专利名称：具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构及制作方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，特别是指一种具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构及制作方法，该晶体管使用非有意掺杂氮化铝/氮化镓/氮化铝复合空间层以及高迁移率氮化镓沟道层，可以显著提高二维电子气面密度及对二维电子气的限制作用，降低异质结界面对沟道电子性能的影响，提高所研制器件的性能。
背景技术：
氮化镓基半导体材料具有优良的物理和化学特性，特别适合制备高频、高功率的场效应晶体管。氮化镓基场效应晶体管击穿电压高、工作频率高、输出功率大、抗辐射性能好，在无线通信、雷达、航空航天、汽车电子、自动化控制、石油勘探、高温辐射环境等领域有广阔的应用前景。场效应晶体管的原理为:由于组成异质结的两种材料的禁带宽度不同，在异质结界面处形成了势垒和势阱，由极化效应或调制掺杂产生的自由电子，积累在非掺杂的氮化镓层靠近界面的三角形势阱中，形成二维电子气，由于势阱中的这些电子与势垒中的电离杂质空间分离，大大降低了库伦散射，从而显著提高了材料的电子迁移率。研制成器件后，通过调节栅电极偏压可以控制异质结界面处的二维电子气密度，在一定的直流偏压下，可以对高频微波信号进行放大。二维电子气面密度和迁移率是表征场效应晶体管结构材料质量的重要参数，在减小势垒厚度的同时，提高沟道中二维电子气面密度和迁移率是在提高氮化镓基场效应晶体管工作频率的基础上，增强输出电流密度和功率密度的重要举措。在本发明以前，为了提高氮化镓基场效应晶体管结构材料的二维电子气面密度和迁移率，通常采取两种方法:(I)对铝镓氮势垒层进行n型掺杂，可以在一定程度上提高沟道中的二维电子气面密度。但掺杂会降低材料晶格的完整性，从而导致铝镓氮层的晶体质量下降，氮化镓和铝镓氮层之间的界面粗糙度增加，降低电子迁移率；(2)采用高Al组分势垒层AlGaN/GaN HEMT结构，随着势垒层Al组分升高，异质结带阶和极化电场增大，可显著提高二维电子气面密度。但是，Al组分较高时，大的晶格失配会导致AlGaN势垒层的晶体质量、表面和界面质量变差，应变诱生的深能级缺陷增多，使散射增强，迁移率降低；同时，当Al组分过高时，大晶格失配限制了势垒层厚度，难以产生强的二维电子气。目前通常采用的这两种方法，尤其是当势垒层厚度较薄时，提高二维电子气浓度和迁移率、减小缺陷密度方面不是特别理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构及制作方法，与不具有此复合空间层的氮化镓场效应晶体管材料相比，该晶体管结构具有更高的二维电子气面密度，能够提高沟道二维电子气的势垒高度，更加有效地限制沟道电子向势垒层方向的泄漏，由此增加对沟道二维电子气的限制作用，提高所研制器件的输出功率。本发明提供一种具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构，包括:
—衬底；一成核层，该成核层制作在衬底的上面；一非有意掺杂高阻层，该非有意掺杂氮化镓制作在成核层的上面；一非有意掺杂高迁移率沟道层，该非有意掺杂高迁移率沟道层制作在非有意掺杂高阻层的上面；一复合空间层，该复合空间层制作在非有意掺杂高迁移率沟道层的上面；一非有意掺杂势垒层，该非有意掺杂势垒层制作在复合空间层的上面；一非有意掺杂氮化镓盖帽层,该非有意掺杂氮化镓盖帽层制作在非有意掺杂铝镓氮势垒层的上面。本发明还提供一种具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构的制作方法，包括如下步骤:步骤1:选择一衬底；步骤2:在衬底上生长一层低温成核层，生长厚度为0.01-0.50um；步骤3:在低温成核层上生长非有意掺杂高阻层，生长厚度为1-5 ym;步骤4:在非有意掺杂高阻层上生长非有意掺杂高迁移率沟道层，生长厚度为
0-0.15 u m ；步骤5:在非有意掺杂高迁移率沟道层上生长复合空间层；步骤6:在复合空间层上生长非有意势垒层；步骤7:在非有意势垒层上生长非有意掺杂氮化镓盖帽层，完成制备。
