分子束外延生长蓝宝石基AlGaN/GaN异质结结构的方法与流程

本发明涉及一种分子束外延生长蓝宝石基algan/gan异质结结构的方法，属于半导体材料技术领域。

背景技术：

ⅲ族氮化物半导体材料主要是指inn、gan、aln及其组成的三元、四元合金材料。第三代半导体材料，相对于第一代半导体材料si、ge材料体系和第二代半导体algaas材料体系，具有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好、耐化学腐蚀等优良的性质(文献1：王党会.ⅲ族氮化物半导体外延层薄膜的生长与表征研究[d].西安电子科技大学,2012)。gan/algan异质结结构由于自发极化与压电极化影响会在gan与algan表面形成二维电子气，从而体现优异的载流子输运特性，可以应用于高电子迁移率晶体管，起到优异的开关性能和频谱特性。相比于已经产业化的成熟的金属有机化学气相沉积外延gan/algan异质结结构而言，分子束外延由于外延生长速率慢真空度要求高，外延生长操作复杂只适用于实验室研究，但是mbe外延生长温度低、生长速率慢等特点，使得外延厚度、掺杂量和组分可以做到精确控制，尤其是生长超薄aln插入层非常有利。超薄aln插入层有利于提高algan势垒层和gan沟道层有效导带带阶，加深势阱和提高二维电子气限域性(文献2：李诚瞻.aln插入层与algan/ganhemt电流崩塌效应的关系[j].半导体学报.2006.27(6):1055-1058)。低温情况下，根据二维简并统计的动量驰豫模型(文献3：dziuba.magneticfielddependenthalldataanalysisofelectrontransportinmodulation-dopedalgan/ganheterostructures[j].journalofappliedphysics,1997,82(6):2996-3002)，异质结载流子浓度主要有二维电子气提供，40k以内表征载流子输运特性的迁移率几乎不随温度变化而变化，迁移率主要由声学波散射、压电散射、合金无序散射、界面粗糙度散射等表征异质结外延特性的散射机制构成。

综上所述，在已有的国内外文献和专利中，很少有使用mbe外延优化具有aln插入层的蓝宝石基alxga(1-x)n/aln/gan异质结结构低温输运特性案例报道。因此，使用mbe外延优化具有aln插入层的蓝宝石基alxga(1-x)n/aln/gan异质结结构低温输运特性具有重要的技术价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种分子束外延生长蓝宝石基algan/gan异质结结构的方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种分子束外延生长蓝宝石基algan/gan异质结结构的方法，包括以下步骤：

1)在衬底背面蒸镀一层ti，对衬底进行预处理；

2)使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在衬底上同质外延一层gan外延层；

3)使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在gan外延层上外延厚度渐变的aln插入层，厚度为1.19-3.57nm；

4)使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在aln插入层上外延一层alxga(1-x)n层；

5)使用分子束外延技术，通过控制生长参数，在alxga(1-x)n层上外延一层gan盖帽层；

6)除掉样品表面mbe(分子束外延)外延生长的ga球；

7)使用减薄抛光技术，去除掉衬底预处理生长的ti。

优选的，步骤3)中，外延aln插入层的生长参数是：生长温度为820-850℃，al源束流流量为6×10^-8torr，氮气的流量为0.6-0.8sccm，等离子发生器的射频功率为420-470w，生长时间由20s变化到1min。

优选的，步骤2)中gan外延层生长参数是：生长温度为820-850℃，ga源束流流量为5.63×10^-8torr，氮气的流量为0.6-0.8sccm，等离子发生器的射频功率为420-470w，生长时间是3h，gan外延层的厚度为610nm。

优选的，步骤4)中，外延alxga(1-x)n薄膜的生长参数为：生长温度为820-850℃，ga源束流流量为5.63×10^-8torr，al源束流流量为6×10^-8torr，氮气的流量为0.6-0.8sccm，等离子发生器的射频功率为420-470w，生长时间为7min，alxga(1-x)n薄膜的al组分x为0.2421，厚度为20.2nm。

