合并層204 ;AlN/AlylGai ylN/GaN超晶格應(yīng)力調(diào)控層205，u-GaN (undoped GaN)半絕緣層206。u-AlGaN (undoped AlGaN)隔離層 207, η-AlGaN (n-doped AlGaN)和 u-AlGaN (undopedAlGaN)勢(shì)壘層 208。
[0024]其中，Si襯底上的周期性介質(zhì)掩膜采用碳納米管，而應(yīng)力調(diào)控層采用A1組分漸變的AlGaN/AlGaN超晶格或AlN/AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)或其它結(jié)構(gòu)，只要是滿足A1組分梯度漸變?cè)瓌t的都可以。
[0025]實(shí)施例1
[0026]使用Aixtron公司，緊耦合垂直反應(yīng)室M0CVD生長(zhǎng)系統(tǒng)。生長(zhǎng)過程中使用三甲基鎵(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，二茂鎂(Cp2Mg)作為p型摻雜源，首先在M0CVD反應(yīng)室中將Si襯底101加熱到1080°C，在H2氣氛下，使用TMGa、TMAl作為III族源，NH3作為V族源，生長(zhǎng)0.1微米厚A1N成核層；接著，在1080°C、H2氣氛下，通入TMA1、TMGa作為III族源，NH3作為V族源，生長(zhǎng)0.5微米厚AlGaN籽晶層102。采用低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)生長(zhǎng)排列整齊的多層碳納米管。在生長(zhǎng)過程中，采用乙炔作為載氣，同時(shí)采用5nm的Fe作為催化劑。生長(zhǎng)后的碳納米管直徑為15nm。通過生長(zhǎng)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103。在1080°C、H2氣氛下，通入TMGa、TMAl作為III族源，NH3作為V族源生長(zhǎng)Ιμπι GaN合并層104 ;在1080°C、H2氣氛下，通入TMGa、TMA1作為III族源，NH3作為V族源生長(zhǎng)20個(gè)周期的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的A1組分梯度漸變的GnmMUGai ylN/(3nm)GaN超晶格插入層，作為應(yīng)力調(diào)控層105。其中A1組分yl隨超晶格周期數(shù)增加從1階梯式減少至0.05，A1組分階梯變化是通過控制TMA1的流量實(shí)現(xiàn)(隨超晶格周期數(shù)增加A1組分yi依次為1、0.95、0.9、0.85、0.8、0.75、0.7、0.65、0.6、0.55、0.5、0.45、0.4、0.35、0.3、0.25、0.2、0.15、0.1,0.05);在氫氣(H2)氣氛下，在1080°C下，通入TMGa作為III族源，NH3作為V族源生長(zhǎng)2 μ m厚u-GaN半絕緣層106。接著，在1080°C、H2氣氛下，通入TMGa、TMA1作為III族源，順3作為V族源，SiH4作為η型摻雜源生長(zhǎng)不摻雜的15nm AlGaN隔離層107，20nm摻Si的AlGaN和20nm不摻雜的AlGaN勢(shì)壘層108。
[0027]實(shí)施例2
[0028]使用Aixtron公司，緊耦合垂直反應(yīng)室M0CVD生長(zhǎng)系統(tǒng)。生長(zhǎng)過程中使用三甲基鎵(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，二茂鎂(Cp2Mg)作為p型摻雜源，首先在M0CVD反應(yīng)室中將Si襯底201加熱到1080°C，在H2氣氛下，使用TMGa、TMAl作為III族源，NH3作為V族源，生長(zhǎng)0.1微米厚A1N成核層；接著，在1080°C、H2氣氛下，通入TMA1、TMGa作為III族源，NH3作為V族源，生長(zhǎng)0.5微米厚AlGaN籽晶層202。采用低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)生長(zhǎng)排列整齊的多層碳納米管。在生長(zhǎng)過程中，采用乙炔作為載氣，同時(shí)采用5nm的Fe作為催化劑。生長(zhǎng)后的碳納米管直徑為15nm。通過生長(zhǎng)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203。在1080°C、H2氣氛下，通入TMGa、TMAl作為III族源，NH3作為V族源生長(zhǎng)1 μ m GaN合并層204 ;在1080°C、H2氣氛下，通入TMGa、TMA1作為III族源，NH3作為V族源生長(zhǎng)20個(gè)周期的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的A1組分梯度漸變的(SnnOAlN/GnnOAUGai ylN/(3nm)GaN超晶格插入層，作為應(yīng)力調(diào)控層205。