專利名稱：氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于.半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及種氮化鎵基高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu),背景技術(shù)氮化鎵基咼電子遷移率晶體管具有高溫、高頻、大功率和抗短射的特點(diǎn)，可以在惡劣環(huán)境下工作，在雷達(dá)、衛(wèi)星通信、無線通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用-、/* 刖學(xué)氮化鎵基咼電子遷移率晶體管的原理為由于氮化鎵與鋁鎵氮這兩種材料的導(dǎo)帶不連續(xù)性，同時(shí)由于這兩種材料的白發(fā)極化與壓電極化效應(yīng)，在它們的界面處形成個(gè)二角形勢(shì)阱，從而在三角形勢(shì)阱中形成—維電子氣，由于二維電子氣與電離雜質(zhì)在空間上相互隔離，使材料的遷移率大大提高。如在柵電極與源電極之間加控制電壓 一 柵壓，同時(shí)在漏電極和源電極之間加電壓，即可通過柵壓控制漏極電流，起到
功率放大等作用。在本發(fā)明以前，普遍采用的氮化鎵基高電子遷移率曰 曰曰體管的結(jié)構(gòu)為:在襯底上依次生長(zhǎng)氮化鎵緩沖層和鋁鎵氮?jiǎng)輭緦印＿@種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，在鋁鎵氮與氮化鎵幵質(zhì)結(jié)處形成三角形勢(shì)阱，當(dāng)?shù)壔唠娮舆w移率曰 曰曰體管工作時(shí)，如果加以較大的偏壓，由于二角形勢(shì)阱氮化鎵緩沖層側(cè)的勢(shì)壘較低，溝道中的電子會(huì)'越過二角形勢(shì)阱氮化鎵緩沖層 一 側(cè)的勢(shì)壘，使器件性能變差另外由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中鋁鎵氮?jiǎng)輭緦又械匿X組分較低，所以鋁鎵氮與氮化鎵異質(zhì)結(jié)界面處鋁鎵氮側(cè)的導(dǎo)帶不連續(xù)性參數(shù)的增大受到限制加之鋁鎵氮中合金組份不均勻性對(duì)電子的散射作用，使得這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電子遷移率和相應(yīng)器件的性能很難得到進(jìn)步提咼發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種新型氮化鎵基咼電子遷移率臼 曰曰體管的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用了新型的雙插入層結(jié)構(gòu)，包括銦鎵氮插入層和氮化鋁插入層中銦鎵氮插入層的導(dǎo)帶底能級(jí)在壓電極化電場(chǎng)的作用下被抬咼，更好的把載流子限制在溝道之中銦鎵氮插入層與氮化鎵高遷移率層之間采取了一層薄的低溫生長(zhǎng) 的氮化鎵隔離層來防止銦鎵氮插入層中的銦的分凝擴(kuò)散。同時(shí)薄的氮化鋁插入層與氮化鎵高遷移沖《—層界面處有更高的導(dǎo)帶不連續(xù)性，有效提高了此結(jié)構(gòu)中的一維電子氣遷移率。氮化鎵帽層在 一 定程度上降低了鋁鎵氮?jiǎng)輭緦拥谋砻嫒毕?，有效抑制了電流崩±晶效?yīng)，且方便制作器件的歐姆接觸電極。本發(fā)明提供種氮化鎵基高電子遷移率曰 曰曰體管結(jié)構(gòu)，其特征在于其中包括一襯底一低溫成核層，該低溫成核層制作在襯底的上面，該低溫成核層為咼溫外延層提供有效的成核中心，并起到有效降低外延層位錯(cuò)密度；一氮化鎵咼阻層，該氮化鎵高阻層制作在低溫成核層的上面，該氮化鎵高阻層的作用為降低襯底材料對(duì)外延層的影響，提高氮化鎵溝道層的質(zhì)量，同時(shí)起到降低緩沖層電流的泄漏 ，一銦鎵氮插入層，該銦鎵氮插入層制作在氮化鎵咼阻層的上面，該銦鎵氮插入層有效增強(qiáng)了對(duì)溝道載流子的限制一低溫氮化鎵隔離層，該低溫氮化鎵隔離層制作在銦鎵氮插入層的上面，該低溫氮化鎵隔離層有效抑制了銦鎵氮插入層中的銦的分凝擴(kuò)散；