优选的，步骤5)中，外延gan盖帽层生长参数是：生长温度为820-850℃，ga源束流流量为5.63×10^-8torr，氮气的流量为0.6-0.8sccm，等离子发生器的射频功率为420-470w，生长时间是1min，gan盖帽层厚度为6.13nm。

优选的，步骤6)中，依次使用丙酮、酒精和去离子水超声处理去除ga球。

优选的，步骤1)中ti厚度为1.3um，对衬底的预处理为依次使用丙酮、乙醇和去离子水对衬底进行超声清洗。

优选的，步骤7)中，使用减薄机减薄衬底背面20um可以保证去掉衬底预处理的ti，使用抛光机抛光样品，使样品恢复衬底光滑透明状态。

优选的，步骤8)中，在样品表面涂布一层光刻胶，使用光刻机根据掩膜图进行光刻并反转曝光处理，使用pvd蒸镀霍尔测试电极30nmti、150nmal、50nmni和100nmau，使用rta进行850℃、30s、10sccm氮气的快速热退火，使金属与样品表面达到欧姆接触，在样品表面形成6个电极，6个电极为轴对称，对称轴包括样品的横切线和纵剖线，电极间接触电阻小于10^-10ω，使用icp技术刻蚀gan完成台面隔离，其中icp刻蚀条件为43.2sccm氯气和10.8sccm的三氯化硼，前置功率为20w，后置功率为60w，气压为10mtorr，刻蚀时间为510s，通过台面仪得到刻蚀深度为210nm，通过电焊机用银线将测试电极与封装外壳引脚相连，封装完成后的样品放入montanainstruments,cryostation霍尔测试仪中进行低温10k至300k霍尔测试，并用测试数据中的迁移率随温度变化表征样品载流子低温输入特性。

本发明采用分子束外延技术改变在蓝宝石基alxga(1-x)n/aln/gan异质结结构中aln插入层的厚度，优化具有aln插入层的蓝宝石基alxga(1-x)n/aln/gan异质结结构低温输运特性的方法。本发明提供了mbe外延样品表面ga球处理的方法和背面因衬底预处理的ti处理方法，通过表面丙酮、酒精和去离子水超声处理掉表面的ga球以及背面减薄抛光的方法处理掉ti，物理处理方法简单易行且不会额外引入杂质。本发明还提供了采用六电极低温霍尔测试工艺的步骤，是标准微电子封装工艺在本发明外延片表面的新型应用，其中按照轴对称、轴对称，对称轴包括样品测试区域的横切线和纵剖线有利于得到科学合理的霍尔测试数据的光刻图案，以及异质结外延片上保证台面隔离的较优刻蚀厚度都是针对本发明外延片创新提出的。目前专利和文献很少涉及关于使用分子束外延技术生长优化具有aln插入层的蓝宝石基alxga(1-x)n/aln/gan异质结结构低温输运特性的报道。

附图说明

图1是本发明所述的一种使用分子束外延技术生长具有aln插入层的alxga(1-x)n/aln/gan异质结结构的外延结构示意图。

图2是实施例1样品的截面tem图像，放大倍数是28500倍。

图3是实施例1样品的截面tem图像，放大倍数是2550000倍。

图4是实施例1样品的截面hrtem图像。

图5是本发明所述的低温霍尔六电极测试法欧姆接触掩膜版示意图。

图6是本发明所述的低温霍尔六电极测试法台面隔离掩膜版示意图。

图7是实施例1样品的x射线衍射仪ω-2θ测试结果示意图。

图8是对比4个实施例样品低温霍尔迁移率曲线示意图，10k至300k迁移率随温度变化曲线用来表征载流子低温输运特性。

具体实施方式

以下是结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

选择蓝宝石基gan衬底，其直径约为50.8mm，厚度约为430μm，位错密度小于5×10⁶cm^-2，表面粗糙度小于0.6nm。如图1所示，使用物理气相沉积(pvd)的方法在衬底1的背面蒸镀1-1.5μm厚的金属钛(ti)。然后，依次使用丙酮、乙醇和去离子水对衬底1进行超声清洗。清洗过后使用氮气将衬底1的表面吹干。将吹干的衬底放入mbe设备的除气腔室内，对衬底1进行表面除气处理至少30min并调试好氮气流量。

