一种InAs/AlSb HEMT外延结构及其制备方法

摘要

本发明公开了一种InAs/AlSb HEMT外延结构及其制备方法。本发明公开的一种InAs/AlSb HEMT外延结构，自下而上包括：衬底、缓冲层、AlAs

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种InAs/AlSb HEMT外延结构及其制备方法，可用于高速、低功耗InAs/AlSb HEMT器件的制备。

背景技术

与传统半导体器件GaAs和GaN HEMTs相比，InAs/AlSb HEMTs作为典型的锑基化合物半导体(ABCS)器件具备更高的电子迁移率和电子饱和漂移速度，其在高速、低功耗、低噪声等应用方面拥有良好的发展前景。

目前在InAs/AlSb HEMT器件材料生长及制造工艺中主要存在以下问题：一是外延材料生长中，当两种晶格常数不同的材料生长在一起时，因晶格失配会引起缺陷和位错。例如Si和AlSb的晶格失配高达8.11％，则在生长下势垒层时必须要有缓冲层来减小晶格失配。InAs/AlSb HEMT器件结构中的In_0.4Al_0.6As势垒层与AlSb势垒层的晶格失配高达5.5％，由于In_0.4Al_0.6As层的驰豫，增加了在其上面生长厚的n⁺掺杂InAs冒层来减小源极和漏极接触电阻的困难。二是在制备工艺过程中需要防止高活性的AlSb层被氧化。尤其是在刻蚀过程中AlSb层的边缘易暴露于空气中，将增大其被氧化的风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种InAs/AlSb HEMT外延结构及其制备方法，主要解决现有技术HEMT外延结构中晶格失配及高活性AlSb氧化造成器件性能下降的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种InAs/AlSb HEMT外延结构，自下而上包括：衬底、缓冲层、AlAs_xSb_1-x下势垒层、InAs沟道层、AlSb隔离层、InAs掺杂层、AlAs_xSb_1-x上势垒层、InAlAs空穴阻挡层以及InAs帽层；

缓冲层采用Si；

AlAs_xSb_1-x下势垒层为具有阶梯式变组分方式的AlAs_xSb_1-x势垒层；

AlAs_xSb_1-x上势垒层为具有阶梯式变组分方式的AlAs_xSb_1-x势垒层。

进一步，所述衬底采用柔性衬底，所述衬底的内部为柔性材料，所述衬底的外表面采用SiO₂包裹，所用柔性材料选自聚酰亚胺材料、聚碳酸酯、聚邻苯二甲酰胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

进一步，所述SiO₂的厚度为50～1000nm。

进一步，所述缓冲层Si的厚度为30～100nm。

进一步，所述AlAs_xSb_1-x下势垒层采用阶梯式变组分方法生长，所述AlAs_xSb_1-x下势垒层的As组分自下而上依次递减变化，其中0≤X≤1，X值取值从1到0依次递减的6个数值。

进一步，所述AlAs_xSb_1-x下势垒层变组分生长的每层厚度为30～200nm。

进一步，所述AlAs_xSb_1-x上势垒层采用阶梯式变组分方法生长，所述AlAs_xSb_1-x上势垒层的As组分自下而上依次递增变化，其中0≤X≤1，X值取值从0到1依次递增的6个数值。

进一步，所述AlAs_xSb_1-x上势垒层变组分生长的每层厚度为1～1.5nm。

进一步，所述InAs掺杂层的厚度为1～2nm，Si掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

本发明还提供了一种InAs/AlSb HEMT外延结构的制备方法，包括如下步骤：

1)采用等离子体增强化学气相沉积方法在衬底上生长缓冲层，缓冲层为Si薄膜，厚度为30～100nm；

2)采用MBE设备，对生长有缓冲层的衬底在710℃脱氧，650℃除气3min，当温度到达560℃时，开启Al、As及Sb源，采用阶梯式变组分生长方式在Si上生长AlAs_xSb_1-x下势垒层，其中Al、As、Sb的组分比为1：X：1-X，X值取值从1到0依次递减的6个数值，自下而上共生长6层，每层厚度为30～200nm；

3)采用MBE设备，在AlAs_xSb_1-x下势垒层上生长InAs沟道层：当温度到达550℃时，开启In及As源，在AlAs_xSb_1-x上生长厚度为10～15nm的InAs沟道层；

4)保持550℃，开启Al及Sb源，在InAs沟道层上生长厚度为3～5nm的AlSb隔离层；

5)保持550℃，开启In及As源，在AlSb隔离层上生长厚度为1～2nm的掺杂层，Si掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3；

6)保持550℃，开启Al、As及Sb源，采用阶梯式变组分生长方式在掺杂层上生长AlAs_xSb_1-x上势垒层，其中Al、As、Sb的组分比为1：X：1-X，X值取值从0到1依次递增的6个数值，自下而上共生长6层，每层厚度为1～1.5nm；

7)保持550℃，开启In、Al及As源，在AlAs_xSb_1-x上势垒层上生长厚度为3～5.3nm的InAlAs空穴阻挡层，其中In、Al、As的组分比为2:3:5；