咼遷移率氮化鎵層，該高遷移率氮化鎵層制作在低溫氮化鎵隔離層的上面，該高遷移率氮化鎵層減少了氮化鎵高阻層深能級(jí)陷阱對(duì)溝道電子的散射，提咼了溝道電子遷移率氮化鋁插入層，該氮化鋁插入層制作在高遷移率氮化鎵層的上面，該氮化鋁插入層增強(qiáng)了異質(zhì)結(jié)導(dǎo)帶 蜜不連續(xù)性，有效提高了此結(jié)構(gòu)中的二維電子氣遷移牛鋁鎵氮?jiǎng)輭緦釉撲X鎵氮?jiǎng)輭緦又谱髟诘X插入層的上面，該鋁鎵氮?jiǎng)輭緦佑糜谛纬射X鎵氮/氮化鎵巳 幵質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生維電子氣；氮化鎵帽層該氮化鎵帽層制作在鋁鎵氮?jiǎng)輭緦拥纳厦?，該氮化鎵帽層有效抑制了電流崩塌效?yīng)c中所述的襯底為藍(lán)寶石或硅或碳化硅或氮化鎵或氮化鋁或ZnO,所述的低溫成核層為氮化鎵或氮化鋁或AlGaN，度為2 0-1 0 Onm。其中所述的氮化鎵高阻層的厚度為5 0 0-5 0 0 0關(guān)。
其中所述的銦鎵氮插入層的厚度為1- 2 Onm，銦 組分為1 %- 1 0 o/o。其中所述的低溫氮化鎵隔離層的厚度為i - i 0 0 n m 。其中所述的高遷移率氮化鎵層的厚度為l 0-30 0 nm， 優(yōu)化值為5 0 - 2 0 0 nm。其中所述的氮化鋁插入層的厚度為0 - 4 nm，優(yōu)化 值為0.5-1.5nm。其中所述的鋁鎵氮?jiǎng)輭緦拥暮穸葹閘 5-3 Onm。 其中所述的氮化鎵帽層的厚度為l-3 0 Onm。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合具體實(shí)施 方式對(duì)本發(fā)明作一個(gè)詳細(xì)的描述，其中圖1是本發(fā)明的氮化鎵基高電子遷移率晶體管的 結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié) 構(gòu)的能帶示意圖；圖3是本發(fā)明的氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié) 構(gòu)的變溫霍爾測(cè)試結(jié)果；
員體實(shí)施方式請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明發(fā)明了一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)，其中包括c 1襯底1 o ，該襯底i o的材料為藍(lán)寶石或硅或碳化娃或氮化鎵或氮化鋁或ZnO;(2低溫成核層2 0 ，該低溫成核層20為氮化鎵或氮化鋁或AlGaN，制作在襯底10的上面，低溫成核層20的作用是為外延層的生長(zhǎng)提供有效的成核中心，而且由于產(chǎn)生的大量位錯(cuò)釋放了外延層的大部分應(yīng)力，有效地降低了外延層的位錯(cuò)密度，提高了材料的晶體質(zhì)皿和器件的性能；(3氮化鎵高阻層3 0 ，該氮化鎵高阻層30制作在低溫成核層2 0的上面，氮化鎵高阻層30的作用是減小襯底材料對(duì)外延膜的影響，提高 GaN溝道層的晶體質(zhì)量，同時(shí)將緩沖層的電流泄漏減小到最低限度，優(yōu)化了材料和器件的性能；(4銦鎵氮插入層4 0，該銦鎵氮插入層40制作在氮化鎵高阻層3 0的上面，銦鎵氮插入層40的作用是，銦鎵氮插入層的導(dǎo)帶底能級(jí)在其壓電極化電場(chǎng)的作用下被抬高，形成了 一個(gè)背勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，從而更好的把載流子限制在溝道之中，防止了溝道中的載 流子泄漏到緩沖層中去；5低溫氮化鎵隔離層5 0，該低溫氮化鎵隔離層50制作在銦鎵氮插入層4 0的上面，低溫氮化鎵隔離層5o的作用是，由于較低的生長(zhǎng)溫度，所以可以有效的防止銦鎵氮插入層中的銦的分凝擴(kuò)散；C6高遷移率氮化鎵層6 