專利名稱：具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)及制作方法，該晶體管使用非有意摻雜氮化鋁/氮化鎵/氮化鋁復(fù)合空間層以及高遷移率氮化鎵溝道層，可以顯著提高二維電子氣面密度及對二維電子氣的限制作用，降低異質(zhì)結(jié)界面對溝道電子性能的影響，提高所研制器件的性能。
背景技術(shù)：
氮化鎵基半導(dǎo)體材料具有優(yōu)良的物理和化學(xué)特性，特別適合制備高頻、高功率的場效應(yīng)晶體管。氮化鎵基場效應(yīng)晶體管擊穿電壓高、工作頻率高、輸出功率大、抗輻射性能好，在無線通信、雷達(dá)、航空航天、汽車電子、自動(dòng)化控制、石油勘探、高溫輻射環(huán)境等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。場效應(yīng)晶體管的原理為:由于組成異質(zhì)結(jié)的兩種材料的禁帶寬度不同，在異質(zhì)結(jié)界面處形成了勢壘和勢阱，由極化效應(yīng)或調(diào)制摻雜產(chǎn)生的自由電子，積累在非摻雜的氮化鎵層靠近界面的三角形勢阱中，形成二維電子氣，由于勢阱中的這些電子與勢壘中的電離雜質(zhì)空間分離，大大降低了庫倫散射，從而顯著提高了材料的電子遷移率。研制成器件后，通過調(diào)節(jié)柵電極偏壓可以控制異質(zhì)結(jié)界面處的二維電子氣密度，在一定的直流偏壓下，可以對高頻微波信號進(jìn)行放大。二維電子氣面密度和遷移率是表征場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量的重要參數(shù)，在減小勢壘厚度的同時(shí)，提高溝道中二維電子氣面密度和遷移率是在提高氮化鎵基場效應(yīng)晶體管工作頻率的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)輸出電流密度和功率密度的重要舉措。在本發(fā)明以前，為了提高氮化鎵基場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料的二維電子氣面密度和遷移率，通常采取兩種方法:(I)對鋁鎵氮?jiǎng)輭緦舆M(jìn)行n型摻雜，可以在一定程度上提高溝道中的二維電子氣面密度。但摻雜會降低材料晶格的完整性，從而導(dǎo)致鋁鎵氮層的晶體質(zhì)量下降，氮化鎵和鋁鎵氮層之間的界面粗糙度增加，降低電子遷移率；(2)采用高Al組分勢壘層AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)，隨著勢壘層Al組分升高，異質(zhì)結(jié)帶階和極化電場增大，可顯著提高二維電子氣面密度。但是，Al組分較高時(shí)，大的晶格失配會導(dǎo)致AlGaN勢壘層的晶體質(zhì)量、表面和界面質(zhì)量變差，應(yīng)變誘生的深能級缺陷增多，使散射增強(qiáng)，遷移率降低；同時(shí)，當(dāng)Al組分過高時(shí)，大晶格失配限制了勢壘層厚度，難以產(chǎn)生強(qiáng)的二維電子氣。目前通常采用的這兩種方法，尤其是當(dāng)勢壘層厚度較薄時(shí)，提高二維電子氣濃度和遷移率、減小缺陷密度方面不是特別理想。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)及制作方法，與不具有此復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管材料相比，該晶體管結(jié)構(gòu)具有更高的二維電子氣面密度，能夠提高溝道二維電子氣的勢壘高度，更加有效地限制溝道電子向勢壘層方向的泄漏，由此增加對溝道二維電子氣的限制作用，提高所研制器件的輸出功率。本發(fā)明提供一種具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，包括:
—襯底；一成核層，該成核層制作在襯底的上面；一非有意摻雜高阻層，該非有意摻雜氮化鎵制作在成核層的上面；一非有意摻雜高遷移率溝道層，該非有意摻雜高遷移率溝道層制作在非有意摻雜高阻層的上面；一復(fù)合空間層，該復(fù)合空間層制作在非有意摻雜高遷移率溝道層的上面；一非有意摻雜勢壘層，該非有意摻雜勢壘層制作在復(fù)合空間層的上面；一非有意摻雜氮化鎵蓋帽層,該非有意摻雜氮化鎵蓋帽層制作在非有意摻雜鋁鎵氮?jiǎng)輭緦拥纳厦?。本發(fā)明還提供一種具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下步驟:步驟1:選擇一襯底；步驟2:在襯底上生長一層低溫成核層，生長厚度為0.01-0.50um；步驟3:在低溫成核層上生長非有意摻雜高阻層，生長厚度為1-5 ym;步驟4:在非有意摻雜高阻層上生長非有意摻雜高遷移率溝道層，生長厚度為