为进一步说明本发明的内容，以下结合附图对本发明作一详细的描述，其中:图1为本发明的具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构示意图；图2为本发明的具有复合空间层的氮化镓基场效应晶体管结构的制作流程图；图3(a)具有和(b)不具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管二维电子气分布和结构能带图，可以看出引入复合空间层异质结构能带提高，二维电子气面密度提高。
具体实施例方式请参阅图1所示，本发明一种具有复合空间层的氮化镓基场效应晶体管的结构，其中包括:一衬底10，该衬底10为碳化硅衬底或蓝宝石衬底或硅衬底。一低温成核层20，该低温成核层20制作在衬底10上面。所述低温成核层20为氮化镓或氮化铝或铝镓氮，厚度为0.01-0.50 u m,优选值为0.03-0.30 u m。一非有意掺杂高阻层30，该非有意掺杂高阻层30制作在低温成核层20上面。所述非有意掺杂高阻层30的材料为氮化镓或铝镓氮，厚度为l-5i!m，室温电阻率大于IXlO6Q.cm，优选值大于IXlO8Q * cm0若非有意掺杂高阻层30为铝镓氮为AlyGa1J,则
0< y < 0.20。该高阻层30的作用有四个，一是作为缓冲层减小衬底和外延层之间的晶格失配，提高外延层的晶体质量，二是作为高阻层减小器件漏电，三是作为背势垒层抬高沟道在缓冲层衬底一侧的势垒高度，降低沟道电子在高场下的缓冲层泄漏，提高材料和器件的稳定性，四是提高器件的击穿电压，提器件的输出功率。一非有意掺杂高迁移率沟道层40，该非有意掺杂高迁移率沟道层40制作在非有意掺杂高阻层30上面。所述高迁移率层沟道层40为非有意掺杂氮化镓，厚度为0-0.15 u m。该高迁移率层40为二维电子气提供了一个良好的通道，同时也显著提高了沟道二维电子气迁移率。一复合空间层50，该复合空间层50制作在非有意掺杂高迁移率氮化镓沟道层40上面。该复合空间层50包括:第一氮化铝层51、氮化镓层52、第二氮化铝层53，厚度分别为0.7-3nm、l-5nm、0.7_3nm。此有多层结构的空间层中通过引入极化效应很强的氮化铝薄层提高异质结构材料内部的极化电场，诱导产生面密度更高的沟道二维电子气，提高所研制器件的输出功率及其它性能，同时禁带宽度较宽的氮化铝可以提高三角形势阱的深度，提高对沟道电子的限制作用，更加有效的限制沟道电子向势垒层方向的转移；两个氮化铝薄层中间的氮化镓薄层，其反向极化效应将沟道电子向远离异质结构界面的沟道层内部转移，减小异质结界面对沟道电子的影响，提高电子在强场、高温等条件下的稳定性。
一非有意掺杂铝镓氮势垒层60，该非有意掺杂铝镓氮势垒层60制作在复合空间层50上面。所述非有意掺杂铝镓氮势垒层60为AlxGai_xN，生长厚度为6.5-26.5nm，铝组分为0.10 < X < 0.35。该非有意掺杂铝镓氮势垒层60由极化效应形成沟道二维电子；一非有意掺杂氮化镓盖帽层70，该非有意掺杂氮化镓盖帽层70制作在非有意掺杂铝镓氮势垒层60上面。所述非有意掺杂氮化镓盖帽层80厚度为l-5nm。该非有意掺杂氮化镓盖帽层80作为帽层能降低器件工艺难度。请参阅图1、图2所示，本发明还提供一种具有复合空间层的氮化镓基场效应晶体管的制作方法，包括如下步骤:步骤1:选择一衬底10，该衬底10为碳化硅衬底或蓝宝石衬底或硅衬底；步骤2:在衬底10上生长一层低温成核层20，生长厚度为0.01-0.50 U m0其中所述的低温成核层20的生长温度为500-600°C，生长压力为53.34-80.0lkPa，生长厚度为
0.01-0.50 u m,优选值为 0.03-0.30 u m。步骤3:在低温成核层20上生长非有意掺杂高阻层30，生长厚度为1_5 U m。所述的非有意掺杂高阻层30的生长温度为900-1100°C，优选值范围为1020-1100°C，室温电阻率大于I X IO6 Q cm,优选值大于I X IO8 Q cm ;步骤4:在非有意掺杂高阻层30上生长非有意掺杂高迁移率沟道层40，生长厚度为10-100nm。所述的非有意掺杂高迁移率沟道层40，该层为二维电子气的运行沟道，生长温度为900-1100°C，室温迁移率大于500cm2/Vs，优选值大于700cm2/Vs。