基于溅射AlN基板的混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制备方法与流程
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于溅射aln基板的混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管及其制备方法。
背景技术：
由于n极性面gan与常规ga极性面的gan极性完全相反，其在光电器件、探测器和微波功率器件等领域有很好应用前景。比如，采用n极性面gan材料制备led器件，由于耗尽电场和极化电场方向相同，可以缩短耗尽区的宽度，从而获得较低的开启电压，而较低的开启电压有利于缓解量子限制斯塔克效应，从而提高led的发光效率；采用n极性面gan材料制备氢气探测器时，由于氢原子与n极性面gan材料表面的亲和力远大于ga极性面gan材料，因此基于n极性面gan肖特基二极管的灵敏度要高于ga极性面gan器件的灵敏度；采用n极性面gan材料制备hemt器件具有天然背势垒、欧姆接触电阻低、更好的等比例缩小特性等优势。但是由于n极性面材料对o杂质的吸附能力太强，导致材料内部o杂质含量往往达到1019量级，这使得其背景载流子浓度处于一个很高的水平，这一难题至今还未能有效的解决。因此，将基于n面异质结材料的电子器件必然存在着严重的漏电问题。但是，基于混合极性algan/gan异质结构，选用源极和漏极下方材料为n面材料，而栅极下方材料为ga极性材料，则能够有效利用n极性面材料制备欧姆接触电阻低的优势，同时可以避免n面材料漏电对hemts器件带来的不利影响，能够大幅度提升器件性能。
目前实现混合极性氮化物材料生长的工艺主要基于mbe(分子束外延)生长方法和干法刻蚀技术。其制备流程如图1所示，图1为现有技术提供的一种制备混合极性gan材料的方法：首先，在蓝宝石衬底上采用mocvd(金属有机化合物化学气相淀积)或者mbe技术外延一定厚度的aln成核层；然后在成核层上做图形掩膜；再用干法刻蚀将非掩膜区刻蚀至衬底，并将掩膜去除；最后，再使用mbe外延gan。利用mbe直接在蓝宝石衬底上生长的gan是n极性面，而在aln成核层上生长的gan是ga极性面的原理，实现混合极性gan的生长。
然而，这一混合极性的方法较为繁琐，需要经过干法刻蚀和再生长等复杂的工艺过程，大大提升了实验的成本并降低了工艺的稳定性和可重复性。同时，直接在蓝宝石衬底上生长出来的n极性面gan材料质量较差，难以满足器件制备工艺要求。
因此，需要探索更为简便易行的技术方案来实现高质量混合极性氮化物薄膜材料的生长。
技术实现要素：
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于溅射aln基板的混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明的一个实施例提供了一种基于溅射aln基板的混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管的制备方法，包括：
在衬底的预设部分溅射生长aln基板；
在所述衬底的其余部分和所述aln基板上生长aln成核层；
在所述aln成核层上生长混合极性gan缓冲层；
在所述gan缓冲层上生长插入层；
在所述插入层上生长混合极性algan势垒层；
在所述衬底的其余部分对应的所述混合极性algan势垒层上蒸发欧姆金属，退火，然后在所述衬底的其余部分对应的所述混合极性gan缓冲层上形成源极和漏极，同时在所述aln基板对应的所述混合极性algan势垒层上制备栅极，最终完成混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管的制备。
在本发明的一个实施例中，所述衬底材料为蓝宝石。
在本发明的一个实施例中，在衬底的预设部分溅射生长aln基板，包括：
对磁控溅射设备的溅射腔体进行抽真空后通入氮气和氩气；
以al作为溅射靶材，在衬底的预设部分溅射生长aln基板。
在本发明的一个实施例中，在衬底的预设部分溅射生长aln基板，之后还包括：
对所述衬底进行高温氮化处理。
在本发明的一个实施例中，在所述衬底的其余部分和所述aln基板上生长aln成核层，包括：
在1000℃～1100℃的温度，30torr～50torr的压强下，采用低压mocvd工艺，以三甲基铝作为al源，以氨气作为n源，在所述衬底的其余部分和所述aln基板上生长aln成核层，生长时间为10min～30min。
在本发明的一个实施例中，在所述aln成核层上生长混合极性gan缓冲层，包括：
在900℃～1100℃的温度，30torr～50torr的压强下，采用低压mocvd工艺，以三甲基镓作为ga源，以氨气作为n源，在所述aln成核层上生长混合极性gan缓冲层，生长时间为50min～70min。
在本发明的一个实施例中，在所述插入层上生长混合极性algan势垒层，包括：
在900℃～1100℃的温度，30torr～50torr的压强下，采用低压mocvd工艺，以三甲基镓作为ga源，三甲基铝作为al源，以氨气作为n源，在所述插入层上生长混合极性algan势垒层，生长时间为1min～5min。
