jié)中二維電子氣遷移率。
[0015]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，其技術(shù)方案為:
一種外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，包括以下步驟:
1)在襯底上生長(zhǎng)應(yīng)力緩沖層；
2)在應(yīng)力緩沖層上生長(zhǎng)一層高阻GaN外延層；
3)在高阻GaN外延層上生長(zhǎng)一層P型摻雜GaN插入層，P型摻雜GaN插入層厚度為I~50nm ；
4)在P型摻雜GaN插入層上生長(zhǎng)一層N型摻雜GaN插入層，N型摻雜GaN插入層厚度為I~50nm ；
5)在N型摻雜GaN插入層上生長(zhǎng)一層非摻雜GaN溝道層；
6)在非摻雜GaN溝道層上生長(zhǎng)一層異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層。
[0016]優(yōu)選的，所述應(yīng)力緩沖層、高阻GaN外延層、P型摻雜GaN層、N型摻雜GaN層、非摻雜GaN溝道層和異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層的生長(zhǎng)方法包括是金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法或分子束外延法。
[0017]優(yōu)選的，所述P型摻雜層摻雜Mg、Be或Zn ;所述N型摻雜摻雜Si或Ge。其中Mg輕摻入薄層可有效減弱記憶效應(yīng)，Si輕摻入薄層可有效改善外延生長(zhǎng)過(guò)層中原子表面遷移，并提聞溝道晶體質(zhì)量。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:外延結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠在有效提高背勢(shì)壘、降低關(guān)態(tài)漏電流、實(shí)現(xiàn)高開(kāi)關(guān)比的同時(shí)有效提高晶體質(zhì)量，減少缺陷密度，降低異質(zhì)結(jié)表面粗糙度，增大異質(zhì)結(jié)中二維電子氣遷移率。同時(shí)外延層生長(zhǎng)方法簡(jiǎn)單，重復(fù)性佳，易批量生產(chǎn)。
[0019]
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1-6為本發(fā)明實(shí)施例1的制備外延結(jié)構(gòu)工藝示意圖。
[0021]圖7即為利用實(shí)施例1所示外延結(jié)構(gòu)制備的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開(kāi)關(guān)比特性圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0023]實(shí)施例1
如圖6所示為本實(shí)施例的外延結(jié)構(gòu)示意圖,包括襯底1、應(yīng)力緩沖層2、高阻GaN外延層
3、P型摻雜GaN插入層4、N型摻雜GaN插入層5、非故意摻雜GaN溝道層6和其上的異質(zhì)結(jié)溝道勢(shì)壘層7。本方案中 采用的生長(zhǎng)方法為分子束外延法或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法兩種方法之一生長(zhǎng)而成。
[0024]上述用于制備GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外延結(jié)構(gòu)制作方法如圖1_6所示，包括以下步驟:
(1)利用分子束外延法或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法在襯底I上生長(zhǎng)一層應(yīng)力緩沖層2，厚度IOOnnTlO微米之間，如圖1所示；
(2)在應(yīng)力緩沖層2上，通過(guò)與步驟(1)中相同的方法生長(zhǎng)一層高阻GaN外延層，該高阻GaN外延層厚度為100η5 μ m,如圖2所示；
(3)利用與步驟(1)中相同的方法，繼續(xù)在高阻GaN外延層上生長(zhǎng)一層P型摻雜GaN插入層；該N型摻雜GaN插入層厚度為1nm~50ηπι,如圖3所示；
(4)利用與步驟(1)中相同的方法，繼續(xù)在P型摻雜插入層上生長(zhǎng)一層N型摻雜GaN插入層；該N型摻雜GaN插入層厚度為1nm~50ηπι,如圖4所示；
(5)利用與步驟(1)中相同的方法，繼續(xù)在N型摻雜GaN插入層上生長(zhǎng)一層非故意摻雜GaN溝道層；該非故意摻雜GaN溝道層厚度為10nnT200nm，如圖5所示；
(6)利用與步驟(1)中相同的方法，繼續(xù)在非故意摻雜GaN溝道層上生長(zhǎng)一層異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層；該異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層層厚度為10nnT30nm，如圖6所示；至此，即完成了該外延結(jié)構(gòu)的制備過(guò)程。圖6即為實(shí)施例1的用于制備GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外延結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025](7)圖7即為利用實(shí)施例1所示外延結(jié)構(gòu)制備的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開(kāi)關(guān)比特性圖。其中黑色虛線為傳統(tǒng)外延結(jié)構(gòu)制備的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的開(kāi)關(guān)特性，紅色實(shí)線為利用實(shí)施例1所示外延結(jié)構(gòu)制備的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開(kāi)關(guān)特性；采用傳統(tǒng)外延結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)比只有IO5量級(jí)，而采用實(shí)施例1所示的外延結(jié)構(gòu)制作的器件開(kāi)關(guān)比可以達(dá)到IO9量級(jí)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于制備GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，由下至上依次包括襯底、應(yīng)力緩沖層、高阻GaN外延層、P型摻雜GaN插入層、N型摻雜GaN插入層、非摻雜GaN溝道層和異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層； 所述P型摻雜GaN插入層厚度為f 50nm ；N型摻雜GaN插入層厚度為f 50nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底為Si襯底、藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底中的任一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述應(yīng)力緩沖層為AIN、AlGaN, GaN的任一種或組合；應(yīng)力緩沖層厚度為IOOnnTlO μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述高阻GaN外延層厚度為100ηm~5 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的用于制備GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P型摻雜層摻雜Mg、Be或Zn ;所述N型摻雜Si或Ge。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述非摻雜GaN溝道層厚度為5~200nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述異質(zhì)結(jié)勢(shì)魚(yú)層為AlGaN、AlInN、AlInGaN、AlN材料中的一種或任意幾種組合,該異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層為非摻雜層或η型摻雜層，異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層的厚度1(T30 nm。
8.—種權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)在襯底上生長(zhǎng)應(yīng)力緩沖層； 2)在應(yīng)力緩沖層上生長(zhǎng)一層高阻GaN外延層； 3)在高阻GaN外延層上生長(zhǎng)一層P型摻雜GaN插入層，P型摻雜GaN插入層厚度為I~50nm ； 4)在P型摻雜GaN插入層上生長(zhǎng)一層N型摻雜GaN插入層，N型摻雜GaN插入層厚度為I~50nm ； 5)在N型摻雜GaN插入層上生長(zhǎng)一層非摻雜GaN溝道層； 6)在非摻雜GaN溝道層上生長(zhǎng)一層異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述應(yīng)力緩沖層、高阻GaN外延層、P型摻雜GaN層、N型摻雜GaN層、非摻雜GaN溝道層和異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層的生長(zhǎng)方法包括是金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法或分子束外延法。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述P型摻雜層摻雜Mg、Be或Zn ;所述N型摻雜摻雜Si或Ge。
【文檔編號(hào)】H01L29/20GK103560146SQ201310519287
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】劉揚(yáng), 賀致遠(yuǎn), 倪毅強(qiáng), 周德秋, 張佰君 申請(qǐng)人:中山大學(xué)