待氮气流量调试确定好之后，设计并运行程序，开始生长本发明所述的结构。首先，同质外延生长如图1所示的gan外延层2，衬底温度为820-850℃，等离子发生器的功率为420-470w，ga源挡板保持打开状态，ga源束流流量为5.63×10^-8torr，al源挡板保持关闭状态，氮气的流量保持为0.6-0.8sccm，gan层生长时间为3h，通过tem图像测量得到gan外延层的厚度为610nm，如图2所示。接下来生长如图1所示的aln插入层3，关闭ga源，ga源挡板关闭所需的持续时间设置为5s，打开al源，温度保持在820-850℃，等离子发生器的功率为420-470w，al源束流流量为6.0×10^-8torr，氮气的流量保持为0.6-0.8sccm，aln层生长时间为20s，通过tem图像测量得到aln外延层的厚度为1.19nm，如图3所示；并且通过hrtem图像标注出aln插入层，大约为1个原子层厚度，如图4所示。然后生长如图1所示alxga(1-x)n外延层4，温度保持在820-580℃，等离子发生器的功率为420-470w，打开ga源，并且保持al源打开状态，ga源束流流量为5.63×10^-8torr，al源束流流量为6.0×10^-8torr，氮气的流量保持为0.6-0.8sccm，alxga(1-x)n层生长时间为7min，通过tem图像测量得到alxga(1-x)n薄膜的厚度为20.2nm，如图4所示，alxga(1-x)n层中al组分x为0.2421，最后生长gan盖帽层5，温度保持在820-850℃，等离子发生器的功率为420-470w，关闭al源，al源挡板关闭所需的持续时间设置为5s，保持ga源打开状态，ga源束流流量为5.63×10^-8torr，gan外延层生长时间为1min，通过tem图像测量得到gan外延层为6.13nm，如图3所示。

样品外延结束后取出样品并依次使用丙酮、乙醇和去离子水对样品1进行超声清洗以去除表面附着的ga球，清洗过后使用氮气将样品1的表面吹干，将吹干的样品1使用减薄机进行背面减薄20um已去掉背面ti，减薄后的样品1使用抛光机对背面进行抛光处理，依次使用稀盐酸(37％浓盐酸与去离子水1:1等体积混合混合)、丙酮、乙醇和去离子水对样品1进行超声清洗对背面抛光后的样品1进行清洗以去除表面因减薄及抛光处理引入的无机和有机污染物和氧化层，清洗过后使用氮气将样品1的表面吹干，然后金刚笔在吹干后的样品中央区域分别手动切除1cm*1cm大小的测试样例1，测试样例2和测试样例3。其中测试样例1将通过霍尔测试仪测试样品载流子低温运输特性，测试样例2将通过xrd测试alxga(1-x)n的al组分，测试样例3将通过tem测量样品1外延情况，如上文所述每层结构的厚度。低温霍尔运输特性测试需要使用将测试样例1表面蒸镀6电极法后进行测试，具体方法如下：将测试样例1使用光刻胶az5214进行匀胶处理，然后用如图5所示掩膜版图样使用光刻机进行光刻并反转曝光处理，光刻完成后使用pvd依次在测试样例1上蒸镀霍尔测试电极30nmti、150nmal、50nmni和100nmau，将蒸镀好金属的测试样例1放入丙酮静置5min进行金属剥离，剥离过后依次放入乙醇和去离子水将样例1的表面静置5min进行清洗，清洗过后使用氮气将测试样例1的表面吹干，将吹干的样品使用rta进行850℃、30s、10sccm氮气的快速热退火，使金属与测试样例1表面达到欧姆接触，其中电极间接触电阻小于10^-10ω，将退火后的测试样例1使用光刻胶az5214进行匀胶处理，然后用如图6所示掩膜版图样使用光刻机进行光刻并反转曝光处理，光刻完成后使用icp进行刻蚀处理进行台面隔离，icp刻蚀条件为43.2sccm氯气和10.8sccm的三氯化硼，前置功率为20w，后置功率为60w，气压为10mtorr，刻蚀时间为510s，通过台面仪得到刻蚀深度为210nm，将刻蚀完成的测试样例1分别使用丙酮、乙醇和去离子水对进行超声清洁处理以去除表面残留光刻胶，清洗过后使用氮气将测试样例1的表面吹干，吹干后的样品粘在封装外壳中，并通过电焊机用银线将测试电极与封装外壳引脚相连，最后将封装后的测试样例1放入montanainstruments,cryostation霍尔测试仪中进行低温10k至300k霍尔测试。