0-0.15 u m ；步驟5:在非有意摻雜高遷移率溝道層上生長復(fù)合空間層；步驟6:在復(fù)合空間層上生長非有意勢壘層；步驟7:在非有意勢壘層上生長非有意摻雜氮化鎵蓋帽層，完成制備。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作一詳細(xì)的描述，其中:圖1為本發(fā)明的具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的具有復(fù)合空間層的氮化鎵基場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的制作流程圖；圖3(a)具有和(b)不具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管二維電子氣分布和結(jié)構(gòu)能帶圖，可以看出引入復(fù)合空間層異質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶提高，二維電子氣面密度提高。
具體實(shí)施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明一種具有復(fù)合空間層的氮化鎵基場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)，其中包括:一襯底10，該襯底10為碳化硅襯底或藍(lán)寶石襯底或硅襯底。一低溫成核層20，該低溫成核層20制作在襯底10上面。所述低溫成核層20為氮化鎵或氮化鋁或鋁鎵氮，厚度為0.01-0.50 u m,優(yōu)選值為0.03-0.30 u m。一非有意摻雜高阻層30，該非有意摻雜高阻層30制作在低溫成核層20上面。所述非有意摻雜高阻層30的材料為氮化鎵或鋁鎵氮，厚度為l-5i!m，室溫電阻率大于IXlO6Q.cm，優(yōu)選值大于IXlO8Q * cm0若非有意摻雜高阻層30為鋁鎵氮為AlyGa1J,則
0< y < 0.20。該高阻層30的作用有四個(gè)，一是作為緩沖層減小襯底和外延層之間的晶格失配，提高外延層的晶體質(zhì)量，二是作為高阻層減小器件漏電，三是作為背勢壘層抬高溝道在緩沖層襯底一側(cè)的勢壘高度，降低溝道電子在高場下的緩沖層泄漏，提高材料和器件的穩(wěn)定性，四是提高器件的擊穿電壓，提器件的輸出功率。一非有意摻雜高遷移率溝道層40，該非有意摻雜高遷移率溝道層40制作在非有意摻雜高阻層30上面。所述高遷移率層溝道層40為非有意摻雜氮化鎵，厚度為0-0.15 u m。該高遷移率層40為二維電子氣提供了一個(gè)良好的通道，同時(shí)也顯著提高了溝道二維電子氣遷移率。一復(fù)合空間層50，該復(fù)合空間層50制作在非有意摻雜高遷移率氮化鎵溝道層40上面。該復(fù)合空間層50包括:第一氮化鋁層51、氮化鎵層52、第二氮化鋁層53，厚度分別為0.7-3nm、l-5nm、0.7_3nm。此有多層結(jié)構(gòu)的空間層中通過引入極化效應(yīng)很強(qiáng)的氮化鋁薄層提高異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部的極化電場，誘導(dǎo)產(chǎn)生面密度更高的溝道二維電子氣，提高所研制器件的輸出功率及其它性能，同時(shí)禁帶寬度較寬的氮化鋁可以提高三角形勢阱的深度，提高對溝道電子的限制作用，更加有效的限制溝道電子向勢壘層方向的轉(zhuǎn)移；兩個(gè)氮化鋁薄層中間的氮化鎵薄層，其反向極化效應(yīng)將溝道電子向遠(yuǎn)離異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面的溝道層內(nèi)部轉(zhuǎn)移，減小異質(zhì)結(jié)界面對溝道電子的影響，提高電子在強(qiáng)場、高溫等條件下的穩(wěn)定性。
一非有意摻雜鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?0，該非有意摻雜鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?0制作在復(fù)合空間層50上面。所述非有意摻雜鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?0為AlxGai_xN，生長厚度為6.5-26.5nm，鋁組分為0.10 < X < 0.35。該非有意摻雜鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?0由極化效應(yīng)形成溝道二維電子；一非有意摻雜氮化鎵蓋帽層70，該非有意摻雜氮化鎵蓋帽層70制作在非有意摻雜鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?0上面。所述非有意摻雜氮化鎵蓋帽層80厚度為l-5nm。該非有意摻雜氮化鎵蓋帽層80作為帽層能降低器件工藝難度。請參閱圖1、圖2所示，本發(fā)明還提供一種具有復(fù)合空間層的氮化鎵基場效應(yīng)晶體管的制作方法，包括如下步驟:步驟1:選擇一襯底10，該襯底10為碳化硅襯底或藍(lán)寶石襯底或硅襯底；步驟2:在襯底10上生長一層低溫成核層20，生長厚度為0.01-0.50 U m0其中所述的低溫成核層20的生長溫度為500-600°C，生長壓力為53.34-80.0lkPa，生長厚度為