步骤5:在非有意掺杂高迁移率沟道层40上生长非有意掺杂复合空间层50，该复合空间层50包括三层，第一氮化铝层51，生长厚度为0.73nm,优选值为Inm ;氮化镓层52制作在第一氮化铝层51上面，生长厚度为l_5nm，优选值为1.5nm ;第二氮化铝层53制作在氮化镓层52上面，生长厚度为0.7-3nm，优选值lnm。该复合空间层50可以提高2DEG的面密度和限制作用，减小异质结界面对沟道二维电子气的影响，提高异质结构材料的综合性能，该层生长温度为850-1150°C。步骤6:在复合空间层50上生长非有意铝镓氮势垒层60。所述的非有意掺杂铝镓氮势垒层60为AlxGai_xN，该层为非有意掺杂，生长温度为8501150°C，A1组分为0.10-0.35，厚度为 6.526.5nm。步骤7:在非有意铝镓氮势垒层60上生长非有意掺杂氮化镓盖帽层70，厚度为
l-5nm，生长温度为 850-1150°C。该制作方法包括但不局限于金属有机物化学气相沉积法、分子束外延和气相外延，优先采用金属有机物化学气相沉积法。本发明提供的一种具有复合空间层的氮化镓基场效应晶体管结构，与不具有此复合空间层50的氮化镓基场效应晶体管材料相比，该晶体管材料具有更高的二维电子气面密度(图3的模拟结果)，可以提高所研制器件的输出功率。本发明提供的一种具有复合空间层的氮化镓基场效应晶体管结构，如图3所示，这种晶体管结构能够提高沟道二维电子气的势垒高度，更加有效地限制沟道电子向势垒层方向的泄漏，由此增加对沟道二维电子气的限制作用，提高材料和器件的稳定性。本发明提供的一种具有复合空间层的氮化镓基场效应晶体管结构，该晶体管结构能够使沟道电子向远离异质结构界面的沟道层内部转移，减小异质结的界面对沟道电子迁移率的影响，提闻电子在强场、闻温等条件下的稳定性。本发明采用独特的复合空间层50结构，多层结构的复合空间层50中通过引入极化效应很强的第一氮化铝层51、第二氮化铝层53提高异质结构材料内部的极化电场，诱导产生面密度更高的沟道二维电子气，提高所研制器件的输出功率及其它性能，同时禁带宽度较宽的第一氮化铝层51、第二氮化铝层53可以提高三角形势阱的深度，提高对沟道电子的限制作用，更加有效的限制沟道电子向势垒层方向的转移；第一氮化铝层51、第二氮化铝层53中间的氮化镓层52，其反向极化效应将沟道电子向远离异质结构界面的沟道层内部转移，减小异质结界面对沟道电子的影响，提高电子在强场、高温等条件下的稳定性。本发明在多层空间层的基础上采用高迁移率氮化镓层作为沟道层，高迁移率氮化镓沟道层给沟道二维电子气提供了 一个高迁移率输运通道，减小电子的各种散射。本发明可获得二维电子气面密度更高的氮化镓基场效应晶体管结构材料，十分适合于高频、高功率器件的制作；该材料结构可更加有效限制沟道电子向势垒层和表面的泄漏，并通过极化效应将沟道电子向远离异质结界面的沟道层内部转移，减小异质结界面对沟道二维电子气的影响。本发明的具有复合空间层的新型氮化镓基场效应晶体管的制作方法，是采用但不局限于金属有机物化学气相沉积法、分子束外延和气相外延，优先采用金属有机物化学气相沉积法。以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的的限制，凡是依据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。
权利要求
1.一种具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构，包括: 一衬底； 一成核层，该成核层制作在衬底的上面； 一非有意掺杂高阻层，该非有意掺杂氮化镓制作在成核层的上面； 一非有意掺杂高迁移率沟道层，该非有意掺杂高迁移率沟道层制作在非有意掺杂高阻层的上面； 一复合空间层，该复合空间层制作在非有意掺杂高迁移率沟道层的上面； 一非有意掺杂势垒层，该非有意掺杂势垒层制作在复合空间层的上面； 一非有意掺杂氮化镓盖帽层，该非有意掺杂氮化镓盖帽层制作在非有意掺杂铝镓氮势垒层的上面。
2.根据权利要求1所述的具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构，其中该复合空间层包括: 一第一氮化招层； 一氮化镓层，该氮化镓层制作在第一氮化铝层的上面； 一第二氮化铝层，该第二氮化铝层制作在氮化镓层上面。
