用于高電子遷移率晶體管的高阻襯底以及生長方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，尤其涉及一種用于高電子迀移率晶體管的高阻襯底以及生長方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化物半導(dǎo)體如氮化鎵(GaN)及其合金氮化鋁鎵(AlGaN)等是重要的寬禁帶化合物半導(dǎo)體。由于具有大的禁帶寬度、高的擊穿電場，高的電子飽和漂移速度和峰值漂移速度，更重要的是AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面形成有高電子濃度和高電子迀移率的二維電子氣(2DEG)，因此氮化物半導(dǎo)體在高溫、高頻、大功率、抗輻射微波器件或高功率電子器件及其電路中有非常重要的應(yīng)用前景。
[0003]為了實現(xiàn)氮化鎵基高電子迀移率晶體管(HEMT)的夾斷等性能，在氮化鎵基HEMT器件材料結(jié)構(gòu)中其導(dǎo)電溝道必須生長在半絕緣的氮化物(氮化鎵和低鋁組分的氮化鋁鎵)基板上，該氮化物基板的晶體質(zhì)量和高阻特性直接影響器件的夾斷特性、擊穿電壓、漏電流大小、壽命及可靠性等性能，因此應(yīng)用于氮化鎵基電子器件的半絕緣氮化物在金屬有機物化學沉積(MOCVD)外延生長技術(shù)中至關(guān)重要。
[0004]為了實現(xiàn)氮化物的高阻半絕緣化，需在氮化物中引入深能級雜質(zhì)來陷住導(dǎo)電載流子。在MOCVD生長技術(shù)中，通常有兩種方法來實現(xiàn):一種是通過調(diào)節(jié)生長條件，利用金屬有機源(MO)，調(diào)節(jié)生長氣氛中的C雜質(zhì)，進行生長過程中非有意地摻雜，使C雜質(zhì)在氮化鎵材料中形成深能級，從而實現(xiàn)高阻特性。但這種方法對外延生長條件要求較苛刻，生長窗口較窄，且不是氮化物的最佳晶體質(zhì)量生長條件。第二種方法是通過在MOCVD外延生長過程中有意地摻入一定濃度的深能級雜質(zhì)，如Fe、Mn、Cu、Co等。這種方法由于其在氮化物中固溶度的限制，不能隨意摻雜很高的濃度，否則會引起其上生長的其他外延層的晶體質(zhì)量的下降，反而惡化器件電性能如漏電流增大、不耐壓、頻率降低。因此，為了提高氮化鎵基高電子迀移率晶體管器件的夾斷開關(guān)特性、減小電流泄露，提高工作電壓，增強其穩(wěn)定性及可靠性，發(fā)展一種高晶體質(zhì)量、高電阻率半絕緣的氮化物外延生長技術(shù)是必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種用于高電子迀移率晶體管的高阻襯底以及生長方法，能夠同時滿足高阻和晶體質(zhì)量的要求。
[0006]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種用于高電子迀移率晶體管的高阻襯底，包括支撐襯底和支撐襯底表面的高阻層，所述高阻層材料為氮化物，其特征在于，所述高阻層中包含由多個摻雜層和多個非摻雜層交替設(shè)置的周期性結(jié)構(gòu)，所述摻雜層的材料為含有深能級摻雜元素的氮化物。
[0007]可選的，所述高阻層中的摻雜層和非摻雜層的材料各自獨立地選自于GaN、Al組分小于15%的AlGaN、以及AlGaInN中的任意一種。
[0008]可選的，所述深能級摻雜元素選自于Fe、Mn、Co、N1、Cu、以及C中的一種或其組合。
[0009]可選的，所述深能級摻雜元素的摻雜濃度為I X 119Cm 3?7X10 19Cm30
[0010]可選的，所述多個摻雜層和多個非摻雜層交替設(shè)置的周期為3?1000周期。
[0011]可選的，所述支撐襯底和高阻層之間進一步包括緩沖層。
[0012]本發(fā)明進一步提供了一種用于高電子迀移率晶體管的高阻襯底的生長方法，所述襯底包括支撐襯底和支撐襯底表面的高阻層，所述高阻層材料為氮化物，其特征在于，所述高阻層的生長工藝包括如下步驟的交替實施；
[0013]采用金屬氧化物化學氣相沉積的方法生長氮化物材料作為非摻雜層；
[0014]采用與上一步驟相同的工藝參數(shù)，并通入含有深能級摻雜元素的物質(zhì)，生長摻雜層。
