一種氮化鎵高電子遷移率晶體管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及微電子技術(shù)。本發(fā)明解決了現(xiàn)有AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管中，電子容易溢出溝道進(jìn)入緩沖層，從而降低溝道夾斷性能的問題，提供了一種氮化鎵高電子遷移率晶體管及其制備方法，其技術(shù)方案可概括為：一種氮化鎵高電子遷移率晶體管，包括襯底、氮化鎵成核層、氮化鎵緩沖層、氮化鎵溝道層及AlGaN勢壘層，其特征在于，還包括AlGaN背勢壘層，所述AlGaN背勢壘層設(shè)置在氮化鎵緩沖層與氮化鎵溝道層之間，所述AlGaN背勢壘層中，Al原子組分含量沿氮化鎵成核層向氮化鎵溝道層方向由零逐漸增加至一固定數(shù)值。本發(fā)明的有益效果是，提高器件的微波性能和功率特性，適用于高電子遷移率晶體管。
【專利說明】一種氮化鎵高電子遷移率晶體管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子技術(shù)，特別涉及氮化鎵高電子遷移率晶體管的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵(GaN)與第一代和第二代半導(dǎo)體材料相比具有更高的擊穿電場強(qiáng)度、高飽和速度及高熱穩(wěn)定性等優(yōu)良性能，使其得到了人們的極大關(guān)注和研究，其中研究最為廣泛的是AlGaN/GaN (氮化鋁鎵/氮化鎵)高電子遷移率晶體管(HEMT)，該器件在高頻、高功率、聞溫等都有應(yīng)用。
[0003]AlGaN/GaN聞電子遷移率晶體管是一種異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，它是利用氣化物材料特有的極化效應(yīng)使得在異質(zhì)結(jié)界面勢阱中形成高濃度的二維電子氣(2-DEG)溝道，通過肖特基柵壓控制溝道電子實(shí)現(xiàn)工作。2-DEG存在于AlGaN勢壘層和GaN溝道層相接觸的異質(zhì)結(jié)表面，其遷移率很高并且在極低的溫度下也不凍結(jié)，具有很好的溫度特性。HEMT是一種電壓控制的器件，柵極電壓Vg可以控制AlGaN和GaN異質(zhì)結(jié)勢阱的深度，進(jìn)而控制勢阱中2-DEG的面密度，從而控制器件的工作電流?，F(xiàn)有的GaN HEMT外延結(jié)構(gòu)一般包括襯底、成核層、緩沖層、溝道層及勢壘層，成核層設(shè)置在襯底上方，緩沖層設(shè)置在成核層上方，溝道層設(shè)置在緩沖層上方，勢壘層設(shè)置在溝道層上方，襯底一般為藍(lán)寶石、碳化硅(SiC)或單晶硅(Si )，對(duì)于通常采用的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，緩沖層和溝道層均為GaN，勢壘層為AlGaN，在這種單異質(zhì)結(jié)構(gòu)中溝道層和緩沖層均為GaN，之間不能形成導(dǎo)帶帶階，溝道二維電子氣的限域性較差，電子容易溢出溝道進(jìn)入緩沖層，從而降低了溝道的夾斷性能，造成器件的輸出電導(dǎo)增大和擊穿性能下降，進(jìn)而降低了器件的頻率性能和功率特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是要克服目前AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管中，電子容易溢出溝道進(jìn)入緩沖層，從而降低溝道夾斷性能的問題，提供一種氮化鎵高電子遷移率晶體管及其制備方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，一種氮化鎵高電子遷移率晶體管，包括襯底、氮化鎵成核層、氮化鎵緩沖層、氮化鎵溝道層及AlGaN勢壘層，其特征在于，還包括AlGaN背勢壘層，所述AlGaN背勢壘層設(shè)置在氮化鎵緩沖層與氮化鎵溝道層之間，所述AlGaN背勢壘層中，Al原子與Ga原子的原子比例為x: l_x，0〈x〈l，Al原子組分含量沿氮化鎵成核層向氮化鎵溝道層方向由零逐漸增加至一固定數(shù)值。
[0006]具體的，襯底為藍(lán)寶石襯底或碳化硅襯底或單晶硅襯底。
[0007]進(jìn)一步的，所述固定數(shù)值的取值范圍為0.02至0.5。
[0008]再進(jìn)一步的，所述AlGaN背勢壘層的厚度為IOnm至50nm，氮化鎵溝道層的厚度為IOnm 至 500nm。
[0009]一種氮化鎵高電子遷移率晶體管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0010]步驟1、將襯底置于高溫高壓氫氣氣氛下烘烤一段時(shí)間；[0011]步驟2、通入氨氣及三甲基鎵，在襯底表面生長氮化鎵成核層；
[0012]步驟3、繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，在氮化鎵成核層上生長氮化鎵緩沖層；
[0013]步驟4、繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，并通入三甲基鋁，通入的三甲基鋁與三甲基鎵中，三甲基鋁所占比例由零到一固定數(shù)值逐漸增大，在氮化鎵緩沖層上生長AlGaN背勢壘層；