3.根据权利要求2所述的具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构，其中第一氮化铝层、氮化镓层和第二氮化铝层的厚度分别为0.7-3nm、l-5nm、0.7_3nm。
4.根据权利要求1所述的具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构，其中非有意掺杂势垒层的材料为AlxGa^xN,厚度为6.5-26.5nm，其中0.10彡x彡0.35。
5.根据权利要求1所述的具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构，其中非有意掺杂高迁移率沟道层的材料为氮化镓，生长温度为900-1100°C，生长厚度为10-100nm。
6.一种具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构的制作方法，包括如下步骤: 步骤1:选择一衬底； 步骤2:在衬底上生长一层低温成核层，生长厚度为0.01-0.50um； 步骤3:在低温成核层上生长非有意掺杂高阻层，生长厚度为1-5 y m ; 步骤4:在非有意掺杂高阻层上生长非有意掺杂高迁移率沟道层，生长厚度为0-0.15 u m ； 步骤5:在非有意掺杂高迁移率沟道层上生长复合空间层； 步骤6:在复合空间层上生长非有意势垒层； 步骤7:在非有意势垒层上生长非有意掺杂氮化镓盖帽层，完成制备。
7.根据权利要求6所述的具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构的制作方法，其中该复合空间层包括: 一第一氮化招层； 一氮化镓层制作在第一氮化铝层的上面； 一第二氮化铝层制作在氮化镓层上面。
8.根据权利要求7所述的具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构的制作方法，其中第一氮化招层、氮化镓层和第二氮化招层的厚度分别为0.7-3nm、l-5nm、0.7_3nm。
9.根据权利要求7所述的具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构的制作方法，其中复合空间层的生长温度为8501150°C。
10.根据权利要求6所述的具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构的制作方法，其中非有意掺杂势垒层的材料为AlxGa^N,厚度为6.5-26.5nm，其中0.10彡x彡0.35。
11.根据权利要求10所述的具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构的制作方法，其中非有意势垒层的生长温度为850-1150°C。
12.根据权利要求6所述的具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构的制作方法，其中非有意掺杂高迁移率沟道层的材料为氮化镓， 生长温度为900-1100°C，生长厚度为lOlOOnm。
全文摘要
本发明提供一种具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构及制作方法，该结构，包括一衬底；一成核层，该成核层制作在衬底的上面；一非有意掺杂高阻层，该非有意掺杂氮化镓制作在成核层的上面；一非有意掺杂高迁移率沟道层，该非有意掺杂高迁移率沟道层制作在非有意掺杂高阻层的上面；一复合空间层，该复合空间层制作在非有意掺杂高迁移率沟道层的上面；一非有意掺杂势垒层，该非有意掺杂势垒层制作在复合空间层的上面；一非有意掺杂氮化镓盖帽层，该非有意掺杂氮化镓盖帽层制作在非有意掺杂铝镓氮势垒层的上面。本发明可增加对沟道二维电子气的限制作用，提高所研制器件的输出功率。
文档编号H01L29/778GK103117304SQ20131005486
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月20日 优先权日2013年2月20日
发明者王翠梅, 王晓亮, 彭恩超, 肖红领, 冯春, 姜丽娟, 陈竑 申请人:中国科学院半导体研究所