在本发明的一个实施例中，所述混合极性algan势垒层中al的组份为20％～60％。
在本发明的一个实施例中，所述混合极性algan势垒层的厚度为6nm～30nm。
本发明的另一个实施例提供了一种基于溅射aln基板的混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管，所述混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管由上述实施例中任一所述的方法制备形成；
所述混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管包括：衬底、aln基板、aln成核层、混合极性gan缓冲层、插入层、混合极性algan势垒层、源极、漏极、栅极；
所述aln基板位于所述衬底的预设部分上；
所述aln成核层位于所述衬底的其余部分和所述aln基板上；
所述混合极性algan势垒层、所述插入层、所述混合极性gan缓冲层自上而下依次位于所述aln成核层上；
所述源极、所述漏极相对设置于衬底的其余部分对应的所述混合极性gan缓冲层上；所述栅极设置于所述aln基板对应的所述混合极性algan势垒层上。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明利用“磁控溅射aln基板和mocvd生长aln成核层”以及“单纯mocvd生长aln成核层”上生长gan材料极性反转的临界氨气/三甲基镓摩尔流量比的差异，实现单片衬底上混合极性algan/gan异质结构的生长，避免了二次外延以及刻蚀等步骤，有效提升了工艺稳定性和可重复性，进而在混合极性algan/gan异质结构上制备高电子迁移率晶体管，源极、漏极对应n面材料，栅极对应ga面材料，有效利用n面材料欧姆接触电阻小的优势，同时能够减小栅极下方材料漏电，大幅度提升器件性能；
2.本发明生长的混合极性材料均位于aln成核层上，材料质量较直接在蓝宝石上生长的材料具有明显提升；
3.本发明在混合极性gan材料的基础上，进一步实现混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管的制备，具有更加实际的应用价值；
4.本发明采用的磁控溅射以及mocvd工艺比mbe工艺在氮化物外延中更为常用，工艺更加成熟稳定，且易于实现大尺寸外延工艺，具有更强的商业化应用潜力。
附图说明
图1为现有技术提供的一种制备混合极性gan材料的方法；
图2为本发明实施例提供的一种基于溅射aln基板的混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管的制备方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于溅射aln基板的混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管的截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一：
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基于溅射aln基板的混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管的制备方法的流程示意图。
本发明实施例提供了一种基于溅射aln基板的混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：在衬底的预设部分溅射生长aln基板。
在本发明实施例中，衬底选用c面蓝宝石衬底，依次采用无水乙醇、丙酮、乙二醇、去离子水对蓝宝石衬底进行超声清洗，清洗时间分别为2min。
需要说明的是，任何可以替代蓝宝石衬底的材料，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，一般情况下，预设部分位于衬底的中间；但是实际应用中，预设部分可以根据具体的器件要求进行设置，本发明在此不作限定。
进一步地，采用磁控溅射工艺，利用掩膜版在蓝宝石衬底的预设部分溅射aln基板。
具体地，将制备好的掩膜版覆盖在洁净的蓝宝石衬底表面，将蓝宝石衬底放入磁控溅射反应腔内，溅射功率为0.2kw，溅射气体选用氮气和氩气的混合气体，氮气同时充当反应气体；靶材选用纯度为5n的高纯金属al靶，al靶材接入交变的电场，利用等离子体轰击al靶材，溅射过程中保持蓝宝石衬底电压为-30v～-60v，溅射时间为10min，溅射温度为650℃，在蓝宝石衬底的预设部分溅射aln基板；对应的aln基板的厚度为20nm～40nm。
在一个具体实施例中，氮气和氩气的混合比例为2：2。
在一个具体实施例中，磁控溅射工艺为反应式磁控溅射。
在溅射生长aln基板后，采用mocvd工艺，对带有aln基板的蓝宝石衬底进行高温氮化处理。
