利用铟掺杂提高氮化镓基晶体管材料与器件性能的方法

摘要

本发明公开了一种利用铟掺杂提高氮化镓基晶体管材料与器件性能的方法。应用于氮化镓基HEMT或HFET材料与器件的制作领域。它是采用金属有机化学气相沉积外延生长系统在SiC或Si单晶衬底上生长氮化镓基高电子迁移率晶体管或异质结场效应晶体管材料的方法和工艺，在SiC或Si单晶衬底上生长完AlN或AlGaN形核层以及GaN缓冲层后，再生长GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层以及GaN盖帽层时，在生长气氛中加入三甲基铟，进行具有铟掺杂的外延生长。利用本发明方法制作的材料或器件中位错大大减少，改善了界面平整度，提高了材料的电子迁移率，同时增大了生长窗口，使材料生长更容易，进而改善器件的电流崩塌、降低漏电流、提高跨导和增益、增加微波功率器件输出功率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用铟掺杂技术提高氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMT)或氮化镓基异质结场效应晶体管(HFET)材料与器件性能的方法，属于GaN基晶体管材料生长与器件制作领域。

背景技术

由于宽的带隙和内在的电子极性使AlGaN/GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)等微波器件具有高功率密度、高频率和高击穿电压等性质。自第一只AlGaN/GaN基高电子迁移率晶体管问世以来，在材料生长和器件制作方面都取得了巨大的进步。GaN HEMT材料的结构一般如图1所示。目前生长这种材料的方法一般都是采用MOCVD外延生长系统，在SiC或Si衬底上进行AlGaN/GaN异质结生长，分别以TMGa(三甲基镓)、TMAl(三甲基铝)和NH3(氨气)作为Ga(镓)、Al(铝)和N(氮)源，以H₂(氢气)为载气，材料生长的衬底采用SiC(氮化硅)或Si(硅)衬底。其生长过程是：先在SiC或Si衬底上生长一层AlN(氮化铝)或AlGaN(铝镓氮)的形核层；再在形核层上生长一层GaN(氮化镓)缓冲层；随后再生长一层非Si掺杂的AlN插入层，其厚度在0.5～2nm；然后再生长一层非Si掺杂或调制Si掺杂的AlGaN势垒层，其中Al组分控制在22％～32％之间，厚度在16～35nm之间；最后生长一层非Si掺杂或Si掺杂的GaN盖帽层，厚度在1～5nm。但是由于III族氮化物和衬底之间存在大的晶格失配和热失配，使III族氮化物异质外延时会产生高密度的位错。AlGaN/GaN异质结中高密度的位错不但增加了缓冲层和栅极漏电流，而且对二维电子气的迁移率有巨大的影响。如刃位错、失配位错、合金混乱、以及界面粗糙等缺陷都对二维电子气有很强的散射作用，进而降低AlGaN/GaN基高电子迁移率晶体管的射频性能。因此现在的主要问题是如何降低III族氮化物异质外延时产生的位错，提高界面质量和表面形貌，从而提高AlGaN/GaN基高电子迁移率晶体管的射频性能以及二维电子气的迁移率。从文献报道来看，解决上述问题一般方法就是调节V族元素和III族元素的摩尔比、生长温度、气流速率、流量等。这些方法有一个严重的不足之处就是使材料的生长窗口变得极窄，生长条件很难把握，生长的重复性很不好。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种利用铟掺杂技术提高氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMT)或氮化镓基异质结场效应晶体管(HFET)的材料与器件性能的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

本发明所采用的生产设备是：金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长系统，利用等电子铟(In)表面活化剂掺杂技术进行材料的生长，材料生长所用衬底是SiC或Si单晶衬底，生长气氛是以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH₃)分别作为Ga、Al、In和N源，以氢气(H₂)为载气，其工艺包括如下步骤：

A、在SiC或Si单晶衬底上生长AlN或AlGaN形核层；

B、在AlN或AlGaN形核层上生长GaN缓冲层(Buffer)；

C、在GaN缓冲层上生长铟掺杂的GaN沟道层，其中三甲基铟(TMIn)的流量控制在0～10umol/min之间；

D、在GaN沟道层上生长一薄层铟掺杂AlN插入层，其中三甲基铟(TMIn)的流量控制在0～10umol/min之间，AlN厚度在0.5～2nm之间；

E、在上述D的基础上再生长一层铟掺杂、非Si掺杂或调制Si掺杂的AlGaN势垒层，其中三甲基铟(TMIn)的流量控制在0～10umol/min之间，Al组分控制在22％～32％之间，AlGaN厚度在16～35nm之间。

