一種硅上高遷移率GaN基異質結構及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體技術領域，特別是涉及一種硅(Si)襯底上高迀移率GaN基異質結構及其制備方法。
【背景技術】
[0002]以III族氮化物為代表的第三代半導體具有高禁帶寬度、高擊穿電場、高飽和電子漂移速度以及強極化等優異的性質，特別是基于AlGaN/GaN異質結構的高迀移率晶體管(HEMT)具有開關速度快、導通電阻低、器件體積小、耐高溫、節能等優異特性，有望在下一代高效功率電子器件領域得到廣泛使用。
[0003]在以藍寶石、碳化硅、硅為襯底材料的GaN基異質結構材料中，Si上GaN基異質結構材料及器件因其在大尺寸、低成本以及與現有Si工藝兼容等方面具有明顯的優勢，在太陽能逆變器、混合動力汽車逆變器、功率電源、家用電器及工業設備的功率轉換器等領域有廣泛的應用前景，也因此使其成為國際上氮化物領域研宄的熱點之一。
[0004]二維電子氣迀移率和濃度是表征GaN基異質結構材料質量的兩個最重要指標，對于提高器件的輸出電流密度和功率密度具有重要作用。而影響二維電子氣迀移率的散射機制主要有界面粗糙度散射，位錯散射，合金無序散射以及聲子散射等。對于Si襯底上GaN基異質結構材料，由于存在較大的晶格失配，外延出的材料中含有大量的缺陷，這些缺陷大大限制了二維電子氣性能的提高，同時嚴重影響了器件的可靠性。另一方面，由于熱失配，高溫生長GaN基材料后，在降溫的過程中GaN基外延材料會受到Si襯底施加的巨大的張應力，導致外延材料強烈翹曲甚至龜裂，難以滿足工藝的要求。因此，如何通過應力和缺陷工程，避免外延材料的龜裂，并獲得低缺陷密度的GaN基異質結構外延材料，是研制Si上GaN基功率電子器件需要解決的首要問題。現有技術中為了實現Si上GaN異質結構材料的應力和缺陷控制，提高二維電子氣的輸運性能，國際上通常采取以下三種方法:
[0005](I)低溫 AlN 插入層技術，如[1]A.Dadgar et al., Jpn.J.Appl.Phys.39LI 183 (2000)。這種技術優點是可以實現較厚的GaN基外延層，但由于低溫AlN層的晶體質量較差使得GaN基外延層的質量也受到影響，在提高二維電子氣的迀移率方面不是很理想。同時在MOCVD外延中需要多次的升溫和降溫，大大增加了外延工藝的復雜性。
[0006](2)AlN/GaN 超晶格技術，如[2]E.Feltin et al., Phys.Status Solidi (a) 188531 (2001)。這種技術在一定程度上可以降低位錯密度，提高晶體質量，但在厚膜GaN的制備上具有一定的困難，同時周期長，增加了外延成本。
[0007](3) Al組分梯度漸變AlGaN技術(多為從高Al組分梯度漸變到低Al組分)，如
[3]K.Cheng et al.J.Electron.Mater.25, 4 (2006) ο這種技術介于上面兩個技術中間，但涉及到多次(三次以上)三元合金AlGaN的生長，因為Al組分受MOCVD反應室如溫度的影響較敏感，外延步驟較多，在應力控制的可重復性和穩定性上也受到一定的挑戰。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在于克服現有Si上GaN基異質結構外延技術上的不足以及工藝的復雜性，提供了一種Si上高迀移率GaN基異質結構，即利用單層的低Al組分AlGaN作為應力和缺陷控制層，來制備Si上高迀移率GaN基異質結構材料。