0， 該高遷移率氮化鎵層60制作在低溫氮化鎵隔離層5 0的上面，咼遷移率氮化鎵層6 0的作用是不僅能防止電流從緩沖層的泄漏，而且高質(zhì)量的電子導(dǎo)電溝道減小了高阻氮化鎵緩沖層深能級(jí)陷阱對(duì)溝道電子的散射，提高了溝道電子遷移率7氮化鋁插入層7 0 ，該氮化鋁插入層70制作在咼遷移率氮化鎵層6 0的上面，氮化鋁插入層70的作用是使得異質(zhì)結(jié)導(dǎo)帶的不連續(xù)性得到了較大地提咼，,同時(shí)由于氮化鋁插入層70很薄，不會(huì)對(duì)異質(zhì)結(jié)的界面粗糙度帶來很大影響，所以溝道電子的遷移率會(huì)大幅提高；8鋁鎵氮?jiǎng)輭緦? 0 ，該鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?0制作在氮化鋁插入層7 0的上面，鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?0的作用是使的異質(zhì)結(jié)界面處形成一個(gè)三角形勢(shì)阱，從而在二角形勢(shì)阱中形成二維電子氣 9)氮化鎵蓋帽層90，該氮化鎵帽層90制作在鋁鎵氮?jiǎng)輭緦? 0的上面，氮化鎵主帽層90的作用是，減少鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?0的表面缺陷，抑制電流山 朋塌效應(yīng)。以上在襯底1 0上制作的低溫成核層20、氮化鎵高阻層3 0、銦鎵氮插入層40、氮化鎵隔離層50、高遷移率氮化鎵層60、氮化鋁插入層70、鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?0 、氮化鎵帽層90，均可以采用現(xiàn)有技術(shù)的金屬有機(jī)物化學(xué)氣;相淀積法(MOCVD )或分子束外延法cMBE )或氰化物汽相外延法CHVPE )制作，或采用以上三種方法的組合請(qǐng)參閱圖2所示的具體能帶圖結(jié)構(gòu)，本發(fā)明關(guān)鍵在于通過分析異質(zhì)結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體的白發(fā)和壓電極化效應(yīng)，采用了新型的銦鎵氮插入層與氮化鋁插入層的雙插入層，來提高材料的遷移率并改善對(duì)—維電子氣的限制如圖2中所示，銦鎵氮插入層中的壓電極化電場(chǎng)的方向，是從銦鎵氮插入層指向氮化鎵緩沖層，而鋁鎵氮?jiǎng)輭緦又械膲弘姌O化電場(chǎng)方向，則是從氮化鎵高遷移率層指向鋁鎵氮?jiǎng)輭緦樱糟熸壍迦雽又械膲弘姌O化電場(chǎng)的方向與鋁鎵氮?jiǎng)輭緦又械膲弘姌O化電場(chǎng)方向相反，所以銦鎵氮插入層的導(dǎo)帶底能級(jí)在其
壓電極化電場(chǎng)的作用下被抬咼，形成了 一個(gè)背勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，從而更好的把載流子限制在溝道之中，防止了溝道中的載流子泄漏到緩沖層中去。由于銦鎵氮插入層谷易在咼溫下發(fā)生銦的分凝擴(kuò)散現(xiàn)象，所以還在銦鎵氮插入層與氮化鎵高遷移率層之間采取了—層薄的低溫生長(zhǎng)的氮化鎵隔離層來防止銦鎵氮插入層中的銦的分凝擴(kuò)散。同時(shí)如圖2中所示薄的氮化鋁插入層與氮化鎵咼遷移率層界面處具有更高的導(dǎo)帶不連續(xù)性，從而有效提咼了此結(jié)構(gòu)中的二維電子氣遷移率另外在結(jié)構(gòu)最表面的氮化鎵帽層，在一定程度上降低了鋁鎵氮?jiǎng)輭緦拥谋砻嫒毕荩行б种屏穗娏髋笏?yīng)，同時(shí)由于氮化鎵表面更容易制作歐姆接觸，所以將方便制作班 益件的歐姆接角蟲電極。采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積法(MOCVD)生長(zhǎng)獲得以上結(jié)構(gòu)的樣口 口R，對(duì)樣品進(jìn)行了測(cè)試分析證明了采用此結(jié)構(gòu)的氮化鎵基高電子遷移率晶體管材料有高的遷移率。請(qǐng)參閱圖3所示室溫測(cè)試表明該幺士構(gòu)材料的二維電子氣室溫遷移率在1 900 <7v,s-2110 cm7V. s之間，二維電子氣面密度大于0.8 X 1 0 1 3 cm —2， 變溫 HALL測(cè)試表明該結(jié)構(gòu)材料在7 8K低溫下，遷移率超過8 5 0 Ocm7V.s， 且二維電 子氣面密度隨溫度變化的分布近似為水平直線，表明13
