一種氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體單晶薄膜技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及InAlN勢皇層的氮化物高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]毫米波功率器件是微波通信等系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，氮化鎵(GaN)基高電子迀移率場效應(yīng)晶體管(HEMT)作為第三代寬禁帶化合物半導(dǎo)體器件，具有高頻、大功率的優(yōu)異特性，使得它在微波通信領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。
[0003]眾所周知，器件的柵長和器件的頻率特性密切相關(guān)。在低頻范圍，器件的頻率基本上與柵長成反比；隨著柵長的縮短，特別是進(jìn)入到毫米波段時(shí)，寄生電阻以及短溝道效應(yīng)會顯著制約器件頻率的提升。
[0004]抑制短溝道效應(yīng)最根本的方式是從材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上入手，利用極化和能帶工程提高溝道電子的二維束縛特性以及增強(qiáng)柵對溝道電子的控制能力。對于傳統(tǒng)的AlGaN/GaNHEMT結(jié)構(gòu)，通常采用凹槽技術(shù)來降低柵下勢皇層的厚度，提高柵長和勢皇層厚度的縱橫比(Lg/d)，從而增強(qiáng)溝道電子?xùn)趴啬芰?。然而柵挖槽對工藝控制的要求較高，且對勢皇層表面的傷害較大，易引入新的缺陷。在提高溝道電子束縛特性方面，通常采用低Al組分(一般
0.04左右)AlGaN作背勢皇，形成AlGaN/GaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)，在一定程度上提高了溝道電子的量子限制。但這種低組分的AlGaN在材料生長上難度較大，晶體質(zhì)量較差，且導(dǎo)熱性能不好。
[0005]歐姆接觸特性對器件的頻率特性以及功率特性有很大的影響，這種影響在毫米波段尤為突出，成為影響器件性能的主要寄生電阻。AlGaN/GaN HEMT的源漏電極制作在AlGaN勢皇上，需要采用高溫退火的方法以形成良好的歐姆接觸，為了降低歐姆接觸電阻，通常需要提高退火溫度，這將導(dǎo)致歐姆接觸電極表面粗糙，邊緣質(zhì)量下降，從而限制了器件源漏間距的縮小以及器件耐壓的提高。
[0006]綜上所述，不管是AlGaN/GaN單異質(zhì)結(jié)還是AlGaN/GaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)，都不能很好的滿足毫米波功率器件的性能要求。N極性GaN/AlGaN HEMT是近幾年迅速發(fā)展起來的新型器件結(jié)構(gòu)。纖鋅礦GaN根據(jù)生長方向及表面原子種類的不同，可以分為Ga極性(Ga面)及N極性(N面)兩類。對于Ga極性材料，自發(fā)極化方向指向襯底，而N極性材料的自發(fā)極化方向?yàn)楸畴x襯底。由于極性反轉(zhuǎn)，N極性HEMT需要采用倒置的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，即GaN溝道層位于AlGaN勢皇層上方，才能在溝道層中極化產(chǎn)生二維電子氣。正是這種倒置結(jié)構(gòu)使得N極性HEMT具有Ga極性無可比擬的優(yōu)勢:一、源漏電極直接制作在GaN上，由于GaN比AlGaN禁帶寬度小，因而具有較低的歐姆接觸電阻；二、AlGaN勢皇層在溝道層下方，形成天然的背勢皇，加強(qiáng)了二維電子氣的量子限制，提高了電子的輸運(yùn)性能和器件的夾斷特性。除此之外，N極性HEMT表面GaN具有較低的表面態(tài)密度，能夠顯著抑制電流崩塌效應(yīng)。溝道層可以設(shè)計(jì)得盡量薄，有助于提高器件縱橫比(Lg/d)，降低短溝道效應(yīng)。因此，N極性GaN基HEMT非常適合制作毫米波功率器件。