其中A1組分yl隨超晶格周期數(shù)增加從1階梯式減少至0.05，A1組分階梯變化是通過控制TMA1的流量實(shí)現(xiàn)(隨超晶格周期數(shù)增加A1組分yi依次為 1、0.95,0.9,0.85,0.8,0.75,0.7,0.65,0.6,0.55,0.5,0.45,0.4,0.35,0.3,0.25、0.2、0.15、0.1、0.05);在氫氣(H2)氣氛下，在1080°C下，通入TMGa作為III族源，NH3作為V族源生長(zhǎng)2μπι厚u-GaN半絕緣層206。接著，在1080°C、H2氣氛下，通入TMGa、TMAl作為III族源，NH3作為V族源，SiH4作為η型摻雜源生長(zhǎng)不摻雜的15nm AlGaN隔離層207，20nm摻Si的AlGaN和20nm不摻雜的AlGaN勢(shì)壘層208。
[0029]如圖3(b)、(c)SEM照片所示，采用本發(fā)明中技術(shù):炭納米管作為周期性介質(zhì)掩膜，采用選區(qū)外延(SAG)方法，并通過設(shè)計(jì)應(yīng)力調(diào)控層結(jié)構(gòu)，獲得無龜裂、高晶體質(zhì)量的AlGaN/GaN HEMT器件。而沒有采用炭納米管作為周期性介質(zhì)掩膜以及沒有采用AlylG&1 ylN/GaN超晶格或AlN/AlylGai ylN/GaN超晶格的普通方法制備的AlGaN/GaN HEMT器件表面有明顯的龜
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[0030]以上所述的實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點(diǎn)，其描述較為具體和詳細(xì)，其目的在于使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，因此不能僅以此來限定本發(fā)明的專利范圍，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，即凡依據(jù)本發(fā)明所揭示的精神所作的變化，仍應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種在大尺寸Si襯底上制備高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)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，先生長(zhǎng)Α1Ν成核層和AlGaN籽晶層。在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造性采用炭納米管作為周期性介質(zhì)掩膜，采用選區(qū)外延(SAG)方法，獲得無龜裂、高晶體質(zhì)量的GaN外延層，并進(jìn)一步制備AlGaN/GaN HEMT器件。該方法包括以下步驟: 步驟一，在金屬有機(jī)化合物氣相外延反應(yīng)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(zhǎng)0.1?0.5微米厚A1N成核層；在此基礎(chǔ)上，溫度1000°C?1500°C下，通入TMAl、TMGa作為III族源，NH3作為V族源，生長(zhǎng)0.1?1微米厚AlGaN籽晶層。 步驟二，采用低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)生長(zhǎng)排列整齊的多層碳納米管。在生長(zhǎng)過程中，采用乙炔作為載氣，同時(shí)采用Fe作為催化劑。生長(zhǎng)后的碳納米管直徑為15nm。通過生長(zhǎng)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。 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族源生長(zhǎng)0.1?1微米GaN合并層。 步驟四，在氫氣(?)氣氛下，在1000°C?1500°C下，通入TMGa、TMA1作為III族源，NH3作為V族源生長(zhǎng)多周期非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的A1組分梯度漸變的AlylGai ylN/GaN超晶格插入層，作為應(yīng)力調(diào)控層。 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(zhǎng)2?4微米厚GaN半絕緣層。接著通入TMGa、TMAl作為III族源，NH3作為V族源，SiH4作為η型摻雜源生長(zhǎng)不摻雜的5nm?15nm AlGaN隔離層，10nm?20nm摻Si的AlGaN和不摻雜的AlGaN勢(shì)壘層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在大尺寸Si襯底上制備高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HEMT)的方法，其特征在于:由周期性平行排列的碳納米管陣列形成連續(xù)的碳納米管薄膜作為周期性介質(zhì)掩膜。