其隨溫度的變化不明顯，從而表明材料具有優(yōu)良的質(zhì) 量和電學(xué)性能。原子力顯微鏡(AFM )測(cè)試方法證實(shí)該結(jié)構(gòu)材料表面粗糙度(RMS )小于0 . 2 nm ，表明此結(jié) 構(gòu)材料具有平整的表面形貌。本發(fā)明利用了異質(zhì)結(jié)構(gòu) 中半導(dǎo)體的自發(fā)和壓電極化效應(yīng)和能帶工程理論進(jìn)行 設(shè)計(jì)，獲得了 一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1、一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中包括一襯底；一低溫成核層，該低溫成核層制作在襯底的上面，該低溫成核層為高溫外延層提供有效的成核中心，并起到有效降低外延層位錯(cuò)密度；一氮化鎵高阻層，該氮化鎵高阻層制作在低溫成核層的上面，該氮化鎵高阻層的作用為降低襯底材料對(duì)外延層的影響，提高氮化鎵溝道層的質(zhì)量，同時(shí)起到降低緩沖層電流的泄漏；一銦鎵氮插入層，該銦鎵氮插入層制作在氮化鎵高阻層的上面，該銦鎵氮插入層有效增強(qiáng)了對(duì)溝道載流子的限制；一低溫氮化鎵隔離層，該低溫氮化鎵隔離層制作在銦鎵氮插入層的上面，該低溫氮化鎵隔離層有效抑制了銦鎵氮插入層中的銦的分凝擴(kuò)散；一高遷移率氮化鎵層，該高遷移率氮化鎵層制作在低溫氮化鎵隔離層的上面，該高遷移率氮化鎵層減少了氮化鎵高阻層深能級(jí)陷阱對(duì)溝道電子的散射，提高了溝道電子遷移率；一氮化鋁插入層，該氮化鋁插入層制作在高遷移率氮化鎵層的上面，該氮化鋁插入層增強(qiáng)了異質(zhì)結(jié)導(dǎo)帶不連續(xù)性，有效提高了此結(jié)構(gòu)中的二維電子氣遷移率；一鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?，該鋁鎵氮?jiǎng)輭緦又谱髟诘X插入層的上面，該鋁鎵氮?jiǎng)輭緦佑糜谛纬射X鎵氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生二維電子氣；一氮化鎵帽層，該氮化鎵帽層制作在鋁鎵氮?jiǎng)輭緦拥纳厦?，該氮化鎵帽層有效抑制了電流崩塌效?yīng)。
全文摘要
一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，包括一襯底；一低溫成核層制作在襯底的上面；一氮化鎵高阻層制作在低溫成核層的上面；一銦鎵氮插入層制作在氮化鎵高阻層的上面；一低溫氮化鎵隔離層制作在銦鎵氮插入層的上面；一高遷移率氮化鎵層制作在低溫氮化鎵隔離層的上面；一氮化鋁插入層制作在高遷移率氮化鎵層的上面；一鋁鎵氮?jiǎng)輭緦又谱髟诘X插入層的上面；一氮化鎵帽層，該氮化鎵帽層制作在鋁鎵氮?jiǎng)輭緦拥纳厦妫摰壝睂佑行б种屏穗娏鞅浪?yīng)。
文檔編號(hào)H01L29/778GK101399284SQ200710122478
公開日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2007年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月26日
發(fā)明者冉學(xué)軍, 健 唐, 李晉敏, 王曉亮, 王翠梅, 肖紅領(lǐng), 胡國(guó)新 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所