[0007]為了進(jìn)一步增加N極性GaN HEMT的溝道電子濃度，研宄人員采用InAlN作勢皇，設(shè)計(jì)了 GaN/InAIN HEMT結(jié)構(gòu)。得益于InAlN較強(qiáng)的極化效應(yīng)，這種結(jié)構(gòu)理論二維電子氣濃度比GaN/AlGaN結(jié)構(gòu)高一倍以上。然而，和Ga極性InAlN/GaN結(jié)構(gòu)InAlN勢皇生長在GaN溝道層之上不同，N極性的GaN/InAIN結(jié)構(gòu)InAlN勢皇層生長在GaN溝道層下方，這種結(jié)構(gòu)在材料生長工藝上有一定的難度。由于InN化學(xué)穩(wěn)定性差，研宄表明，在溫度高于600°C時(shí)，InAlN合金中的InN易分解，溫度越高，分解越顯著。當(dāng)溫度達(dá)到1000°C以上時(shí)，生長的InAlN合金中In的組分極低，幾乎為O。而MOCVD外延AlN及GaN需要較高的生長溫度，通常在1000°C以上，以達(dá)到較好的結(jié)晶質(zhì)量。由于InN、AlN兩者存在較大外延工藝差異，為了折中考慮In的并入以及InAlN合金結(jié)晶質(zhì)量，MOCVD外延InAlN通常采用800°C左右的生長溫度。因而，生長完InAlN勢皇后生長GaN溝道之前，必然要進(jìn)行一個(gè)升溫過程，升溫會造成InAlN表面In原子的揮發(fā)，從而破壞表面形貌，惡化GaN/InAIN界面質(zhì)量，降低溝道二維電子氣的輸運(yùn)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種氮化物高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。
[0009]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種氮化物高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)及其生長方法，包括襯底層，該襯底層上從下至上依次生長有成核層、緩沖層、勢皇層和溝道層，其中:所述襯底層為藍(lán)寶石、或SiC ;所述成核層為AIN、GaN或AlGaN ;所述緩沖層為GaN，所述溝道層為GaN ;所述勢皇層為復(fù)合InAlN勢皇，包含兩層結(jié)構(gòu)，第一層為常規(guī)組分恒定的InAlN (In組分為0.16-0.19范圍內(nèi)某一個(gè)值，與GaN晶格匹配)，第二層為組分漸變InAIN，其中In組分從下向上由0.16-0.19范圍內(nèi)某一個(gè)值漸變到O。
[0010]作為優(yōu)選，所述復(fù)合InAlN勢皇層第一層厚度為0_30nm，第二層厚度為5_20nm，總厚度為5_50nmo
[0011]作為優(yōu)選，所述溝道層厚度為5?30nm。
[0012]作為優(yōu)選，所述InAlN勢皇層的生長溫度是兩段復(fù)合的，第一段為溫度恒定的，約為700?850°C，第二段為溫度漸變升高的，從約700?850°C漸變升高至約1000?1100°C。
[0013]一種氮化物高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:a、利用MOCVD外延生長技術(shù)；b、首先升溫至1050°C左右，對襯底進(jìn)行烘烤或氮化處理5?10分鐘；c、然后通入氨氣、三甲基鋁，在襯底層表面生長成核層；d、關(guān)閉三甲基鋁，打開三甲基鎵，繼續(xù)通入氨氣，生在N極性GaN緩沖層；e、關(guān)閉三甲基鎵，降溫至700?850°C穩(wěn)定后，打開三甲基鋁、三甲基銦，生長第一層InAlN勢皇層；f、第一層InAlN生長結(jié)束后，保持源狀態(tài)不變，漸變升高溫度至1000?1100°C，生長第二層組分漸變InAlN勢皇層；g、關(guān)閉三甲基鋁、三甲基銦，打開三甲基鎵，保持溫度不變，生長GaN溝道層；h、生長完溝道層后，關(guān)閉三甲基鎵，降溫至室溫。
[0014]本發(fā)明提供的一種復(fù)合InAlN勢皇層N極性GaN HEMT外延材料結(jié)構(gòu)和制備方法；這種復(fù)合InAlN勢皇層包括兩層結(jié)構(gòu)，第一層(下層)為組分恒定的InAlN (In組分為
0.16-0.19范圍內(nèi)某一個(gè)值，與G