在此基礎(chǔ)上采用選區(qū)外延(SAG)方法，利用GaN在新型碳納米管介質(zhì)掩膜和AlGaN籽晶層上生長(zhǎng)的選擇性，把GaN外延層限制在沒有隱蔽膜的區(qū)域中生長(zhǎng)，形成分立的窗口，釋放整個(gè)外延層中的張應(yīng)力。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在大尺寸Si襯底上制備高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HEMT)的方法，其特征在于:所述的應(yīng)力調(diào)控層采用多周期A1組分漸變的AlylGalylN/GaN超晶格，其中，A1組分yi隨著應(yīng)力調(diào)控層超晶格周期數(shù)的增加從1梯度減少至0(0彡yl彡1)。超晶格周期數(shù)為1?20。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在大尺寸Si襯底上制備高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HEMT)的方法，其特征在于:所述的應(yīng)力調(diào)控層采用多周期A1組分漸變的AlylG&1 ylN/GaN超晶格，其中超晶格講層GaN的厚度為1?5nm,超晶格Al^Gai ylN魚層的厚度為1?5nm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在大尺寸Si襯底上制備高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HEMT)的方法，其特征在于:所述的應(yīng)力調(diào)控層采用多周期非對(duì)稱結(jié)構(gòu)A1組分漸變的A1N/AlylGai ylN/GaN超晶格，其中A1組分yi隨著應(yīng)力調(diào)控層超晶格周期數(shù)的增加從1梯度減少至0(0彡yl彡1)，超晶格周期數(shù)為1?20。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在大尺寸Si襯底上制備高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HEMT)的方法，其特征在于:所述的應(yīng)力調(diào)控層采用多周期非對(duì)稱結(jié)構(gòu)A1組分漸變的A1N/AlylGai ylN/GaN超晶格，其中超晶格阱層GaN的厚度為1?5nm，超晶格AlylG&1 ylN壘層的厚度為1?5nm,超晶格A1N插入層的厚度為1?5nm。
【專利摘要】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(chǎng)效應(yīng)晶體管(HEMT)的方法，尤其涉及一種采用炭納米管作為周期性介質(zhì)掩膜，采用選區(qū)外延(SAG)方法制備無龜裂、高晶體質(zhì)量的AlGaN/GaN？HEMT器件方法。在Si襯底上采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延技術(shù)生長(zhǎng)AlN成核層和AlGaN籽晶層；然后采用低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)，生長(zhǎng)排列整齊的多層碳納米管，通過生長(zhǎng)和編織，最終形成連續(xù)的碳納米管薄膜；在此基礎(chǔ)上采用選區(qū)外延(SAG)方法，利用GaN在介質(zhì)掩膜和襯底上生長(zhǎng)的選擇性，把GaN外延層限制在沒有隱蔽膜的區(qū)域中生長(zhǎng)，形成分立的窗口，從而釋放整個(gè)外延層中的張應(yīng)力；采用多周期Al組分漸變的Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格或AlN/Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格作為應(yīng)力調(diào)控層，獲得無龜裂、高晶體質(zhì)量的GaN外延層。在此基礎(chǔ)上制備AlGaN/GaN？HEMT器件。
【IPC分類】H01L21/205, C23C16/26, H01L21/335, C30B25/04
【公開號(hào)】CN105374677
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410421647
【發(fā)明人】張國(guó)義, 賈傳宇
【申請(qǐng)人】東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司, 北京大學(xué)
【公開日】2016年3月2日
【申請(qǐng)日】2014年8月25日