8)保持550℃，开启In及As源，在InAlAs上生长厚度为4～6nm的InAs帽层，Si掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，完成整个材料的生长；

在步骤1)中，所用衬底为柔性衬底，该柔性衬底通过如下方式获得：首先将制作柔性衬底所用的柔性材料清洗、吹干并烘干，然后采用等离子体增强化学气相沉积方法在柔性材料外侧表面生长SiO₂，厚度为50～1000nm，将柔性材料完全包裹。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明通过采用阶梯式变组份方法生长AlAs_xSb_1-x下势垒层，降低了AlSb与Si之间的晶格失配，并防止AlSb层氧化，有效提高了器件的稳定性和可靠性。

2.本发明通过采用阶梯式变组份方法生长AlAs_xSb_1-x上势垒层，降低了AlSb与InAlAs之间的晶格失配，并防止AlSb层氧化，有效提高了器件的稳定性和可靠性。

3.本发明同时提供的HEMT外延结构采用柔性衬底，所用柔性衬底采用SiO₂包裹于柔性材料的外表面，使柔性材料可以在700度以上高温下使用，并解决了现有InP、GaAs衬底易碎的问题，降低了成本。

附图说明

图1是本发明提供的一种InAs/AlSb HEMT外延结构的示意图；

图2是本发明实施例1制备的InAs/AlSb HEMT外延结构的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种InAs/AlSb HEMT外延结构的示意图。如图1所示，本发明实施例提供的一种InAs/AlSb HEMT外延结构，自下而上包括：衬底1、缓冲层2、AlAs_xSb_1-x下势垒层3、InAs沟道层4、AlSb隔离层5、InAs掺杂层6、AlAs_xSb_1-x上势垒层7、InAlAs空穴阻挡层8以及InAs帽层9；

其中，缓冲层2采用Si；AlAs_xSb_1-x下势垒层3为具有阶梯式变组分方式的AlAs_xSb_1-x势垒层；AlAs_xSb_1-x上势垒层7为具有阶梯式变组分方式的AlAs_xSb_1-x势垒层。

在本发明实施例中，衬底1采用柔性衬底，衬底1的内部为柔性材料，衬底1的外表面采用SiO₂包裹，SiO₂的厚度为50～1000nm，所用柔性材料选自聚酰亚胺材料、聚碳酸酯、聚邻苯二甲酰胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

在本发明实施例中，缓冲层2的Si的厚度为30～100nm。

在本发明实施例中，AlAs_xSb_1-x下势垒层3采用阶梯式变组分方法生长，AlAs_xSb_1-x下势垒层3的As组分自下而上依次递减变化，其中0≤X≤1，X值取值从1到0依次递减的6个数值。

在本发明实施例中，AlAs_xSb_1-x下势垒层3变组分生长的每层厚度为30～200nm。

在本发明实施例中，AlAs_xSb_1-x上势垒层7采用阶梯式变组分方法生长，AlAs_xSb_1-x上势垒层7的As组分自下而上依次递增变化，其中0≤X≤1，X值取值从0到1依次递增的6个数值。

在本发明实施例中，AlAs_xSb_1-x上势垒层7变组分生长的每层厚度为1～1.5nm。

在本发明实施例中，InAs掺杂层6的厚度为1～2nm，Si掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

本发明实施例同时提供了一种InAs/AlSb HEMT外延结构的制备方法，具体包括如下步骤：

1)采用等离子体增强化学气相沉积方法在衬底1上生长缓冲层2，缓冲层2为Si薄膜，厚度为30～100nm；

2)采用MBE设备，对生长有缓冲层2的衬底在710℃脱氧，650℃除气3min，当温度到达560℃时，开启Al、As及Sb源，采用阶梯式变组分生长方式在Si上生长AlAs_xSb_1-x下势垒层3，其中Al、As、Sb的组分比为1：X：1-X，X值取值从1到0依次递减的6个数值，自下而上共生长6层，每层厚度为30～200nm；

3)采用MBE设备，在AlAs_xSb_1-x下势垒层3上生长InAs沟道层4：当温度到达550℃时，开启In及As源，在AlAs_xSb_1-x上生长厚度为10～15nm的InAs沟道层4；

4)保持550℃，开启Al及Sb源，在InAs沟道层上生长厚度为3～5nm的AlSb隔离层5；

5)保持550℃，开启In及As源，在AlSb隔离层上生长厚度为1～2nm的掺杂层6，Si掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3；

6)保持550℃，开启Al、As及Sb源，采用阶梯式变组分生长方式在掺杂层6上生长AlAs_xSb_1-x上势垒层7，其中Al、As、Sb的组分比为1：X：1-X，X值取值从0到1依次递增的6个数值，自下而上共生长6层，每层厚度为1～1.5nm；

7)保持550℃，开启In、Al及As源，在AlAs_xSb_1-x上势垒层7上生长厚度为3～5.3nm的InAlAs空穴阻挡层8，其中In、Al、As的组分比为2:3:5；

8)保持550℃，开启In及As源，在InAlAs上生长厚度为4～6nm的InAs帽层9，Si掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，完成整个材料的生长；