具体地，将带有aln基板的蓝宝石衬底放置在石墨基座上方，保证衬底正常漂浮，然后将石墨基座放置入mocvd反应室内，保证石墨基座能够正常自传和公转。最后，通过射频源对石墨基座进行加热，使7min内石墨基座的温度升高至920℃，也就是反应温度为920℃，并保持该温度5min，对蓝宝石衬底进行高温氮化处理。
高温氮化过程不仅可以消除蓝宝石衬底表面附着悬挂键等不利因素，同时能够将蓝宝石衬底表面的al原子进行氮化形成aln预反应层，为后续反应提供良好的基板。
步骤2：在所述衬底的其余部分和所述aln基板上生长aln成核层。
进一步地，采用低压mocvd工艺，在蓝宝石衬底的其余部分以及aln基板上生长aln成核层。
具体地，控制石墨基座的温度使其逐渐升高至1070℃，以氢气为载气，带入三甲基铝作为al源，同时通入氨气作为n源，并保持反应室内压强为40torr的动态平衡，然后在蓝宝石衬底以及aln基板上生长aln成核层。其中，氢气流量为720sccm～880sccm，氨气流量为5400sccm～6600sccm，三甲基铝流量为10sccm～14sccm；其中，aln成核层的生长时间为20min，厚度为100nm。
在一个具体实施例中，氨气/三甲基铝摩尔流量比为5000。
优选地，氢气流量为800sccm；氨气流量为6000sccm；三甲基铝流量为12sccm。
步骤3：在所述aln成核层上生长混合极性gan缓冲层。
进一步地，采用低压mocvd工艺，在aln成核层上生长混合极性gan缓冲层。
具体地，控制石墨基座的温度使其逐渐降低至1000℃，以氢气为载气，带入三甲基镓作为ga源，同时通入氨气作为n源，并保持反应室内压强为40torr的动态平衡，在aln成核层上生长混合极性gan缓冲层。其中，氢气流量为720sccm～880sccmsccm，氨气流量为1800sccm～2200sccm，三甲基镓流量为90sccm～110sccm；其中，混合极性gan缓冲层的生长时间为60min，厚度为1500nm。
在一个具体实施例中，氨气/三甲基镓摩尔流量比为2000。
优选地，氢气流量为800sccm；氨气流量为2000sccm；三甲基镓流量为100sccm；
进一步地，混合极性gan缓冲层包括n极性面gan缓冲层和ga极性面gan缓冲层，n极性面gan缓冲层位于衬底的其余部分对应的aln成核层上；ga极性面gan缓冲层位于aln基板对应的aln成核层上。
需要说明的是，材料在mocvd工艺生长中，随着氨气/三甲基镓摩尔流量比的增大，材料生长会从ga极性面转换成n极性面。在溅射aln基板和低压mocvd工艺生长aln成核层上生长gan缓冲层时，材料极性从ga极性面反转至n极性面的临界条件是氨气/三甲基镓摩尔流量比为3000，而在低压mocvd工艺生长aln成核层上生长gan缓冲层时，材料极性从ga极性面反转为n极性面的临界条件是氨气/三甲基镓摩尔流量比为1000，因此，当选用的氨气/三甲基镓摩尔流量比位于1000和3000之间时，在磁控溅射aln基板和低压mocvd工艺生长aln成核层上生长的gan缓冲层为ga极性面，而在低压mocvd工艺生长的aln成核层上生长的gan材料为n极性面。
步骤4：在所述混合极性gan缓冲层上生长插入层。
进一步地，利用低压mocvd工艺，在混合极性gan缓冲层上生长aln插入层。
具体地，控制石墨基座的温度使其稳定在1000℃，以氢气为载气，带入三甲基铝作为al源，同时通入氨气作为n源，并保持反应室内压强为40torr的动态平衡，在混合极性gan缓冲层上生长aln插入层。其中，氢气流量为800sccm，氨气流量为400sccm，三甲基铝流量为5sccm。
其中，aln插入层的生长时间为20s，厚度为2nm。
aln插入层对于抑制势垒层的合金无序散射，提升沟道内二维电子气的迁移率具有重要意义。
步骤5：在所述插入层上生长混合极性algan势垒层。
进一步地，利用低压mocvd工艺，在aln插入层上生长混合极性algan势垒层。
具体地，控制石墨基座的温度使其逐渐升高至1020℃，以氢气为载气，带入三甲基镓、三甲基铝作为ga源和al源，同时通入氨气作为n源，并保持反应室内压强为40torr的动态平衡，在aln插入层上生长混合极性algan势垒层。其中，三甲基镓流量为80sccm，三甲基铝流量为15sccm，氨气流量为2000sccm；其中，混合极性algan势垒层的生长时间为1～5min，厚度为6nm～30nm。
在一个具体实施例中，混合极性algan势垒层中al组份为20％～60％。
当混合极性algan势垒层中al组份为20％，生长时间为5min时，得到的混合极性algan势垒层的厚度为30nm；当混合极性algan势垒层中al组份为40％，生长时间为3min时，得到的混合极性algan势垒层的厚度为18nm；当混合极性algan势垒层中al组份为60％，生长时间为1min时，得到的混合极性algan势垒层的厚度为6nm。
需要说明的是，混合极性algan势垒层的组份变化会对异质结构的电学输运特性产生明显的影响。具体体现在，一：当al组份越高时，沟道层的极化强度越大，沟道内的二维电子气浓度越高；二：随着al组份的提高，沟道内二维电子气的迁移率呈现出先上升后下降的变化趋势。因此，对于不同领域的应用，异质结构势垒层al组份的最优值存在差异。可以根据具体情况进行不同设计，本发明在此不作限定。
