一种HEMT外延片及其制备方法与流程

一种hemt外延片及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种hemt外延片及其制备方法。


背景技术：

2.由于gan、algan、alingan等材料具有直接带隙、宽禁带和高击穿电场强度等优点，因此可以广泛应用于电子电力、射频器件等领域，特别是与传统的si材料相比，gan、algan、alingan等半导体是极性半导体材料。因此当aln和algan材料组合在一起时，两种材料的界面会存在固定电荷并自发形成内建电场，可以吸引可移动的载流子，从而可以形成二维电子气，因此目前基于gan材料的hemt成为高频功率器件和功率开关器的研究热点。
3.但是基于gan材料的hemt仍然存在较多问题，特别是为了提高界面出二维电子气的浓度时，需要增加algan势垒层中的al组分，但是与此同时又引进界面缺陷，并且会降低二维电子气迁移率，极大程度降低hemt的器件性能。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是：提供了一种hemt外延片及其制备方法，能够在提高二维电子气浓度的同时，减少界面缺陷且不影响二维电子气迁移率。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.一种hemt外延片，包括在衬底上依次生长的氮化铝缓冲层、非掺杂氮化镓层、复合层和n型铝镓氮层；
7.所述复合层包括按照预设次数循环溅射的铝单层和氮化铝单层。
8.一种hemt外延片制备方法，包括步骤：
9.在衬底上溅射氮化铝缓冲层，在所述氮化铝缓冲层上生长非掺杂氮化镓层；
10.在所述非掺杂氮化镓层上循环溅射铝单层和氮化铝单层；
11.在已循环溅射的外延片上生长n型铝镓氮层。
12.本发明的有益效果在于：在衬底上溅射氮化铝缓冲层，在氮化铝缓冲层上生长非掺杂氮化镓层，之后在非掺杂氮化镓层上循环溅射铝单层和氮化铝单层，在已循环溅射的外延片上生长n型铝镓氮层。因此在铝单层上溅射氮化铝单层能够提高键合能力，同时循环溅射铝单层和氮化铝单层能够避免使用单一氮化铝层而随着厚度增加带来的应力问题和迁移率低的问题，避免整个外延片的中心区域和边缘的质量相差增大，从而通过增加铝组分提高二维电子气浓度的同时，减少界面缺陷且不影响二维电子气迁移率。
附图说明
13.图1为本发明实施例的一种hemt外延片结构图；
14.图2为本发明实施例的一种hemt外延片制备方法的流程图；
15.标号说明：
16.1、蓝宝石衬底；2、氮化铝缓冲层；3、非掺杂氮化镓层；4、铝单层；5、氮化铝单层；6、
1.5μm的非掺杂氮化镓层。
35.由上述描述可知，在金属有机化合物化学气相沉积设备中，生长厚度为1-1.5μm的非掺杂氮化镓层，便于后续继续生长其他的外延结构层。
36.进一步地，在所述氮化铝缓冲层上生长非掺杂氮化镓层之后包括：
37.将所述非掺杂氮化镓层在氨气和氮气的保护下进行退火处理，并转移出所述金属有机化合物化学气相沉积。
38.由上述描述可知，在生长非掺杂氮化镓层之后进行退火处理，并转移出金属有机化合物化学气相沉积，由于后续含铝组分的结构在金属有机化合物化学气相沉积设备中制备时需要使用氢气，而铝和氢气之间的键合能力较强，会引入大量的缺陷，因此非掺杂氮化镓层之后的结构不在金属有机化合物化学气相沉积中制备，可以避免形成界面缺陷。
39.进一步地，在所述非掺杂氮化镓层上循环溅射铝单层和氮化铝单层包括：
40.在所述非掺杂氮化镓层上循环使用等离子体增强化学气相沉积和化学气相沉积分别溅射厚度为0.1-1nm的铝单层和厚度为5-20nm的氮化铝单层。
41.由上述描述可知，将外延片转移至等离子体增强化学气相沉积中溅射铝单层，再转移至化学气相沉积中溅射氮化铝单层，在铝单层上溅射氮化铝能够提高键合能力，形成晶体质量很好的氮化铝材料，同时能够避免单一氮化铝层随着厚度增加带来应力，保证整个外延片中心区域和边缘质量相差较小，提高外延片的均匀性。