[0014]步驟5、繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，并取消通入三甲基鋁，在AlGaN背勢壘層上生長氮化鎵溝道層；
[0015]步驟6、繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，并通入三甲基鋁，在氮化鎵溝道層上生長AlGaN勢壘層，完畢后降至室溫。
[0016]進(jìn)一步的，所述襯底為藍(lán)寶石襯底或碳化硅襯底或單晶硅襯底。
[0017]具體的，步驟4中，所述生長AlGaN背勢壘層時(shí)的溫度為700至1200攝氏度。
[0018]再進(jìn)一步的，步驟4中，所述固定數(shù)值的取值范圍為0.02至0.5。
[0019]本發(fā)明的有益效果是，上述一種氮化鎵高電子遷移率晶體管及其制備方法，相較于現(xiàn)有氮化鎵高電子遷移率晶體管，AlGaN背勢壘層能夠與氮化鎵溝道層形成導(dǎo)帶帶階，增強(qiáng)2-DEG限域性，提高器件的微波性能和功率特性，且AlGaN背勢壘層若為上述漸變的AlGaN背勢壘層，相較于固定組分的AlGaN背勢壘層，其能有效減低AlGaN背勢壘層中的位錯(cuò)等缺陷密度，有助于進(jìn)一步提升器件的性能及可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的一種氮化鎵高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0022]本發(fā)明所述的一種氮化鎵高電子遷移率晶體管由襯底、氮化鎵成核層、氮化鎵緩沖層、氮化鎵溝道層、AlGaN勢壘層及AlGaN背勢壘層組成，其中，氮化鎵成核層設(shè)置在襯底上，氮化鎵緩沖層設(shè)置在氮化鎵成核層上，AlGaN背勢壘層設(shè)置在氮化鎵緩沖層上，氮化鎵溝道層設(shè)置在AlGaN背勢壘層上，即AlGaN背勢壘層設(shè)置在氮化鎵緩沖層與氮化鎵溝道層之間，AlGaN勢壘層設(shè)置在氮化鎵溝道層上。本發(fā)明所述的一種氮化鎵高電子遷移率晶體管的制備方法中，米用MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor Deposition金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀)技術(shù)，首先將襯底置于高溫高壓氫氣氣氛下烘烤一段時(shí)間，然后通入氨氣及三甲基鎵，在襯底表面生長氮化鎵成核層，再繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，在氮化鎵成核層上生長氮化鎵緩沖層，然后再繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，并通入三甲基鋁，在氮化鎵緩沖層上生長AlGaN背勢壘層，再繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，并取消通入三甲基鋁，在AlGaN背勢壘層上生長氮化鎵溝道層，最后再繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，并通入三甲基鋁，在氮化鎵溝道層上生長AlGaN勢壘層，完畢后降至室溫。
[0023]實(shí)施例
[0024]本例的一種氮化鎵高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖參見圖1，其中的AlGaN背勢壘層中，Al原子與Ga原子的原子比例為X:1-X，A1原子組分含量沿氮化鎵成核層向氮化鎵溝道層方向逐漸增加至一固定數(shù)值。[0025]具體為:氮化鎵成核層設(shè)置在襯底上，氮化鎵緩沖層設(shè)置在氮化鎵成核層上，AlGaN背勢壘層設(shè)置在氮化鎵緩沖層上，氮化鎵溝道層設(shè)置在AlGaN背勢壘層上，即AlGaN背勢壘層設(shè)置在氮化鎵緩沖層與氮化鎵溝道層之間，AlGaN勢壘層設(shè)置在氮化鎵溝道層上。
[0026]其中，襯底可以為藍(lán)寶石襯底或碳化硅襯底或單晶硅襯底等。在AlGaN背勢壘層中41原子與6&原子的原子比例為1:1-1，0〈1〈141原子組分含量沿氮化鎵成核層向氮化鎵溝道層方向逐漸增加至一固定數(shù)值，該固定數(shù)值的取值范圍為0.02至0.5，該AlGaN背勢魚層的厚度為IOnm至50nm,氮化鎵溝道層的厚度為IOnm至500nm。
[0027]其制備方法如下:
[0028]步驟1、將襯底置于高溫高壓氫氣氣氛下烘烤一段時(shí)間。
[0029]本步驟中，襯底可以為藍(lán)寶石襯底或碳化硅襯底或單晶硅襯底等，本例采用藍(lán)寶石襯底，則舉例為:將藍(lán)寶石襯底置于1080攝氏度和IOOTorr的氫氣氣氛下烘烤8分鐘。
[0030]步驟2、通入氨氣及三甲基鎵，在襯底表面生長氮化鎵成核層。
[0031]本步驟中，結(jié)合上述舉例為:先降溫至550攝氏度，通入氨氣及三甲基鎵，在藍(lán)寶石襯底表面上生長20nm厚的氮化鎵成核層。
[0032]步驟3、繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，在氮化鎵成核層上生長氮化鎵緩沖層。
