一種在大尺寸Si襯底上制備高電子遷移率場效應晶體管的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在大尺寸Si襯底上制備高電子遷移率[場效應]晶體管(HEMT, high electron mobility transistor)的方法。尤其涉及一種采用炭納米管作為周期性介質掩膜，采用選區(qū)[外延]生長，(selective area growth, SAG)方法制備無龜裂、高晶體質量的AlGaN/GaN HEMT器件方法，屬于半導體光電子技術領域。
【背景技術】
[0002]高電子遷移率場效應晶體管(HEMT)，又稱調制摻雜場效應晶體管(M0DFET，modulat1n-doped field effect transistor),是一種以襯底材料與另一種寬帶材料形成的異質界面的二維電子氣導電的場效應晶體管(FET)。因其溝道中無雜質，基本上不存在電離雜質散射對電子運動的影響，因此電子遷移率更高而得名。HEMT的工作原理是通過控制刪極電壓的變化使源極、漏極之間的溝道電流產生相應的變化，從而達到放大信號的目的。其優(yōu)點是具有高的頻率和低的噪聲特性。HEMT現已用于衛(wèi)星電視、移動通信、軍事通信和雷達系統的接收電路中。自1980年GaAs基HEMT研制成功以來，得到了很快的發(fā)展。GaAs基HEMT在射頻、微波及毫米波低頻段已得到廣泛的應用。InP器件比GaAs HEMT有更高的工作頻率和更低的噪聲，用于毫米波高頻段和亞毫米波頻段。GaN HEMT器件的特點是耐高溫、大功率，有著巨大的應用前景，特別是在10-40GHZ占據優(yōu)勢地位。
[0003]AlGaN/GaN HEMT由于作為溝道層的GaN帶隙寬度大(3.4eV)、擊穿電壓高(3.3MV/cm)、飽和電子速度大(2.8*107s ')和二維電子氣面密度高(1013cm2)等特性，導致GaN基HEMT的研究向更高工作頻率、更大輸出功率、更高工作溫度和實用化方向發(fā)展。GaN基HEMT還可以用于高速開關集成電路和高壓DC-DC變換器方面。AlGaN/GaN HEMT生長在半絕緣的(0001)Si面SiC或(0001)藍寶石襯底上，在核化層后生長一層半絕緣的GaN(約2μπι)溝道層，接著生長不摻雜的AlGaN隔離層，摻Si的AlGaN和不摻雜的AlGaN勢壘層。二維電子氣形成在溝道層/隔離層界面。Si襯底尺寸大、價廉可以降低外延生長成本。對比硬度大、導熱差的絕熱藍寶石襯底，簡化襯底減薄等加工工藝，降低器件制作工藝成本。
[0004]在Si 上金屬有機物氣相外延(metalorganic vapor phase epitaxy, M0VPE)生長GaN的難點在于:GaN纖維鋅礦結構的(0001)與金剛石結構的Si (111)襯底的晶格失配為20.4%,會產生大量的位錯；GaN與Si之間的熱失配高達56%，外延生長結束后的降溫工程中，外延層將承受很大的張應力。由于外延層厚度遠小于襯底厚度，所以在外延層中會產生微裂紋，嚴重影響GaN器件特性。Si襯底上直接生長GaN時，NH3容易與襯底Si發(fā)生反應而在襯底表面形成非晶態(tài)的SiN，影響GaN的生長質量。金屬Ga與襯底Si之間也有很強的化學反應，會對襯底造成回溶，從而破壞界面的平整。在高溫生長時，襯底中的Si會擴散至緩沖層表面，如果控制不當，將會影響GaN的生長模式，從而破壞晶體質量。此外由于Si是非極性半導體，在其上生長GaN、A1N或其他極性半導體時將會產生一些化合物極性相關的問題。
[0005]采用合適的緩沖層是解決Si襯底生長GaN時晶格失配、Si擴散和極性問題的有效手段，同時在一定程度上也可以緩解薄膜中的應力。為此人們嘗試過許多方法，如AlAs、A1N、以及AlGaN/AIN等復合緩沖層。其中A1N結果最好，其主要優(yōu)點是既可以和GaN在同一反應室進行生長，又可以避免高溫生長時SiN的形成。根據其應力釋放機理提出許多解決方法:
[0006](1)緩沖層應力補償法:通過緩沖層對上層GaN提供一個壓應力來補償熱失配造成的張應力。如采用5個梯度的AlxGai xN(x = 0.87,0.67,0.47,0.27和0.07)緩沖層，結果表明龜裂密度明顯減少，且光學特性也有較大提高。
[0007](2)插入層應力剪裁法:通過插入層來調節(jié)薄膜內部的應力狀態(tài)，或阻擋由于熱失配從襯底傳入的張應力的傳播。如超晶格插入層法:插入10個周期的AlN/GaN超晶格作插入層，生長GaN總厚度為2 μ m,隨著超晶格插入層層數的增加，張應變減少。TEM顯示位錯密度隨厚度變化而減小。
[0008]然而采用目前主流的插入層方法不能夠完全消除應力，且存在缺陷密度大，翹曲等問題。況且降低GaN位錯密度有效的常規(guī)ELOG (epitaxial lateral overgrowth, ELOG)技術難于應用到AlGaN上，因為A1原子在生長表面的遷移能力較差，AlGaN會在掩膜上沉積。
[0009]本發(fā)明，在大尺寸Si襯底上，采用炭納米管作為周期性介質掩膜，采用選區(qū)外延(SAG)方法制備無龜裂、高晶體質量的AlGaN/GaN HEMT器件，不僅可以有效地解決至今技術中仍存在的不良應力及缺陷，有效地緩解翹曲。

【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明提供一種在大尺寸Si襯底上制備高電子遷移率場效應晶體管(HEMT)的方法，本發(fā)明的技術方案如下:在Si襯底上，(1)采用金屬有機化學氣相外延技術生長A1N成核層和AlGaN籽晶層。(2)然后采用低壓化學氣相沉積法(LPCVD,Low Pressure ChemicalVapor Deposit1n),采用乙炔作為載氣，同時采用5nm的Fe作為催化劑，生長排列整齊的多層碳納米管。生長后的碳納米管直徑為15nm。通過生長和編織，最終由平行排列的碳納米管陣列可以形成連續(xù)的碳納米管薄膜。(3)在此基礎上采用選區(qū)外延(SAG)方法，利用GaN在介質掩膜和襯底上生長的選擇性，把GaN外延層限制在沒有隱蔽膜的區(qū)域中生長，形成分立的窗口，利用“受控小平面生長工藝”使位錯彎曲，從而在整個面積上降低穿透位錯密度，釋放整個外延層中的張應力，獲得無龜裂、高晶體質量的GaN外延層。(4)在此基礎上生長多周期A1組分漸變的AlylGai ylN/GaN超晶格或AlN/AlylGai ylN/GaN超晶格作為應力調控層。(5)最終制備AlGaN/GaN HEMT器件。該方法包括以下步驟:
[0011]步驟一，在金屬有機化合物氣相外延反應室中，在氫氣(?)氣氛下，在Si襯底上，溫度1000°C?1500°C下，通入TMA1作為III族源，NH3作為V族源，生長0.1?0.5微米厚A1N成核層；在此基礎上，溫度1000°C?1500°C下，通入TMAl、TMGa作為III族源，見13作為V族源，生長0.1?1微米厚AlGaN籽晶層。
[0012]步驟二，采用低壓化學氣相沉積法(LPCVD)生長排列整齊的多層碳納米管。在生長過程中，采用乙炔作為載氣，同時采用Fe作為催化劑。生長后的碳納米管直徑為15nm。通過生長和編織，最終由平行排列的碳納米管陣列形成連續(xù)的碳納米管薄膜。
[0013]步驟三，在氫氣(?)氣氛下，在1000°C?1500°C下，通入TMGa作為III族源，NH3作為V族源，在此基礎上采用選區(qū)外延(SAG)方法，利用GaN在介質掩膜和襯底上生長的選擇性，把GaN外延層限制在沒有隱蔽膜的區(qū)域中生長，形成分立的窗口，釋放整個外延層中的張應力，生長0.1?1微米GaN合并層。