F、最后生长一层铟掺杂、非Si掺杂或Si掺杂的GaN盖帽层，其中三甲基铟(TMIn)的流量控制在0～10umol/min之间，GaN厚度在1～5nm之间。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明是通过等电子铟(In)表面活化剂掺杂技术解决现有技术中存在的难题。在生长过程中铟原子能够首先与氮原子反应，使自由的氮原子键先达到饱和，这样使镓原子或者铝原子在外延表面能够自由的扩散，提高了镓原子或者铝原子找到正确结合位置的概率，当镓原子或者铝原子找到正确的结合位置后，它们会与铟原子交换位置，将铟原子置换出来，镓原子或者铝原子占据在铟原子原来的位置。因此镓或者铝原子在外延表面自由的扩散路程提高了，降低了在错误的晶格位置结合的概率，大大减少了位错的发生。

因此利用本发明制造的氮化镓基高电子迁移率晶体管或氮化镓基异质结场效应晶体管时，能降低材料的位错密度，改善界面平整度，提高材料的电子迁移率，减少异质外延的铝镓氮(AlGaN)表面态密度；进而改善器件的电流崩塌、降低漏电流、提高跨导和增益、增加微波功率器件输出功率，大大提高了我国微波功率器件的武器装备水平，同时，也可大大提高民用通讯系统中的高速大功率微波器件的性能。利用本发明的方法进行材料生长时，能够增大生长窗口，使材料生长非常容易，其工艺简单易行。

附图说明

图1是氮化镓基高电子迁移率晶体管或氮化镓基异质结场效应晶体管材料的典型结构；

图2-1到图2-7是利用本发明的技术生长的铟掺杂GaN HEMT材料的典型结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

图2-1到图2-7是利用本发明的技术生长的铟掺杂GaN HEMT材料的几种典型结构。其生长设备用的是金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长系统，原材料生长的衬底采用SiC或Si单晶衬底，其生长气氛以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH₃)分别作为Ga、Al、In和N源，以氢气(H₂)为载气，在生长过程中三甲基铟(TMIn)的流量为0～10umol/min。下面是图2-1到图2-7所示各结构的生长步骤和结构情况：

图2-1为在SiC/Si衬底上生长一层AlN或AlGaN的形核层，接着生长GaN缓冲层和沟道层，随后生长铟掺杂的AlN层，厚度在0.5～2nm，再生长一层铟掺杂的、非Si掺杂或调制Si掺杂的AlGaN层，Al组分控制在22％～32％，厚度在18～35nm。

图2-2为在SiC/Si衬底上生长一层AlN或AlGaN的形核层，再生长一层GaN缓冲层，然后再生长一层铟掺杂的GaN沟道层，随后生长铟掺杂的AlN层，厚度在0.5～2nm，最后生长一层铟掺杂的、非Si掺杂或调制Si掺杂的AlGaN，Al组分控制在22％～32％，厚度在18～35nm。

图2-3为在SiC/Si衬底上生长一层AlN或AlGaN的形核层，再生长一层GaN缓冲层，然后再生长铟掺杂GaN沟道层，随后生长非掺杂的AlN，厚度在0.5～2nm，然后生长一层非Si掺杂或调制Si掺杂的AlGaN，Al组分控制在22％～32％，厚度在18～35nm。最后生长一层非Si掺杂或调制Si掺杂的GaN盖帽层，厚度在1～5nm。

图2-4为在SiC/Si衬底上生长一层AlN或AlGaN的形核层，再生长一层GaN缓冲层，然后再生长铟掺杂GaN沟道层，随后生长铟掺杂的AlN，厚度在0.5～2nm，然后生长一层铟掺杂的、非Si掺杂或调制Si掺杂的AlGaN，Al组分控制在22％～32％，厚度在18～35nm。最后生长一层非Si掺杂或调制Si掺杂的GaN盖帽层，厚度在1～5nm。

图2-5为在SiC/Si衬底上生长一层AlN或AlGaN的形核层，再生长一层GaN缓冲层，然后再生长铟掺杂的GaN沟道层，随后生长铟掺杂的AlN，厚度在0.5～2nm，然后生长一层铟掺杂的、非Si掺杂或调制Si掺杂的AlGaN，Al组分控制在22％～32％，厚度在18～35nm。最后生长一层铟掺杂的、非Si掺杂或调制Si掺杂GaN盖帽层，厚度在1～5nm。

图2-6为在SiC/Si衬底上生长一层AlN或AlGaN的形核层，再生长GaN缓冲层和沟道层，随后生长铟掺杂的AlN，厚度在0.5～2nm，然后生长一层铟掺杂的、非Si掺杂或调制Si掺杂的AlGaN，Al组分控制在22％～32％，厚度在18～35nm。最后生长一层非Si掺杂或调制Si掺杂的GaN盖帽层，厚度在1～5nm。

图2-7为在SiC/Si衬底上生长一层AlN或AlGaN的形核层，再生长GaN缓冲层和沟道层，随后生长铟掺杂的AlN，厚度在0.5～2nm，然后生长一层铟掺杂的、非Si掺杂或调制Si掺杂AlGaN，Al组分控制在22％～32％，厚度在18～35nm。最后生长一层铟掺杂的、非Si掺杂或调制Si掺杂GaN盖帽层，厚度在1～5nm。