專利名稱：利用銦摻雜提高氮化鎵基晶體管材料與器件性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用銦摻雜技術(shù)提高氮化鎵(GaN)基高電子遷移率晶體管 (HEMT)或氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)材料與器件性能的方法，屬于GaN 基晶體管材料生長與器件制作領(lǐng)域。
背景4支術(shù)
由于寬的帶隙和內(nèi)在的電子極性使AlGaN/GaN基高電子遷移率晶體管 (HEMT)等微波器件具有高功率密度、高頻率和高擊穿電壓等性質(zhì)。自第一只 AlGaN/GaN基高電子遷移率晶體管問世以來，在材料生長和器件制作方面都取得 了巨大的進步。GaN HEMT材料的結(jié)構(gòu)一^I殳如圖1所示。目前生長這種材料的方 法一^:都是采用M0CVD外延生長系統(tǒng)，在SiC或Si襯底上進行AlGaN/GaN異質(zhì) 結(jié)生長，分別以TMGa (三甲基鎵)、TMA1 (三曱基鋁)和NH3 (氨氣)作為Ga (鎵)、Al (鋁)和N (氮)源，以H2 (氫氣)為載氣，材料生長的襯底采用SiC (氮化硅)或Si (硅)襯底。其生長過程是先在SiC或Si襯底上生長一層 A1N (氮化鋁)或AlGaN (鋁鎵氮)的形核層；再在形核層上生長一層GaN (氮 化鎵)緩沖層；隨后再生長一層非Si摻雜的AIN插入層，其厚度在0. 5 ~ 2 nm; 然后再生長一層非Si摻雜或調(diào)制Si摻雜的AlGaN勢壘層，其中Al組分控制在 22%~32%之間，厚度在16~35 nm之間；最后生長一層非Si摻雜或Si摻雜的 GaN蓋帽層，厚度在l 5nm。但是由于III族氮化物和襯底之間存在大的晶格失 配和熱失配，使III族氮化物異質(zhì)外延時會產(chǎn)生高密度的位錯。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié) 中高密度的位錯不但增加了緩沖層和柵極漏電流，而且對二維電子氣的遷移率 有巨大的影響。如刃位錯、失配位錯、合金混亂、以及界面粗糙等缺陷都對二 維電子氣有很強的散射作用，進而降低AlGaN/GaN基高電子遷移率晶體管的射
頻性能。因此現(xiàn)在的主要問題是如何降低III族氮化物異質(zhì)外延時產(chǎn)生的位錯，
提高界面質(zhì)量和表面形貌，從而提高AlGaN/GaN基高電子遷移率晶體管的射頻 性能以及二維電子氣的遷移率。從文獻報道來看，解決上述問題一般方法就是 調(diào)節(jié)v族元素和in族元素的摩爾比、生長溫度、氣流速率、流量等。這些方法 有一個嚴重的不足之處就是使材料的生長窗口變得極窄，生長條件很難把握， 生長的重復(fù)性很不好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提供一種利用銦摻雜技術(shù)提高氮化鎵(GaN) 基高電子遷移率晶體管(HEMT)或氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)的材料與 器件性能的方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
本發(fā)明所采用的生產(chǎn)設(shè)備是金屬有機化學(xué)氣相沉積(M0CVD)外延生長系 統(tǒng)，利用等電子銦(In)表面活化劑摻雜技術(shù)進行材料的生長，材料生長所用 襯底是SiC或Si單晶襯底，生長氣氛是以三曱基鎵(TMGa)、三曱基鋁(TMA1)、 三曱基銦(TMIn)和氨氣(NH3)分別作為Ga、 Al、 In和N源，以氬氣0U為載氣， 其工藝包括如下步驟
A、 在SiC或Si單晶襯底上生長A1N或AlGaN形核層；
B、 在A1N或AlGaN形核層上生長GaN緩沖層(Buffer);
C、 在GaN緩沖層上生長銦摻雜的GaN溝道層，其中三曱基銦(TMIn)的流量 控制在0~ 10 umol/min之間;
D、 在GaN溝道層上生長一薄層銦摻雜A1N插入層，其中三曱基銦(TMIn)的 流量控制在0 ~ 10 umol/min之間，A1N厚度在0. 5 ~ 2 nm之間；