[0033]本步驟中，結(jié)合上述舉例為:繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，在氮化鎵成核層表面上生長2 厚的氮化鎵緩沖層。
[0034]步驟4、繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，并通入三甲基鋁，在氮化鎵緩沖層上生長AlGaN背勢壘層。
[0035]本步驟中，生長AlGaN背勢壘層時(shí)的溫度為700至1200攝氏度，且生長AlGaN背勢壘層時(shí)，通入的三甲基鋁與三甲基鎵中，三甲基鋁所占比例可由零到一固定數(shù)值逐漸增大，以形成漸變的AlGaN背勢壘層，該固定數(shù)值的取值范圍為0.02至0.5。其結(jié)合上述舉例為:調(diào)整溫度為950攝氏度，繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，并通入三甲基鋁，通入的三甲基鋁與三甲基鎵中，三甲基鋁所占比例可由0到0.06逐漸增大，在氮化鎵緩沖層上生長50nm厚的Al原子組分含量逐漸增大的AlGaN背勢壘層。
[0036]步驟5、繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，并取消通入三甲基鋁，在AlGaN背勢壘層上生長氮化鎵溝道層。
[0037]本步驟中，結(jié)合上述舉例為:繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，并關(guān)閉三甲基鋁的通入，溫度調(diào)整為1080攝氏度，在AlGaN背勢壘層上生長200nm厚的氮化鎵溝道層。
[0038]步驟6、繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，并通入三甲基鋁，在氮化鎵溝道層上生長AlGaN勢壘層，完畢后降至室溫。
[0039]本步驟中，結(jié)合上述舉例為:繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，并通入三甲基鋁，溫度調(diào)整為1100攝氏度，在氮化鎵溝道層上生長30nm厚的AlGaN勢壘層，完畢后降至室溫。
【權(quán)利要求】
1.一種氮化鎵高電子遷移率晶體管，包括襯底、氮化鎵成核層、氮化鎵緩沖層、氮化鎵溝道層及AlGaN勢壘層，其特征在于，還包括AlGaN背勢壘層，所述AlGaN背勢壘層設(shè)置在氮化鎵緩沖層與氮化鎵溝道層之間，所述AlGaN背勢壘層中，Al原子與Ga原子的原子比例為X:1-X，0〈X〈1，Al原子組分含量沿氮化鎵成核層向氮化鎵溝道層方向由零逐漸增加至一固定數(shù)值。
2.如權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵高電子遷移率晶體管，其特征在于，襯底為藍(lán)寶石襯底或碳化硅襯底或單晶硅襯底。
3.如權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述固定數(shù)值的取值范圍為0.02至0.5。
4.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種氮化鎵高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述AlGaN背勢魚層的厚度為IOnm至50nm,氮化鎵溝道層的厚度為IOnm至500nm。
5.一種氮化鎵高電子遷移率晶體管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、將襯底置于高溫高壓氫氣氣氛下烘烤一段時(shí)間； 步驟2、通入氨氣及三甲基鎵，在襯底表面生長氮化鎵成核層； 步驟3、繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，在氮化鎵成核層上生長氮化鎵緩沖層； 步驟4、繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，并通入三甲基鋁，通入的三甲基鋁與三甲基鎵中，三甲基鋁所占比例由零到一固定數(shù)值逐漸增大，在氮化鎵緩沖層上生長AlGaN背勢壘層； 步驟5、繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，并取消通入三甲基鋁，在AlGaN背勢壘層上生長氮化鎵溝道層； 步驟6、繼續(xù)通入氨氣及三甲基鎵，并通入三甲基鋁，在氮化鎵溝道層上生長AlGaN勢壘層，完畢后降至室溫。
6.如權(quán)利要求5所述的一種氮化鎵高電子遷移率晶體管的制備方法，其特征在于，所述襯底為藍(lán)寶石襯底或碳化硅襯底或單晶硅襯底。
7.如權(quán)利要求5所述的一種氮化鎵高電子遷移率晶體管的制備方法，其特征在于，步驟4中，所述生長AlGaN背勢壘層時(shí)的溫度為700至1200攝氏度。
8.如權(quán)利要求5或6或7所述的一種氮化鎵高電子遷移率晶體管的制備方法，其特征在于，步驟4中，所述固定數(shù)值的取值范圍為0.02至0.5。
【文檔編號(hào)】H01L21/335GK103594509SQ201310611611
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】唐武, 賈東旺 申請人:電子科技大學(xué)