本發(fā)明涉及低電阻的高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜，特別涉及gan高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜及其納米外延過生長方法。

背景技術：

gan高電子遷移率晶體管(hemt)器件是一種基于寬禁帶半導體材料的電力電子器件。通過形成外延的algan/gan異質結，極化電場有效的調制了gan的能帶結構以及電荷的分布。這導致高電子遷移率晶體管在未人為摻雜的情況下，也能夠形成面密度達10¹³cm^-2的二維電子氣。因為在材料中沒有摻雜，電子在gan的理論遷移率超過2000cm²/vs。這就使得ganhemt理論上具有低導通電阻和高工作頻率的特點。能夠滿足新一代電力電子器件對更大功率、更高頻率、更小體積和高溫工作條件的要求，在電力電子應用領域具有非常大的潛力。

目前阻礙ganhemt器件完全取代現(xiàn)有硅(si)基電子器件的一個主要原因是高昂的生產(chǎn)成本。使用si作為外延的襯底材料能夠大幅度的減小ganhemt器件的材料成本，使得ganhemt的生產(chǎn)成本與現(xiàn)有si基電子器件的生產(chǎn)成本相近。然而，在si襯底上生長高質量的gan薄膜存在技術上的困難。目前在si襯底上外延生長的gan薄膜層的位錯密度很高，一般在10⁹cm^-2到10¹⁰cm^-2左右。gan薄膜層的位錯至少從兩個方面影響了ganhemt器件的性能。當電子橫穿位錯時，位錯會對電子起到散射作用，從而降低了hemt器件的電導。另一方面，薄膜層內(nèi)的位錯會導致gan材料表面的粗糙度上升。薄膜表面的粗糙度對hemt器件的電導影響很敏感。粗糙度越高，電導越低。所以一種能夠顯著降低在si襯底上gan薄膜層的位錯密度的方法對于ganhemt器件的廣泛應用具有重大的意義。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種gan高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜的納米外延過生長方法，解決了現(xiàn)有技術中在si襯底上生長的gan薄膜位錯密度太高，ganhemt電子器件電阻高的問題。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種gan高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜，位錯密度低，電阻值低。

本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn)：

gan高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜的納米外延過生長方法，包括以下步驟：

(1)采用mocvd方法在si襯底上生長aln成核層；

(2)采用mocvd方法在aln成核層上外延生長gan外延層；

(3)在gan薄膜層上沉積sio2薄膜；

(4)采用納米壓印的方法在sio2薄膜上制作長條形圖案，得到具有長條形窗口區(qū)的掩模層；所述長條形窗口區(qū)的長度方向與gan高電子遷移率晶體管的電流方向平行；

(5)采用mocvd方法從窗口區(qū)外延過生長gan膜，掩模區(qū)上方被gan膜鋪滿，直至生長得到連續(xù)的gan膜，即過生長gan外延層。

步驟(4)所述掩模層的窗口區(qū)寬度小于200nm，掩模區(qū)的寬度為100nm～2000nm。

步驟(1)所述采用mocvd方法在si襯底上生長aln成核層，具體為：

以tmal，nh3作為反應氣體，首先將v/iii束流比設定在1000～2000生長30～60nm的第一aln層，然后再將v/iii束流比減少到500～800生長20～80nm厚度的第二aln層，所述第一aln層和第二aln層形成aln成核層。

步驟(2)所述采用mocvd方法在aln成核層上外延生長gan薄膜層，具體為：

以tmga，nh3作為反應氣體，生長過程中，tmga流速110～200μmol/min，v/iii束流比設定為3000～6000，生長1μm～2μm的gan薄膜。

步驟(3)所述在gan薄膜層上沉積sio2薄膜，具體為：

采用cvd法在gan薄膜層上沉積50～100nmsio2薄膜。

步驟(5)中，以tmga，nh3作為反應氣體，從窗口區(qū)外延過生長gan膜，掩模區(qū)上方被gan膜鋪滿，反應直至成1μm～2μm的連續(xù)gan膜。

gan高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜，由下至上依次包括si襯底、aln成核層、gan外延層、sio2薄膜掩模層、過生長gan外延層；所述sio2薄膜掩模層上設有長條形窗口區(qū)，所述長條形窗口區(qū)的長度方向與gan高電子遷移率晶體管的電流方向平行。