[0015]可選的，所述深能級摻雜元素選自于Fe、Mn、Co、N1、Cu、以及C中的一種或其組合，對應(yīng)的含有深能級摻雜元素的物質(zhì)分別是二茂鐵、二茂錳、二茂鈷、二茂鎳、二茂銅和甲烷。
[0016]可選的，所述含有深能級摻雜元素的物質(zhì)的通入時間為2秒至200秒。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點在于，采用周期性摻雜的方法，降低單一的摻雜層的厚度，降低晶格畸變的程度。雖然每一個摻雜層的厚度降低了，但高阻層的電阻是由多個摻雜層的總厚度決定的，只要累計足夠多的周期仍然可以滿足高阻的要求。因此本發(fā)明在保證深能級摻雜濃度導(dǎo)致高阻特性同時，也能很好地保證外延層優(yōu)良的晶體質(zhì)量。
【附圖說明】
[0018]附圖1所示是本【具體實施方式】所述用于高電子迀移率晶體管高阻襯底的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]附圖2是本【具體實施方式】所述生長方法的步驟示意圖。
[0020]附圖3是附圖2所述工藝的流量時序圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的用于高電子迀移率晶體管的高阻襯底以及生長方法的【具體實施方式】做詳細說明。
[0022]參考附圖1所示是本【具體實施方式】所述用于高電子迀移率晶體管高阻襯底的結(jié)構(gòu)示意圖，包括支撐襯底10、支撐襯底10表面的高阻層20。所述高阻層20材料為氮化物。所述高阻層20中包含由多個摻雜層21和多個非摻雜層22交替設(shè)置的周期性結(jié)構(gòu)。所述高阻層20所包含的多個摻雜層21和多個非摻雜層22均為氮化物材料，且所述摻雜層21的材料為含有深能級摻雜元素的氮化物。深能級摻雜元素能夠提高氮化物的電阻值，但卻會引起晶格變形，導(dǎo)致繼續(xù)生長溝道層(未圖示)等材料的缺陷增加。因此本【具體實施方式】采用周期性摻雜的方法，降低單一的摻雜層21的厚度，降低晶格畸變的程度。雖然每一個摻雜層21的厚度降低了，但高阻層20的電阻是由多個摻雜層21的總厚度決定的，只要累計足夠多的周期仍然可以滿足高阻的要求。因此本【具體實施方式】的方案在提高深能級摻雜濃度導(dǎo)致高阻特性同時，也能很好地保證外延層優(yōu)良的晶體質(zhì)量。
[0023]其中所述的支撐襯底10為藍寶石或碳化硅或硅或氧化鋅或鋁酸鋰或氮化鋁或氮化鎵。本【具體實施方式】中的支撐襯底10采用8英寸硅(111)襯底。
[0024]在本【具體實施方式】中，所述高阻層20中的摻雜層21和非摻雜層22的材料各自獨立地選自于GaN、Al組分小于15%的AlGaN、以及AlGaInN中的任意一種。而所述摻雜層21中深能級摻雜元素選自于Fe、Mn、Co、N1、Cu、以及C中的一種或其組合。
[0025]本【具體實施方式】中，所述深能級摻雜元素的摻雜濃度為I X 119Cm 3?7 X 119Cm 3，所述多個摻雜層21和多個非摻雜層22交替設(shè)置的周期為3?1000周期。每一層摻雜層21的厚度范圍是10納米-5微米，總厚度范圍是50納米-15微米。
[0026]本【具體實施方式】中，為了進一步提高晶體質(zhì)量，所述支撐襯底10和高阻層20之間進一步包括緩沖層30。
[0027]參考附圖2是本【具體實施方式】所述生長方法的步驟示意圖。對于上述高阻層20的生長工藝，應(yīng)當包括如下步驟的交替實施；步驟SI，采用金屬氧化物化學氣相沉積的方法生長氮化物材料作為非摻雜層；步驟S2，采用與上一步驟相同的工藝參數(shù)，并通入含有深能級摻雜元素的物質(zhì)，生長摻雜層。
[0028]步驟SI中所述的金屬氧化物化學氣相沉積的方法，在具體實施中例如可以采用德國愛思強(Aixtron)公司的行星式反應(yīng)腔G5_plus MOCVD生長設(shè)備。氮氣和氫氣作為載氣，三族元素為MO源為三甲基鎵(TMGa)和三甲基鋁(TMAl)。外延片的生長溫度為1030-1150°C，生長壓力為60-200mbar，氨氣的流量為8_60L/min，TMGa的流量為250 μ mol/min，TMGa 為 50 μ mol/min。