E、 在上述D的基礎(chǔ)上再生長一層銦摻雜、非Si摻雜或調(diào)制Si摻雜的AlGaN 勢壘層，其中三甲基銦(TMIn)的流量控制在0 ~ 10 umol/min之間，Al組分控制 在22% ~ 32%之間，AlGaN厚度在16 ~ 35 nm之間。
F、 最后生長一層銦摻雜、非Si摻雜或Si摻雜的GaN蓋帽層，其中三
基銦(TMIn)的流量控制在0 ~ 10畫l/min之間,GaN厚度在1 ~ 5 nm之間。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明取得的技術(shù)進步是
本發(fā)明是通過等電子銦(In)表面活化劑摻雜技術(shù)解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的 難題。在生長過程中銦原子能夠首先與氮原子反應(yīng)，使自由的氮原子鍵先達到 飽和，這樣使鎵原子或者鋁原子在外延表面能夠自由的擴散，提高了鎵原子或 者鋁原子找到正確結(jié)合位置的概率，當(dāng)鎵原子或者鋁原子找到正確的結(jié)合位置 后，它們會與銦原子交換位置，將銦原子置換出來，鎵原子或者鋁原子占據(jù)在 銦原子原來的位置。因此鎵或者鋁原子在外延表面自由的擴散路程提高了，降 低了在錯誤的晶格位置結(jié)合的概率，大大減少了位錯的發(fā)生。
因此利用本發(fā)明制造的氮化鎵基高電子遷移率晶體管或氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場 效應(yīng)晶體管時，能降低材料的位錯密度，改善界面平整度，提高材料的電子遷 移率，減少異質(zhì)外延的鋁鎵氮UlGaN)表面態(tài)密度；進而改善器件的電流崩塌、 降低漏電流、提高跨導(dǎo)和增益、增加微波功率器件輸出功率，大大提高了我國 微波功率器件的武器裝備水平，同時，也可大大提高民用通訊系統(tǒng)中的高速大 功率微波器件的性能。利用本發(fā)明的方法進行材料生長時，能夠增大生長窗口， 使材料生長非常容易，其工藝簡單易行。


圖1是氮化鎵基高電子遷移率晶體管或氮化4家基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管材料 的典型結(jié)構(gòu)；
圖2-1到圖2-7是利用本發(fā)明的技術(shù)生長的銦摻雜GaN HEMT材料的典型結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明
圖2-1到圖2-7是利用本發(fā)明的技術(shù)生長的銦摻雜GaN HEMT材料的幾種典 型結(jié)構(gòu)。其生長設(shè)備用的是金屬有機化學(xué)氣相沉積(M0CVD)外延生長系統(tǒng)，原 材料生長的村底采用SiC或Si單晶襯底，其生長氣氛以三曱基鎵(TMGa)、三曱
基鋁(TMA1)、三曱基銦(TMIn)和氨氣(NH》分別作為Ga、 Al、 In和N源，以氳 氣(H2)為載氣，在生長過程中三甲基銦(TMIn)的流量為0~ 10 umol/min。下面 是圖2-1到圖2-7所示各結(jié)構(gòu)的生長步驟和結(jié)構(gòu)情況
圖2-1為在SiC/Si襯底上生長一層A1N或AlGaN的形核層，接著生長GaN 緩沖層和溝道層，隨后生長銦摻雜的A1N層，厚度在O. 5~2nm,再生長一層銦 摻雜的、非Si摻雜或調(diào)制Si摻雜的AlGaN層，Al組分控制在22%~ 32%,厚度 在18 ~ 35 nm。
圖2-2為在SiC/Si襯底上生長一層A1N或AlGaN的形核層，再生長一層GaN 緩沖層，然后再生長一層銦摻雜的GaN溝道層，隨后生長銦摻雜的A1N層，厚 度在O. 5-2nm,最后生長一層銦摻雜的、非Si摻雜或調(diào)制Si摻雜的AlGaN, Al組分控制在22% ~ 32%,厚度在18 ~ 35 nm。
圖2-3為在SiC/Si襯底上生長一層A1N或AlGaN的形核層，再生長一層GaN 緩沖層，然后再生長銦摻雜GaN溝道層，隨后生長非摻雜的A1N，厚度在0. 5 ~ 2 nm，然后生長一層非Si摻雜或調(diào)制Si摻雜的AlGaN,Al組分控制在22%~ 32°/。， 厚度在18 35nm。最后生長一層非Si摻雜或調(diào)制Si摻雜的GaN蓋帽層，厚度 在1 ~ 5線