所述掩模層的窗口區(qū)寬度小于200nm，掩模區(qū)的寬度為100nm～2000nm。

所述aln成核層包括第一aln層和第二aln層，所述第一aln層的厚度為30～60nm，所述第二aln層的厚度為20～80nm。

所述gan外延層的厚度為1μm～2μm；所述過生長gan外延層的厚度為1μm～2μm。

本發(fā)明的原理為：

本發(fā)明采用了納米級別的窗口(<200nm)，引入了位錯過濾的新的物理機制。當gan從納米尺度的窗口中生長，因為離界面很近，gan中的位錯會受到界面的鏡像力的作用，彎曲終止于界面或湮滅于界面。因此，從窗口生長出來的gan的位錯密度大大減小。這就是位錯過濾的機制。由于掩膜層的材料(如sio2)難以讓gan成核，在外延生長時，只有在窗口區(qū)內(nèi)gan才能成核生長。當窗口區(qū)的gan生長超過掩膜層的厚度，發(fā)生橫向生長。橫向生長一定程度后，從相鄰的窗口生長出來的gan就會在掩膜層上相遇。在相遇的界面因為晶格的取向失配會形成一定量的新的位錯。然而，因為gan在掩模層上生長方向與電流方向垂直，新的位錯與電流方向平行。因此，新產(chǎn)生的位錯對ganhemt的電流沒有散射作用。總結來說，和現(xiàn)有的方法相比，垂直電流方向納米過生長氮化鎵薄膜的方法一方面在窗口區(qū)和掩模區(qū)的上方大大減少了原來位錯的密度。這樣既可以減少ganhemt器件里位錯對電子的散射，又可以減少gan界面的粗糙度。另一方面，在掩模層上新產(chǎn)生的位錯不會導致ganhemt電導的下降。從而實現(xiàn)了在si襯底上制備低電阻的ganhemt電子器件。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：

本發(fā)明利用納米尺度下位錯過濾的機制和電流與位錯平行時不被散射的原理，采用納米外延過生長氮化鎵薄膜的方法在si襯底上生長出低位錯的gan薄膜，位錯密度低于10⁸cm^-2；同時采用外延生長方向垂直于電流方向，進一步降低了ganhemt器件的電阻。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實施例1的gan高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜的納米外延過生長方法的步驟(4)得到樣品的示意圖。

圖2為本發(fā)明的實施例1的gan高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜的截面示意圖。

圖3為本發(fā)明的實施例1的gan高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜的cl表面形貌圖。

圖4為本發(fā)明的實施例1的gan高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜的tem截面圖。

具體實施方式

下面結合實施例，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1

本實施例的gan高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜的生長方法，包括以下步驟：

(1)采用mocvd方法在si襯底上生長aln成核層。用tmal，nh3作為反應氣體。mocvd生長過程中，si襯底溫度為1050℃。tmal的流速是400μmol/min。首先將v/iii比設定在2000生長60nmaln層，然后再將v/iii減少到800生長60nmaln層。

(2)采用mocvd方法在aln成核層上外延生長的gan外延層。用tmga，nh3作為反應氣體。mocvd生長過程中，襯底溫度為1030℃，反應氣體tmga流速110μmol/min，將v/iii比設定在3000，生長2μm的gan薄膜。

