一种AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料及其生产方法

摘要

本发明公开了一种AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料及其生产方法，所述AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料包括在衬底上依次生长的下列各层：GaN成核层、GaN缓冲层、InGaN背势垒层、GaN保护层、GaN沟道层、AIN插入层和AlxGa1-xN势垒层，其中0.1≤x≤0.9。本发明的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料的室温二维电子气迁移率明显提高，电学性质优异；其生产方法具有简单易行、重复性好的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件生产领域，尤其涉及一种AlGaN/GaN/InGaN双异 质结材料及其生产方法。

背景技术

相对于Si、GaAs、InP等传统半导体材料来说，GaN材料具有宽禁带、 高击穿场强、高电子饱和速度等特性，因而被誉为第三代半导体材料的代表。 GaN HEMT的输出功率密度要比GaAs FET高一个数量级以上，同时具有高 得多的强场饱和电子漂移速度，有望在100GHz以上的高频和高于300℃的温 度下工作。

由于AlGaN/GaN异质结材料存在较强的自发极化、压电极化效应和较大 的能带带阶，会产生比AlGaAs/GaAs异质结高得多的二维电子气密度，提高 了HEMT（高电子迁移率晶体管）器件的输出功率。

AlGaN/GaN单异质结材料的不足之处在于电子气的量子限制决定了电子 的输运特性和HEMT器件的性能。有大量实验证明二维电子气的量子限制程 度随沟道状态而变化。当沟道夹断或打开时电子的输运特性都比较差，它不 仅降低了器件的射频工作效率，而且限制了器件截止频率的提高。当沟道被 夹断时，电子气密度趋近于零，右势垒消失，能带被拉平，基态（和激发态） 波函数扩展到很宽的范围内，电子气几乎完全失去二维特性，接近于三维电 子，其迁移率降为体材料的迁移率。电子波函数扩展到缓冲层后，沟道夹断 性能变差，降低了f_T和f_max。为了进一步优化器件性能必须增强电子气的量子 限制，对右势垒进行能带剪裁。结合图1所示，该双异质结构材料包括衬底 11、GaN成核层12、GaN缓冲层13、InGaN背势垒层14、GaN沟道层15、 AIN插入层16和Al_xGa_1-xN势垒层17。即在右势垒中插入InGaN背势垒层14， 形成AlGaN/GaN/InGaN双异质结，利用GaN/InGaN界面极化电荷产生的电 场，可以提高右势垒，增强沟道阱中电子气的量子限制。

但是，由于In组分的并入受温度影响极大，InGaN背势垒层只能在低温 生长（800℃以下），而为了保证GaN沟道层的晶体质量，GaN层必须在高温生 长（1000℃以上），这样InGaN背势垒层生长结束以后必然要经历一个高温退 火过程，容易导致InGaN材料分解，恶化了晶体质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种效 率更高、质量更好的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料，并进一步提供该材料 生产方法。

为实现上述目的，本发明可采用的技术方案是：

一种AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料，所述AlGaN/GaN/InGaN双异质 结材料包括在衬底上依次生长的下列各层：GaN成核层、GaN缓冲层、InGaN 背势垒层、GaN保护层、GaN沟道层、AIN插入层和Al_xGa_1-xN势垒层，其中 0.1≤x≤0.9。优选地，在所述的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料中：所述 GaN保护层的厚度为2~3nm。

优选地，在所述的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料中：所述x为0.2~0.5， 更优选为0.3。

优选地，在所述的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料中：所述衬底为（0001） 面的蓝宝石衬底。

本发明进一步提供了一种AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料的生产方法， 所述生产方法包括以下步骤：选取衬底并在氢气气氛下对所述衬底进行表面 预处理；在所述衬底上依次生长GaN成核层、GaN缓冲层、InGaN背势垒层、 GaN保护层、GaN沟道层、AlN插入层和Al_xGa_1-xN势垒层，其中0.1≤x≤0.9。

优选地，在所述的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料的生产方法中：生长 所述GaN保护层的生长温度为750～780℃，生长气压为150至250毫米汞柱， 生长源为氨气、三甲基镓，生长厚度为2～3nm。

优选地，在所述的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料的生产方法中：生长 所述GaN成核层生长温度为520～560℃，生长气压为450~550毫米汞柱， 生长源为氨气、三甲基镓，生长厚度为20～30nm。

优选地，在所述的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料的生产方法中：生长 所述GaN缓冲层的生长温度为1000～1100℃，生长气压为200～300毫米汞 柱，生长源为氨气、三甲基镓，生长厚度为2～3μm。

优选地，在所述的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料的生产方法中：生长 所述InGaN背势垒层的生长温度为750～780℃，生长气压为150~250毫米汞 柱，生长源为氨气、三甲基镓及三甲基铟，生长厚度为2～3nm。

优选地，在所述的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料的生产方法中：生长 所述GaN沟道层的生长温度为1000～1100℃，生长气压为200～300毫米汞 柱，生长源为氨气、三甲基镓，生长厚度为10～15nm。

优选地，在所述的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料的生产方法中：生长 所述AlN插入层的生长温度为1000～1100℃，生长气压为50~100毫米汞柱， 生长源为氨气、三甲基铝，生长厚度为1～2nm。