42.进一步地，所述在已循环溅射的外延片上生长n型铝镓氮层包括：
43.在金属有机化合物化学气相沉积设备中，使用包含氨气、氮气的混合气体，将三甲基铝、二乙级镓作为金属有机源，将硅烷作为掺杂气体，在已循环溅射的外延片上生长厚度为250-300nm的n型铝镓氮层。
44.由上述描述可知，在金属有机化合物化学气相沉积设备中，生长厚度为250-300nm的n型铝镓氮层，便于得到完整的hemt外延片。
45.本发明上述的一种hemt外延片及其制备方法，适用于改善hemt外延片中algan的材料缺陷，能够有效提高二维电子气浓度，提高输出功率。以下通过具体的实施方式进行说明：
46.实施例一
47.请参照图1，一种hemt外延片，包括在衬底上依次生长的氮化铝缓冲层、非掺杂氮化镓层、复合层和n型铝镓氮层；
48.复合层包括按照预设次数循环溅射的铝单层和氮化铝单层。
49.具体的，在本实施例中，hemt外延片包括在衬底上依次生长的厚度为0.02μm的氮化铝缓冲层、厚度为1.5μm的非掺杂氮化镓层、复合层和厚度为280nm的n型铝镓氮层；复合层包括循环溅射了20次的厚度为0.5nm的铝单层和厚度为8nm的氮化铝单层。
50.在其他实施例中，hemt外延片中非掺杂氮化镓层的厚度为1-1.5μm，n型铝镓氮层的厚度为250-300nm，铝单层的厚度为0.1-1nm，氮化铝单层的厚度为5-20nm。
51.实施例二
52.请参照图2，一种hemt外延片制备方法，包括步骤：
53.s1、在衬底上溅射氮化铝缓冲层，在所述氮化铝缓冲层上生长非掺杂氮化镓层。
54.s11、利用化学气相沉积(cvd)设备，以高纯度al靶材和氩气、氧气、氮气等离子气
体为反应源，进行磁控溅射，使用550℃的温度，在非pss(patterned sapphire substrate，图形化)蓝宝石(0001)面上溅射0.02um厚度的aln(氮化铝)薄膜。
55.s12、利用金属有机化合物化学气相沉积(mocvd)设备，在1100-1200℃的温度下，使用包含氨气、氢气、氮气的混合气体，氨气的比例大于或者等于40％，使用三甲基镓金属作为有机源，在氮化铝缓冲层上生长厚度为1-1.5μm的非掺杂氮化镓层。
56.s13、将所述非掺杂氮化镓层在氨气和氮气的保护下进行退火处理，并转移出mocvd。
57.s2、在所述非掺杂氮化镓层上循环溅射铝单层和氮化铝单层。
58.具体的，在等离子体增强化学气相沉积(pecvd)内溅射单层al，厚度约0.1-1nm，优选厚度为0.5nm；然后再转移至cvd中溅射aln薄膜，厚度为5-20nm，优选厚度为8nm；溅射单层al和aln的工艺共循环n次，循环数n介于15-60次数之间，优选20次。
59.s3、在已循环溅射的外延片上生长n型铝镓氮层。
60.具体的，将上述完成溅射循环的外延片再转移至mocvd中生长厚度为250-300nm的势垒层n型algan；生长过程中使用的气体为氨气、氮气的混合气体，氨气的比例大于或者等于70％，金属有机源为金属有机源为三甲基铝，二乙级镓，掺杂气体为硅烷。
61.之后，对外延片进行芯片加工，首先刻蚀出欧姆接触窗口，蒸镀多层电极结构，形成源极和漏极，最后利用光刻和电子束蒸发、剥离工艺加工出栅电极。
62.因此，本实施例在传统hemt的gan和algan层中插入一层al和aln循环溅射的复合结构，具体的，在mocvd中完成gan沟道层的生长后，将外延片在氨气和氮气保护退火后转移出mocvd腔体，转移至pecvd中溅射单层al，再转移至cvd中溅射单层aln，在al单层上溅射aln，从而形成晶体质量很好的aln材料，同时为了避免单一aln层随着厚度增加带来应力，造成整个外延片中心区域和边缘质量相差较大，导致外延片均匀性差的问题；并且在芯片加工过程中，中心区域和边缘区域的电性差异性会带来后续工艺的复杂性。