在步骤1)中，所用衬底1为柔性衬底，该柔性衬底通过如下方式获得：首先将制作柔性衬底所用的柔性材料清洗、吹干并烘干，然后采用等离子体增强化学气相沉积方法在柔性材料外侧表面生长SiO₂，厚度为50～1000nm，将柔性材料完全包裹。

本发明通过采用阶梯式变组份方法生长AlAs_xSb_1-x下势垒层，降低了AlSb与Si之间的晶格失配，并防止AlSb层氧化，有效提高了器件的稳定性和可靠性。本发明同时通过采用阶梯式变组份方法生长AlAs_xSb_1-x上势垒层，降低了AlSb与InAlAs之间的晶格失配，并防止AlSb层氧化，有效提高了器件的稳定性和可靠性。本发明提供的HEMT外延结构采用柔性衬底，所用柔性衬底采用SiO₂包裹于柔性材料的外表面，使柔性材料可以在700度以上高温下使用，并解决了现有InP、GaAs衬底易碎的问题，降低了成本。

下面以具体实施例来进一步说明。

实施例1

本发明实施例使用的设备包括：分子束外延MBE及等离子体增强化学气相沉积PECVD等微电子工艺设备。

参照图2，本发明实施例提供的一种InAs/AlSb HEMT外延结构，按照下述的的结构形成，自下而上具体包括：衬底1、缓冲层2、AlAsxSb1-x下势垒层3、InAs沟道层4、AlSb隔离层5、InAs掺杂层6、AlAs_xSb_1-x上势垒层7、InAlAs空穴阻挡层8以及InAs帽层9。

具体的，在本实施例中，如图2所示，柔性材料的外表面包裹着厚度100nm SiO₂，形成衬底1，即所谓的柔性衬底；衬底1包裹用的SiO₂上生长有厚度30nmSi，形成缓冲层2；缓冲层2上依次生长AlAs_1.0Sb_0.0、AlAs_0.8Sb_0.2、AlAs_0.6Sb_0.4、AlAs_0.4Sb_0.6、AlAs_0.2Sb_0.8、AlAs_0.0Sb_1.0，每层厚度为150nm，形成AlAsxSb1-x下势垒层3；AlAs_0.0Sb_1.0上生长有厚度15nm的InAs沟道层4，InAs沟道层4上生长有厚度5nm的AlSb隔离层5；AlSb隔离层5生长有厚度为1.2nm的InAs掺杂层6，Si掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3；InAs掺杂层6上依次生长有AlAs_0.0Sb_1.0、AlAs_0.2Sb_0.8、AlAs_0.4Sb_0.6、AlAs_0.6Sb_0.4、AlAs_0.8Sb_0.2、AlAs_1.0Sb_0.0，每层厚度为1.5nm，形成AlAs_xSb_1-x上势垒层7；AlAs_1.0Sb_0.0上生长有厚度5nm的InAlAs空穴阻挡层8，以及InAlAs空穴阻挡层8上生长有厚度为4nm的InAs帽层9，Si掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。

上述实施例提供的InAs/AlSb HEMT外延结构的制备方法，具体包括如下步骤：

1)准备衬底1，然后采用等离子体增强化学气相沉积方法在衬底1上生长缓冲层2，缓冲层2为Si薄膜，厚度为30nm；

衬底1采用柔性衬底，将制作柔性衬底所用的柔性材料清洗、吹干并烘干，然后采用等离子体增强化学气相沉积方法在柔性材料外侧表面生长SiO₂，厚度为100nm，将柔性材料完全包裹。

2)采用MBE设备，对生长有缓冲层2的衬底在710℃脱氧，650℃除气3min，当温度到达560℃时，开启Al、As及Sb源，采用阶梯式变组分生长方式在Si上生长AlAs_xSb_1-x下势垒层3，其中Al、As、Sb的组分比为1：X：1-X，X值取值从1到0依次递减的1、0.8、0.6、0.4、0.2和0这6个数值，自下而上共生长6层，每层厚度为150nm；

3)采用MBE设备，在AlAs_xSb_1-x下势垒层3上生长InAs沟道层4：当温度到达550℃时，开启In及As源，在AlAs_xSb_1-x上生长厚度为15nm的InAs沟道层4；

4)保持550℃，开启Al及Sb源，在InAs沟道层4上生长厚度为5nm的AlSb隔离层5；

5)保持550℃，开启In及As源，在AlSb隔离层上生长厚度为1.2nm的掺杂层6，Si掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3；

6)保持550℃，开启Al、As及Sb源，采用阶梯式变组分生长方式在掺杂层6上生长AlAs_xSb_1-x上势垒层7，其中Al、As、Sb的组分比为1：X：1-X，X值取值从0到1依次递增的0、0.2、0.4、0.6、0.8和1这6个数值，自下而上共生长6层，每层厚度为1.5nm；

7)保持550℃，开启In、Al及As源，在AlAs_xSb_1-x上势垒层7上生长厚度为5nm的InAlAs空穴阻挡层8，其中In、Al、As的组分比为2:3:5；

8)保持550℃，开启In及As源，在InAlAs上生长厚度为4nm的InAs帽层9，Si掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，完成整个材料的生长。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。