(3)在gan薄膜層上沉積sio2薄膜：將外延片從mocvd反應腔體中取出，用cvd法沉積50nmsio2薄膜。

(4)刻蝕sio2薄膜獲得平行長條狀圖案：用納米壓印的方法在sio2薄膜上制作長條形圖案，得到具有長條形窗口區(qū)的掩模層。納米壓印過程包括涂膠，熱壓和rie刻蝕，從而制作出圖案。長條形窗口區(qū)的長度方向與ganhemt電流方向平行。對于長條狀圖案，窗口區(qū)寬度為200nm，掩模區(qū)的寬度是100nm。此時得到的樣品如圖1所示，由下至上依次包括si襯底11、aln成核層12、gan外延層13、sio2薄膜掩模層，其中sio2薄膜掩模層包括掩模區(qū)14和窗口區(qū)15，圖中箭頭方向為ganhemt電流方向。

(5)采用mocvd方法從窗口區(qū)外延過生長gan，首先掩模區(qū)上方被gan鋪滿，直至生長得到連續(xù)的gan膜：在外延生長時，只有在窗口區(qū)內(nèi)gan才能成核生長。當窗口區(qū)的gan生長超過掩膜層的厚度，發(fā)生橫向生長。橫向生長一定程度后，從相鄰的窗口生長出來的gan就會在掩膜層上相遇。于mocvd反應腔體中，用tmga，nh3作為反應氣體，生長溫度1010℃，反應氣體tmga流速150μmol/min；nh3氣體流速0.45mol/min，反應直至成1μm的連續(xù)gan膜。如圖2所示，本實施例制備得到的gan高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜，包括由下至上依次包括si襯底11、aln成核層12、gan外延層13、sio2薄膜掩模層、過生長gan外延層16，其中從相鄰的窗口生長出來的gan膜就在掩膜區(qū)14上的過生長gan相遇處17相遇。

圖3是本實施例得到的gan高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜的cl表面形貌圖。圖中示出窗口區(qū)15和掩模區(qū)，窗口區(qū)15與掩模區(qū)上的氮化鎵已經(jīng)結合在一起，于相遇處17相遇。

圖4是本實施例制備得到的gan高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜的tem截面圖，位錯密度小于10⁸cm^-2。用該薄膜制成的ganhemt通過功率分析儀測量，得到跨導為75ms/mm，顯示出低電阻ganhemt的特性。

實施例2

本實施例的gan高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜的納米外延過生長方法，包括以下步驟：

(1)采用mocvd方法在si襯底上生長aln成核層：

以tmal，nh3作為反應氣體，首先將v/iii束流比設定在1000生長30nm的第一aln層，然后再將v/iii束流比減少到500生長20厚度的第二aln層，所述第一aln層和第二aln層形成aln成核層。

(2)采用mocvd方法在aln成核層上外延生長的gan外延層：

以tmga，nh3作為反應氣體，生長過程中，tmga流速200μmol/min，v/iii束流比設定為6000，生長2μm的gan外延層。

(3)采用cvd法在gan薄膜層上沉積sio2薄膜；

(4)采用納米壓印的方法在sio2薄膜制作長條形圖案，得到具有長條形窗口區(qū)的掩模層；所述長條形窗口區(qū)的長度方向與gan高電子遷移率晶體管的電流方向平行；

所述掩模層的窗口區(qū)寬度為200nm，掩模區(qū)的寬度為2000nm。

(5)采用mocvd方法從窗口區(qū)外延過生長gan膜，以tmga，nh3作為反應氣體，從窗口區(qū)外延過生長gan膜，掩模區(qū)上方被gan膜鋪滿，反應直至成2μm的連續(xù)gan膜，即過生長gan外延層。

本實施例得到gan高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜，由下至上依次包括si襯底、第一aln層、第二aln層、gan外延層、sio2薄膜掩模層、過生長gan外延層；所述sio2薄膜掩模層上設有長條形窗口區(qū)，所述長條形窗口區(qū)的長度方向與gan高電子遷移率晶體管的電流方向平行。其中，第一aln層的厚度為30nm，所述第二aln層的厚度為20nm；gan外延層的厚度為2μm；過生長gan外延層的厚度2μm。

本實施例制備的gan高電子遷移率晶體管的氮化鎵薄膜的測試結果與實施例1類似，在此不再贅述。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。