优选地，在所述的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料的生产方法中：生长 所述Al_xGa_1-xN势垒层的生长温度为1000～1100℃，生长气压为50~100毫米 .汞柱，生长源为氨气、三甲基镓及三甲基铝，生长厚度为20～30nm。

本发明的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料的生产方法具有以下优点：制 备的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料室温二维电子气迁移率达到 1339cm²v^-1s^-1，与无低温GaN保护层结构材料相比（迁移率769cm²v^-1s^-1），该 材料的电学性能提升明显，显著降低了方块电阻，非常有利于大电流、大功 率半导体器件的研制，且该工艺方法重复性极好，符合工业应用要求。本发 明方法简单易行，与现有MOCVD（金属有机化合物化学气相沉淀）方法生 长AlGaN/GaN异质结材料工艺兼容，且对MOCVD系统不会造成任何污染。

应当认识到，本发明以上各方面中的特征可以在本发明的范围内自由组 合，而并不受其顺序的限制——只要组合后的技术方案落在本发明的实质精 神内。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料作 进一步说明，附图中：

图1为现有技术的无GaN低温保护层的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料 的剖面图；

图2为有低温GaN保护层的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料的剖面图；

图3为有低温GaN保护层AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料方块电阻分布 图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方 式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领 域的技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请的权利要求所限 定的范围。

结合图2描述本发明的AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料，它包括如下几 层：衬底21、GaN成核层22、GaN缓冲层23、InGaN背势垒层24、GaN保 护层25、GaN沟道层26、AIN插入层27和Al_xGa_1-xN势垒层28。与现有技 术（见图1所示）不同的是：在GaN沟道层26和InGaN背势垒层24之间生 长了一层GaN保护层25，该层的厚度为2~3纳米。

实施例一

本发明实施例提供的在(0001)面蓝宝石衬底外延生长AlGaN/GaN/InGaN 双异质结材料的方法包括以下步骤：

S1、使用MOCVD设备（19×2”Thomas Swan Close Coupled  Showerhead），选取（0001）面的蓝宝石衬底，将衬底置于有SiC涂层的石 墨基座上。

S2、系统升温至1100℃，设置气压为100毫米汞柱，在H₂（流量40L/min） 气氛下对蓝宝石衬底进行表面预处理，去除表面沾污，处理时间为5分钟。

S3、降温至550℃，通入氨气（NH₃）、三甲基镓（TMGa），生长厚度为 25nm的低温GaN成核层，生长气压为500毫米汞柱，使用在线反射率测试 仪监控低温GaN成核层厚度。

S4、升温至1050℃，通入氨气（NH₃）、三甲基镓（TMGa），生长厚度为 2μm的高温GaN缓冲层，生长气压为200毫米汞柱。

S5、降温至770℃，通入氨气（NH₃）、三甲基镓（TMGa）及三甲基铟 （TMIn），生长厚度为2nm的InGaN背势垒层，生长气压为200毫米汞柱。

S6、保持生长温度770℃，通入氨气（NH₃）、三甲基镓（TMGa），生长 厚度为2nm的低温GaN保护层，生长气压为200毫米汞柱。

S7、升温至1050℃，通入氨气（NH₃）、三甲基镓（TMGa），生长厚度为 10nm的GaN沟道层，生长气压为200毫米汞柱。

S8、保持生长温度1050℃，通入氨气（NH₃）、三甲基铝（TMAl），生长 厚度为1nm的AlN插入层，生长气压为100毫米汞柱。

S9、保持生长温度1050℃，通入氨气（NH₃）、三甲基镓（TMGa）及三 甲基铝（TMAl），生长厚度为25nmAl_0.3Ga_0.7N势垒层，生长气压为100毫米 汞柱。

S 10、关闭生长源，降温。

利用Lehighton 1500C非接触方阻测试仪测试材料的的方块电阻Mapping 分布，如图3所示。利用范德堡法由Bio-Rad 5900^＋霍尔测试仪测试材料的室 温二维电子气迁移率。

实验数据总结：

实施例二

与实施例一不同的是：

在S6步骤中，保持生长温度770℃，通入氨气（NH₃）、三甲基镓（TMGa）， 生长厚度为2.5nm的低温GaN保护层，生长气压为250毫米汞柱。

  材料结   方阻   迁移率（cm²v^-1s^-1）

  构   （Ω）   a   602   769   b   433   1103

实施例三

与实施例一不同的是：

在S6步骤中，保持生长温度770℃，通入氨气（NH₃）、三甲基镓（TMGa）， 生长厚度为3nm的低温GaN保护层，生长气压为150毫米汞柱。

需要说明的是，上述实施例已经详细地描述了本发明的发明要点。本领 域的普通技术人员可以根据上述实施例已经公开的内容对上述各步骤的工艺 条件进行简单的选择或优化，例如改变对衬底进行预处理的温度，气压和处 理时间，或者其他步骤的气压、温度和生长厚度。

从上可以看出：本发明专利采用了一种低温GaN保护层方法，在InGaN 背势垒层生长结束后立即生长一个薄层GaN保护层，对InGaN背势垒层进行 高温退火保护，防止了InGaN材料分解，提高了材料的电学性质。与无低温 GaN保护层结构材料相比，AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料的电学性能提升 明显。本发明方法简单易行，与现有MOCVD方法生长AlGaN/GaN异质结材 料工艺兼容，对MOCVD系统不会造成任何污染。