需要说明的是，在n极性面gan缓冲层对应的插入层上生长的是n极性面的algan势垒层，在ga极性面gan缓冲层对应的插入层上生长的是ga极性面的algan势垒层。
步骤6：在所述衬底的其余部分对应的所述混合极性algan势垒层上蒸发欧姆金属，退火，然后在所述衬底的其余部分对应的所述混合极性gan缓冲层上形成源极和漏极，同时在所述aln基板对应的所述混合极性algan势垒层上制备栅极，最终完成混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管的制备。
步骤6包括以下步骤：
步骤61：在所述衬底的其余部分对应的所述混合极性algan势垒层上蒸发欧姆金属，退火，然后在所述衬底的其余部分对应的所述混合极性gan缓冲层上形成源极和漏极。
具体地，在衬底的其余部分对应的所述混合极性algan势垒层，也就是n极性面algan势垒层上光刻源电极区域和漏电极区域。然后，在源电极区域和漏电极区域内的势垒层上以及源电极区域和漏电极区域外的光刻胶上蒸发欧姆金属作为源极和漏极。该欧姆金属是自下而上依次由ti、al、ni、au四层金属组成的金属堆栈结构，厚度为
步骤62：制备有源区的电学隔离。
采用涂胶、烘胶、曝光、显影、剥离工艺在混合极性algan势垒层上光刻电隔离区域，并对样品进行超纯水冲洗和氮气吹干，并将样品放在110℃的热板上烘烤2min。利用icp(感应耦合等离子体刻蚀)工艺依次刻蚀电隔离区域的混合极性algan势垒层、插入层和混合极性gan缓冲层，以实现有源区的台面隔离，其总的刻蚀深度为500nm；随后将样品依次放入丙酮溶液、乙醇溶液中进行清洗，以移除电隔离区域外的光刻胶，再用超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
需要说明的是，有源区指的是电学隔离刻蚀槽内部的器件区域。
需要说明的是，由于实际实验中，一个蓝宝石衬底上会形成多个晶体管，为了使晶体管之间互不干扰，需要通过电隔离区将其隔离。
步骤63：在所述aln基板对应的所述混合极性algan势垒层上制备栅极，最终完成混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管的制备。
采用涂胶、烘胶、曝光、显影、剥离工艺在aln基板对应的混合极性algan势垒层，也就是ga面algan势垒层上光刻栅极区域，并对样品进行超纯水冲洗和氮气吹干。在栅极区域内的ga面algan势垒层上以及栅极区域外的光刻胶上蒸发肖特基金属作为栅极；该肖特基金属是由下向上依次是ni和au两层金属组成的金属堆栈结构，厚度为
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种基于aln基板的混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管的截面结构示意图。本发明实施例还提供了一种基于溅射aln基板的混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管，包括：衬底1、aln基板2、aln成核层3、混合极性gan缓冲层4、插入层5、混合极性algan势垒层6、源极7、漏极8、栅极9；
aln基板2位于衬底1的预设部分上；
aln成核层3位于衬底1的其余部分和aln基板2上；
混合极性algan势垒层6、插入层5、混合极性gan缓冲层4自上而下依次位于aln成核层上；
源极7、漏极8相对设置于衬底1的其余部分对应的混合极性gan缓冲层4上；栅极9设置于aln基板2对应的混合极性algan势垒层6上。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明利用“磁控溅射aln基板和mocvd生长aln成核层”以及“单纯mocvd生长aln成核层”上生长gan材料极性反转的临界氨气/三甲基镓摩尔流量比的差异，实现单片衬底上混合极性algan/gan异质结构的生长，避免了二次外延以及刻蚀等步骤，有效提升了工艺稳定性和可重复性，进而在混合极性algan/gan异质结构上制备高电子迁移率晶体管，源极、漏极对应n面材料，栅极对应ga面材料，有效利用n面材料欧姆接触电阻小的优势，同时能够减小栅极下方材料漏电，大幅度提升器件性能；
2.本发明生长的混合极性材料均位于aln成核层上，材料质量较直接在蓝宝石上生长的材料具有明显提升；
3.本发明在混合极性gan材料的基础上，进一步实现混合极性algan/gan高电子迁移率晶体管的制备，具有更加实际的应用价值；
4.本发明采用的磁控溅射以及mocvd工艺比mbe工艺在氮化物外延中更为常用，工艺更加成熟稳定，且易于实现大尺寸外延工艺，具有更强的商业化应用潜力。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
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