圖2-4為在SiC/Si襯底上生長一層A1N或AlGaN的形核層，再生長一層GaN 緩沖層，然后再生長銦摻雜GaN溝道層，隨后生長銦摻雜的A1N,厚度在0. 5 ~ 2 nm,然后生長一層銦摻雜的、非Si摻雜或調(diào)制Si摻雜的AlGaN， Al組分控 制在22%~ 32%,厚度在18 ~ 35腿。最后生長一層非Si摻雜或調(diào)制Si摻雜的 GaN蓋帽層，厚度在1~5 nm。
圖2-5為在SiC/Si襯底上生長一層A1N或AlGaN的形核層，再生長一層GaN 緩沖層，然后再生長銦摻雜的GaN溝道層，隨后生長銦摻雜的A1N，厚度在0. 5 ~ 2 nm,然后生長一層銦摻雜的、非Si摻雜或調(diào)制Si摻雜的AlGaN, Al組分控 制在22%~32%,厚度在18~35 nm。最后生長一層銦摻雜的、非Si摻雜或調(diào)制 Si摻雜GaN蓋帽層，厚度在1~5 nm。
圖2-6為在SiC/Si襯底上生長一層A1N或AlGaN的形核層，再生長GaN緩 沖層和溝道層，隨后生長銦摻雜的A1N,厚度在O. 5~2nm，然后生長一層銦摻 雜的、非Si摻雜或調(diào)制Si摻雜的AlGaN， Al組分控制在22%~ 32%,厚度在18 ~ 35 nm。最后生長一層非Si摻雜或調(diào)制Si摻雜的GaN蓋帽層，厚度在1 ~ 5 nm。
圖2-7為在SiC/Si襯底上生長一層A1N或AlGaN的形核層，再生長GaN緩 沖層和溝道層，隨后生長銦摻雜的A1N,厚度在O. 5~2nm,然后生長一層銦摻 雜的、非Si摻雜或調(diào)制Si摻雜AlGaN， Al組分控制在22% ~ 32%，厚度在18~ 35 nm。最后生長一層銦摻雜的、非Si摻雜或調(diào)制Si摻雜GaN蓋帽層，厚度在 1 ~ 5 nm。
權(quán)利要求
1、利用銦摻雜提高氮化鎵基晶體管材料與器件性能的方法，包括采用金屬有機化學(xué)氣相沉積外延生長系統(tǒng)在SiC或Si單晶襯底上生長氮化鎵基高電子遷移率晶體管或氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管材料的方法和工藝，其特征在于在SiC或Si單晶襯底上生長完AlN或AlGaN形核層以及GaN緩沖層后，再生長GaN溝道層、AlN插入層、AlGaN勢壘層以及GaN蓋帽層時，在生長氣氛中加入三甲基銦，進行具有銦摻雜的外延生長。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述利用銦摻雜提高氮化鎵基晶體管材料與器件性能的 方法，其特征在于所述生長氣氛為以三甲基鎵作為Ga源、三曱基鋁作為Al源、 氨氣作為N源，以氫氣為載氣，以三曱基銦作為In源；三曱基銦的通入量控制 在0~10 umol/min之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用銦摻雜提高氮化鎵基晶體管材料與器件性能的方法。應(yīng)用于氮化鎵基HEMT或HFET材料與器件的制作領(lǐng)域。它是采用金屬有機化學(xué)氣相沉積外延生長系統(tǒng)在SiC或Si單晶襯底上生長氮化鎵基高電子遷移率晶體管或異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管材料的方法和工藝，在SiC或Si單晶襯底上生長完AlN或AlGaN形核層以及GaN緩沖層后，再生長GaN溝道層、AlN插入層、AlGaN勢壘層以及GaN蓋帽層時，在生長氣氛中加入三甲基銦，進行具有銦摻雜的外延生長。利用本發(fā)明方法制作的材料或器件中位錯大大減少，改善了界面平整度，提高了材料的電子遷移率，同時增大了生長窗口，使材料生長更容易，進而改善器件的電流崩塌、降低漏電流、提高跨導(dǎo)和增益、增加微波功率器件輸出功率。
文檔編號H01L21/205GK101114594SQ20071013929
公開日2008年1月30日 申請日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月28日
發(fā)明者馮志紅 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所