[0009]為了實現上述目的，技術方案如下:一種Si上高迀移率GaN基異質結構，由下至上依次包括:硅襯底；成核層；該成核層在硅襯底之上，應力和缺陷控制層；該應力和缺陷控制層在成核層之上，外延層；該外延層在應力和缺陷控制層之上，溝道層；該溝道層在外延層之上，插入層；該插入層在溝道層之上，勢皇層；該勢皇層在插入層之上，其中應力和缺陷控制層為AlGaN層，其厚度為1nm-1O μ m，且Al摩爾組分為1_26%。
[0010]本發明還提供一種高迀移率GaN基異質結構的制備方法，采用該方法能夠有效克服現有Si襯底上GaN基異質結構外延技術上的復雜性，外延工藝簡單且快捷有效，穩定性高，同時能大幅度提高異質結構晶體質量，提高二維電子氣的輸運性質，包括如下步驟:
[0011](I)選擇Si襯底；
[0012](2)在Si襯底上生長一層鋁鎵氮或氮化鋁成核層；
[0013](3)在成核層上生長應力和缺陷控制層，該應力和缺陷控制層為AlGaN層，其厚度為1nm-1O μ m，且Al摩爾組分為1-26% ；
[0014](4)在應力和缺陷控制層上生長氮化鎵或鋁鎵氮外延層；
[0015](5)在外延層上生長氮化鎵或銦鎵氮溝道層；
[0016](6)在溝道層上生長氮化鋁插入層；
[0017](7)在插入層上生長鋁鎵氮勢皇層或銦鋁氮勢皇層，從而在Si襯底上制備出GaN基異質結構。
[0018]優選的，所述成核層、應力和缺陷控制層、外延層、溝道層、插入層和勢皇層的生長方法為金屬有機化合物氣相外延(MOCVD)，分子束外延(MBE)，氫化物氣相外延(HVPE)和氣相外延(CVD)中的一種。
[0019]本發明采用獨特的單層低鋁組分鋁鎵氮作為應力和缺陷控制層，進一步通過精確控制生長條件，如溫度，壓力，V/III等，可有效的降低了 GaN外延層中的缺陷密度，提高了異質結構材料的晶體質量，特別是二維電子氣的迀移率。參考圖2所示，采用本發明制備的GaN外延層的X射線衍射(XRD)對稱面(002)和非對稱面(102)搖擺曲線的半高寬(FWHM)分別為389arcsec和527arcsec ;在此基礎上外延的AlGaN/GaN異質結構室溫下二維電子氣(2DEG)迀移率 μ = 2030cm2/V.s，載流子濃度 η = 8.4E12/cm2。
[0020]與現有的較繁瑣的Si上GaN基異質結構外延技術相比，本發明將單層低鋁組分鋁鎵氮作為應力和缺陷控制層，不僅制備方法簡單易行，而且可以大幅降低缺陷密度，提高異質結構材料的晶體質量，十分適合于低成本的高頻、高功率器件的研制。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明娃上尚遷移率GaN基異質結構不意圖；
[0022]圖2為采用本發明制備的GaN外延層的X射線衍射(XRD)圖；其中(a)為GaN外延層的XRD對稱面(002)搖擺曲線；(b)為GaN外延層的XRD非對稱面(102)搖擺曲線。
【具體實施方式】
[0023]參考圖1所示，本發明提供了一種硅上高迀移率GaN基異質結構，由下至上依次包括:單晶硅襯底I ;成核層2 ;應力和缺陷控制層3 ;氮化鎵外延層4 ;氮化鎵溝道層5 ;氮化鋁插入層6 ;鋁鎵氮勢皇層或銦鋁氮勢皇層7。
[0024]實施例1
[0025](I)選擇一種單晶硅襯底1，硅的晶向包括硅(111)、硅(100)、硅(110)等；
[0026](2)在單晶襯底上生長鋁鎵氮作為成核層2，生長溫度為900-1200°C，生長壓力為10_200mbar，生長厚度為 10nm_2 μ m ；
[0027](3)在成核層2上外延生長鋁鎵氮作為應力和缺陷控制層3，生長溫度為900-1200°C，生長壓力為10-200mbar，生長厚度為1nm-1O μm，鋁的摩爾組分為1%，該層起到調控應力和抑制缺陷的作用；
[0028](4)在應力和缺陷控制層3上生長氮化鎵外延層4，生長溫度為900-1100°C，生長壓力為10-200mbar，厚度為10nm_20 μ m，氮化鎵外延層起到提高晶體