[0014]步驟四，在氫氣(?)氣氛下，在1000°C?1500°C下，通入TMGa、TMAl作為III族源，NH3作為V族源生長多周期非對稱結構的A1組分梯度漸變的AlylGai ylN/GaN超晶格或AlN/AlylGai ylN/GaN超晶格，作為應力調控層，超晶格周期數為1?20。其中超晶格阱層GaN的厚度為1?5nm，超晶格AlylGai ylN壘層的厚度為1?5nm，超晶格A1N插入層的厚度為1 ?5nm ；
[0015]A1組分yi隨著應力調控層超晶格周期數的增加從1梯度減少至0 (0彡yl彡1)。
[0016]步驟五，在氫氣(?)氣氛下，在1050°C?1200°C下，通入TMGa作為III族源，NH3作為V族源生長2?4微米厚μ -GaN半絕緣層。接著通入TMGa、TMA1作為III族源，NH3作為V族源，SiH4作為η型摻雜源生長不摻雜的5nm?15nm AlGaN隔離層，10nm?20nm摻Si的AlGaN和不摻雜的AlGaN勢壘層。
[0017]本發(fā)明一種在大尺寸Si襯底上制備高電子遷移率場效應晶體管(HEMT)的方法，采用炭納米管作為周期性介質掩膜，采用選區(qū)外延(SAG)方法制備無龜裂、高晶體質量的AlGaN/GaN HEMT器件，不僅可以有效地解決至今技術尚且存在的應力及缺陷，有效緩解翹曲，而且可以有效提聞熱導。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明實施例1中一種采用炭納米管作為周期性介質掩膜以及采用AlylGai ylN/GaN超晶格應力調控層的新型結構AlGaN/GaN HEMT器件的剖面圖；
[0019]圖2是本發(fā)明實施例2中一種采用炭納米管作為周期性介質掩膜以及采用A1N/AlylGai ylN/GaN超晶格新型結構AlGaN/GaN HEMT器件的剖面圖；
[0020]圖3(a)是普通結構的沒有采用炭納米管作為周期性介質掩膜以及沒有采用AlylGai ylN/GaN超晶格或AlN/AlylGai ylN/GaN超晶格應力調控層的AlGaN/GaN HEMT器件的SEM照片:圖3 (b)、(c)是采用本發(fā)明實施例1和實施例2新型結構的AlGaN/GaN HEMT器件的SEM照片。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明提供一種在大尺寸Si襯底上制備高電子遷移率場效應晶體管(HEMT)的方法。使用三甲基鎵(TMGa)，三甲基鋁(TMA1)作為III族源，氨氣(NH3)作為V族源，硅烷(SiH4)作為η型摻雜源，在Si襯底上，先低溫生長A1N成核層和AlGaN籽晶層。在此基礎上創(chuàng)造性采用炭納米管作為周期性介質掩膜，采用選區(qū)外延(SAG)方法，并通過設計應力調控層結構，獲得無龜裂、高晶體質量的AlGaN外延層。并進一步制備AlGaN/GaN HEMT器件。
[0022]圖1是根據本發(fā)明一個實施例的用于實現本發(fā)明的AlGaN/GaN HEMT器件側面剖視圖。圖1中包括Si襯底101，A1N成核層和AlGaN籽晶層102，碳納米管掩膜103，GaN合并層104 ；AlylGai ylN/GaN超晶格應力調控層105，u-GaN(undoped GaN)半絕緣層106。u-AlGaN(undoped AlGaN)隔離層 107, n-AlGaN(n_doped AlGaN)和 u-AlGaN(undopedAlGaN)勢壘層 108。
[0023]圖2是根據本發(fā)明一個實施例的用于實現本發(fā)明的AlGaN/GaN HEMT器件側面剖視圖。圖1中包括Si襯底201，A1N成核層和AlGaN籽晶層202，碳納米管掩膜203，GaN