0.01-0.50 u m,優(yōu)選值為 0.03-0.30 u m。步驟3:在低溫成核層20上生長非有意摻雜高阻層30，生長厚度為1_5 U m。所述的非有意摻雜高阻層30的生長溫度為900-1100°C，優(yōu)選值范圍為1020-1100°C，室溫電阻率大于I X IO6 Q cm,優(yōu)選值大于I X IO8 Q cm ;步驟4:在非有意摻雜高阻層30上生長非有意摻雜高遷移率溝道層40，生長厚度為10-100nm。所述的非有意摻雜高遷移率溝道層40，該層為二維電子氣的運(yùn)行溝道，生長溫度為900-1100°C，室溫遷移率大于500cm2/Vs，優(yōu)選值大于700cm2/Vs。步驟5:在非有意摻雜高遷移率溝道層40上生長非有意摻雜復(fù)合空間層50，該復(fù)合空間層50包括三層，第一氮化鋁層51，生長厚度為0.73nm,優(yōu)選值為Inm ;氮化鎵層52制作在第一氮化鋁層51上面，生長厚度為l_5nm，優(yōu)選值為1.5nm ;第二氮化鋁層53制作在氮化鎵層52上面，生長厚度為0.7-3nm，優(yōu)選值lnm。該復(fù)合空間層50可以提高2DEG的面密度和限制作用，減小異質(zhì)結(jié)界面對溝道二維電子氣的影響，提高異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的綜合性能，該層生長溫度為850-1150°C。步驟6:在復(fù)合空間層50上生長非有意鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?0。所述的非有意摻雜鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?0為AlxGai_xN，該層為非有意摻雜，生長溫度為8501150°C，A1組分為0.10-0.35，厚度為 6.526.5nm。步驟7:在非有意鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?0上生長非有意摻雜氮化鎵蓋帽層70，厚度為
l-5nm，生長溫度為 850-1150°C。該制作方法包括但不局限于金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法、分子束外延和氣相外延，優(yōu)先采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法。本發(fā)明提供的一種具有復(fù)合空間層的氮化鎵基場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，與不具有此復(fù)合空間層50的氮化鎵基場效應(yīng)晶體管材料相比，該晶體管材料具有更高的二維電子氣面密度(圖3的模擬結(jié)果)，可以提高所研制器件的輸出功率。本發(fā)明提供的一種具有復(fù)合空間層的氮化鎵基場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，如圖3所示，這種晶體管結(jié)構(gòu)能夠提高溝道二維電子氣的勢壘高度，更加有效地限制溝道電子向勢壘層方向的泄漏，由此增加對溝道二維電子氣的限制作用，提高材料和器件的穩(wěn)定性。本發(fā)明提供的一種具有復(fù)合空間層的氮化鎵基場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，該晶體管結(jié)構(gòu)能夠使溝道電子向遠(yuǎn)離異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面的溝道層內(nèi)部轉(zhuǎn)移，減小異質(zhì)結(jié)的界面對溝道電子遷移率的影響，提聞電子在強(qiáng)場、聞溫等條件下的穩(wěn)定性。本發(fā)明采用獨(dú)特的復(fù)合空間層50結(jié)構(gòu)，多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合空間層50中通過引入極化效應(yīng)很強(qiáng)的第一氮化鋁層51、第二氮化鋁層53提高異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部的極化電場，誘導(dǎo)產(chǎn)生面密度更高的溝道二維電子氣，提高所研制器件的輸出功率及其它性能，同時(shí)禁帶寬度較寬的第一氮化鋁層51、第二氮化鋁層53可以提高三角形勢阱的深度，提高對溝道電子的限制作用，更加有效的限制溝道電子向勢壘層方向的轉(zhuǎn)移；第一氮化鋁層51、第二氮化鋁層53中間的氮化鎵層52，其反向極化效應(yīng)將溝道電子向遠(yuǎn)離異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面的溝道層內(nèi)部轉(zhuǎn)移，減小異質(zhì)結(jié)界面對溝道電子的影響，提高電子在強(qiáng)場、高溫等條件下的穩(wěn)定性。本發(fā)明在多層空間層的基礎(chǔ)上采用高遷移率氮化鎵層作為溝道層，高遷移率氮化鎵溝道層給溝道二維電子氣提供了 一個(gè)高遷移率輸運(yùn)通道，減小電子的各種散射。本發(fā)明可獲得二維電子氣面密度更高的氮化鎵基場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料，十分適合于高頻、高功率器件的制作；該材料結(jié)構(gòu)可更加有效限制溝道電子向勢壘層和表面的泄漏，并通過極化效應(yīng)將溝道電子向遠(yuǎn)離異質(zhì)結(jié)界面的溝道層內(nèi)部轉(zhuǎn)移，減小異質(zhì)結(jié)界面對溝道二維電子氣的影響。