63.目前有工艺在gan和algan中插入aln层，采用的是在mocvd中连续生长的方式，但是这种方式仍会引入大量的缺陷，并且如果使用pecvd进行溅射会有溅射厚度较薄的问题，因此本实施例采用溅射al和溅射aln的循环工艺，在确保aln有一定厚度的基础上且晶体质量较好，将循环溅射工艺完成后，转移至mocvd中，再进行n型algan生长，既可以避免形成界面缺陷，还可以生长出高al组分的algan材料，而且晶体质量很好，可以极大程度提升hemt的器件性能。
64.综上所述，本发明提供的一种hemt外延片及其制备方法，利用cvd在衬底上溅射氮化铝缓冲层；利用mocvd在氮化铝缓冲层上生长非掺杂氮化镓层；之后将外延片转移至pecvd中溅射单层al，再转移至cvd中溅射单层aln，循环预设次数；再转移至mocvd中，在已循环溅射的外延片上生长n型铝镓氮层。因此在铝单层上溅射氮化铝单层能够提高键合能力，同时循环溅射铝单层和氮化铝单层能够避免使用单一氮化铝层因厚度增加带来的应力问题和迁移率低的问题，避免整个外延片的中心区域和边缘的质量相差增大，从而通过增加铝组分提高二维电子气浓度的同时，减少界面缺陷且不影响二维电子气迁移率。
65.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种hemt外延片，其特征在于，包括在衬底上依次生长的氮化铝缓冲层、非掺杂氮化镓层、复合层和n型铝镓氮层；所述复合层包括按照预设次数循环溅射的铝单层和氮化铝单层。2.根据权利要求1所述的一种hemt外延片，其特征在于，所述铝单层的厚度为0.1-1nm。3.根据权利要求1所述的一种hemt外延片，其特征在于，所述氮化铝单层的厚度为5-20nm。4.根据权利要求1所述的一种hemt外延片，其特征在于，所述复合层的循环次数为15-60次。5.根据权利要求1所述的一种hemt外延片，其特征在于，所述非掺杂氮化镓层的厚度为1-1.5μm，所述n型铝镓氮层的厚度为250-300nm。6.一种hemt外延片制备方法，其特征在于，包括步骤：在衬底上溅射氮化铝缓冲层，在所述氮化铝缓冲层上生长非掺杂氮化镓层；在所述非掺杂氮化镓层上循环溅射铝单层和氮化铝单层；在已循环溅射的外延片上生长n型铝镓氮层。7.根据权利要求6所述的一种hemt外延片制备方法，其特征在于，在所述氮化铝缓冲层上生长非掺杂氮化镓层包括：在金属有机化合物化学气相沉积设备中，在1100-1200℃的温度下，使用包含氨气、氢气、氮气的混合气体和三甲基镓金属有机源，在所述氮化铝缓冲层上生长厚度为1-1.5μm的非掺杂氮化镓层。8.根据权利要求7所述的一种hemt外延片制备方法，其特征在于，在所述氮化铝缓冲层上生长非掺杂氮化镓层之后包括：将所述非掺杂氮化镓层在氨气和氮气的保护下进行退火处理，并转移出所述金属有机化合物化学气相沉积。9.根据权利要求6所述的一种hemt外延片制备方法，其特征在于，在所述非掺杂氮化镓层上循环溅射铝单层和氮化铝单层包括：在所述非掺杂氮化镓层上循环使用等离子体增强化学气相沉积和化学气相沉积分别溅射厚度为0.1-1nm的铝单层和厚度为5-20nm的氮化铝单层。10.根据权利要求6所述的一种hemt外延片制备方法，其特征在于，所述在已循环溅射的外延片上生长n型铝镓氮层包括：在金属有机化合物化学气相沉积设备中，使用包含氨气、氮气的混合气体，将三甲基铝、二乙级镓作为金属有机源，将硅烷作为掺杂气体，在已循环溅射的外延片上生长厚度为250-300nm的n型铝镓氮层。

技术总结
本发明公开的一种HEMT外延片及其制备方法，在衬底上溅射氮化铝缓冲层，在氮化铝缓冲层上生长非掺杂氮化镓层，之后在非掺杂氮化镓层上循环溅射铝单层和氮化铝单层，在已循环溅射的外延片上生长N型铝镓氮层。因此在铝单层上溅射氮化铝单层能够提高键合能力，同时循环溅射铝单层和氮化铝单层能够避免使用单一氮化铝层而随着厚度增加带来的应力问题和迁移率低的问题，避免整个外延片的中心区域和边缘的质量相差增大，从而通过增加铝组分提高二维电子气浓度的同时，减少界面缺陷且不影响二维电子气迁移率。电子气迁移率。电子气迁移率。


技术研发人员：解向荣 吴永胜 刘恒山 马野
受保护的技术使用者：福建兆元光电有限公司
技术研发日：2021.12.28
技术公布日：2022/3/8