[0029]步驟S2中的摻雜元素可以是選自于Fe、Mn、Co、N1、Cu、以及C中的一種或其組合。對于不同的元素可以設(shè)置不同的工藝參數(shù)和通入時間，通入時間例如可以是2秒至200秒。例如對于Fe深能級雜質(zhì)可以米用的工藝是米用Cp2Fe作為原物質(zhì)，通入時間為30s，通入周期為100，F(xiàn)e的流量為200sccm(濃度為3xl019cm 3)。生長壓力為200mar，生長溫度為1030°C。附圖3是上述工藝的流量時序圖。這樣制作出來的高阻層室溫電阻率大于17 Ω.cm。
[0030]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種用于高電子迀移率晶體管的高阻襯底，包括支撐襯底和支撐襯底表面的高阻層，所述高阻層材料為氮化物，其特征在于，所述高阻層中包含由多個摻雜層和多個非摻雜層交替設(shè)置的周期性結(jié)構(gòu)，所述摻雜層的材料為含有深能級摻雜元素的氮化物。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高電子迀移率晶體管的高阻襯底，其特征在于，所述高阻層中的摻雜層和非摻雜層的材料各自獨立地選自于GaN、Al組分小于15%的AlGaN、以及AlGaInN中的任意一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高電子迀移率晶體管的高阻襯底，其特征在于，所述深能級摻雜元素選自于Fe、Mn、Co、N1、Cu、以及C中的一種或其組合。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高電子迀移率晶體管的高阻襯底，其特征在于，所述深能級摻雜元素的摻雜濃度為IXlO19Cm 3?7X10 19cm 3O5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高電子迀移率晶體管的高阻襯底，其特征在于，所述多個摻雜層和多個非摻雜層交替設(shè)置的周期為3?1000周期。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高電子迀移率晶體管的高阻襯底，其特征在于，所述支撐襯底和高阻層之間進一步包括緩沖層。7.一種用于高電子迀移率晶體管的高阻襯底的生長方法，所述襯底包括支撐襯底和支撐襯底表面的高阻層，所述高阻層材料為氮化物，其特征在于，所述高阻層的生長工藝包括如下步驟的交替實施； 采用金屬氧化物化學氣相沉積的方法生長氮化物材料作為非摻雜層；采用與上一步驟相同的工藝參數(shù)，并通入含有深能級摻雜元素的物質(zhì)，生長摻雜層。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述深能級摻雜元素選自于Fe、Mn、Co、N1、Cu以及C中的一種或其組合，對應(yīng)的含有深能級摻雜元素的物質(zhì)分別是二茂鐵、二茂錳、二茂鈷、二茂鎳、二茂銅和甲烷。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述含有深能級摻雜元素的物質(zhì)的通入時間為2秒至200秒。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于高電子遷移率晶體管的高阻襯底及其生長方法。所述襯底包括支撐襯底和支撐襯底表面的高阻層，所述高阻層材料為氮化物，其特征在于，所述高阻層中包含由多個摻雜層和多個非摻雜層交替設(shè)置的周期性結(jié)構(gòu)，所述摻雜層的材料為含有深能級摻雜元素的氮化物。本發(fā)明的優(yōu)點在于在保證深能級摻雜濃度導(dǎo)致高阻特性同時，也能很好地保證外延層優(yōu)良的晶體質(zhì)量。
【IPC分類】H01L29/207, H01L29/201, H01L21/02, H01L29/20
【公開號】CN105047695
【申請?zhí)枴緾N201510315457
【發(fā)明人】閆發(fā)旺, 張峰, 王文宇
【申請人】上海新傲科技股份有限公司
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年6月10日