本發(fā)明的具有復(fù)合空間層的新型氮化鎵基場效應(yīng)晶體管的制作方法，是采用但不局限于金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法、分子束外延和氣相外延，優(yōu)先采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法。以上所述，僅是本發(fā)明的實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案范圍之內(nèi)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，包括: 一襯底； 一成核層，該成核層制作在襯底的上面； 一非有意摻雜高阻層，該非有意摻雜氮化鎵制作在成核層的上面； 一非有意摻雜高遷移率溝道層，該非有意摻雜高遷移率溝道層制作在非有意摻雜高阻層的上面； 一復(fù)合空間層，該復(fù)合空間層制作在非有意摻雜高遷移率溝道層的上面； 一非有意摻雜勢壘層，該非有意摻雜勢壘層制作在復(fù)合空間層的上面； 一非有意摻雜氮化鎵蓋帽層，該非有意摻雜氮化鎵蓋帽層制作在非有意摻雜鋁鎵氮?jiǎng)輭緦拥纳厦妗?br>
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，其中該復(fù)合空間層包括: 一第一氮化招層； 一氮化鎵層，該氮化鎵層制作在第一氮化鋁層的上面； 一第二氮化鋁層，該第二氮化鋁層制作在氮化鎵層上面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，其中第一氮化鋁層、氮化鎵層和第二氮化鋁層的厚度分別為0.7-3nm、l-5nm、0.7_3nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，其中非有意摻雜勢壘層的材料為AlxGa^xN,厚度為6.5-26.5nm，其中0.10彡x彡0.35。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，其中非有意摻雜高遷移率溝道層的材料為氮化鎵，生長溫度為900-1100°C，生長厚度為10-100nm。
6.一種具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下步驟: 步驟1:選擇一襯底； 步驟2:在襯底上生長一層低溫成核層，生長厚度為0.01-0.50um； 步驟3:在低溫成核層上生長非有意摻雜高阻層，生長厚度為1-5 y m ; 步驟4:在非有意摻雜高阻層上生長非有意摻雜高遷移率溝道層，生長厚度為0-0.15 u m ； 步驟5:在非有意摻雜高遷移率溝道層上生長復(fù)合空間層； 步驟6:在復(fù)合空間層上生長非有意勢壘層； 步驟7:在非有意勢壘層上生長非有意摻雜氮化鎵蓋帽層，完成制備。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其中該復(fù)合空間層包括: 一第一氮化招層； 一氮化鎵層制作在第一氮化鋁層的上面； 一第二氮化鋁層制作在氮化鎵層上面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其中第一氮化招層、氮化鎵層和第二氮化招層的厚度分別為0.7-3nm、l-5nm、0.7_3nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其中復(fù)合空間層的生長溫度為8501150°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其中非有意摻雜勢壘層的材料為AlxGa^N,厚度為6.5-26.5nm，其中0.10彡x彡0.35。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其中非有意勢壘層的生長溫度為850-1150°C。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其中非有意摻雜高遷移率溝道層的材料為氮化鎵， 生長溫度為900-1100°C，生長厚度為lOlOOnm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有復(fù)合空間層的氮化鎵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)及制作方法，該結(jié)構(gòu)，包括一襯底；一成核層，該成核層制作在襯底的上面；一非有意摻雜高阻層，該非有意摻雜氮化鎵制作在成核層的上面；一非有意摻雜高遷移率溝道層，該非有意摻雜高遷移率溝道層制作在非有意摻雜高阻層的上面；一復(fù)合空間層，該復(fù)合空間層制作在非有意摻雜高遷移率溝道層的上面；一非有意摻雜勢壘層，該非有意摻雜勢壘層制作在復(fù)合空間層的上面；一非有意摻雜氮化鎵蓋帽層，該非有意摻雜氮化鎵蓋帽層制作在非有意摻雜鋁鎵氮?jiǎng)輭緦拥纳厦?。本發(fā)明可增加對溝道二維電子氣的限制作用，提高所研制器件的輸出功率。
文檔編號H01L29/778GK103117304SQ20131005486
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月20日
發(fā)明者王翠梅, 王曉亮, 彭恩超, 肖紅領(lǐng), 馮春, 姜麗娟, 陳竑 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所