实施例2

选择蓝宝石基gan衬底，其直径约为50.8mm，厚度约为430μm，位错密度小于5×10⁶cm^-2，表面粗糙度小于0.6nm。如图1所示，使用物理气相沉积(pvd)的方法在衬底1的背面蒸镀1-1.5μm厚的金属钛(ti)。然后，依次使用丙酮、乙醇和去离子水对衬底1进行超声清洗。清洗过后使用氮气将衬底1的表面吹干。将吹干的衬底放入mbe设备的除气腔室内，对衬底1进行表面除气处理至少30min并调试好氮气流量。

待氮气流量调试确定好之后，设计并运行程序，开始生长本发明所述的结构。首先，同质外延生长如图1所示的gan外延层2，衬底温度为820-850℃，等离子发生器的功率为420-470w，ga源挡板保持打开状态，ga源束流流量为5.63×10^-8torr，al源挡板保持关闭状态，氮气的流量保持为0.6-0.8sccm，gan层生长时间为3h，根据实施例1推断gan外延层的厚度为610nm。接下来生长如图1所示的aln插入层，关闭ga源，ga源挡板关闭所需的持续时间设置为5s，打开al源，温度保持在820-850℃，等离子发生器的功率为420-470w，al源束流流量为6.0×10^-8torr，氮气的流量保持为0.6-0.8sccm，aln层生长时间为30s，根据实施例1推断aln外延层的厚度为1.785nm。然后生长如图1所示alxga(1-x)n外延层，温度保持在820-850℃，等离子发生器的功率为420-470w，打开ga源，并且保持al源打开状态，ga源束流流量为5.63×10^-8torr，al源束流流量为6.0×10^-8torr，氮气的流量保持为0.6-0.8sccm，alxga(1-x)n层生长时间为7min，根据实施例1推断alxga(1-x)n薄膜的厚度为20.2nm，并且根据实施样例1推断alxga(1-x)n层中al组分x为0.2421，最后生长gan盖帽层，温度保持在820-850℃，等离子发生器的功率为420-470w，关闭al源，al源挡板关闭所需的持续时间设置为5s，保持ga源打开状态，ga源束流流量为5.63×10^-8torr，gan外延层生长时间为1min，根据实施例1推断gan外延层为6.13nm。

样品外延结束后取出样品并依次使用丙酮、乙醇和去离子水对样品2进行超声清洗以去除表面附着的ga球，清洗过后使用氮气将样品2的表面吹干，将吹干的样品2使用减薄机进行背面减薄20um已去掉背面ti，减薄后的样品2使用抛光机对背面进行抛光处理，依次使用稀盐酸(37％浓盐酸与去离子水1:1等体积混合混合)、丙酮、乙醇和去离子水对样品2进行超声清洗对背面抛光后的样品2进行清洗以去除表面因减薄及抛光处理引入的无机和有机污染物和氧化层，清洗过后使用氮气将样品2的表面吹干，然后金刚笔在吹干后的样品中央区域分别手动切除1cm*1cm大小的测试样例1将通过霍尔测试仪测试样品载流子低温运输特性。低温霍尔运输特性测试需要使用将测试样例1表面蒸镀6电极法后进行测试，具体方法与实施例1中测试样例1一致。

实施例3

选择蓝宝石基gan衬底，其直径约为50.8mm，厚度约为430μm，位错密度小于5×10⁶cm^-2，表面粗糙度小于0.6nm。如图1所示，使用物理气相沉积(pvd)的方法在衬底1的背面蒸镀1-1.5μm厚的金属钛(ti)。然后，依次使用丙酮、乙醇和去离子水对衬底1进行超声清洗。清洗过后使用氮气将衬底1的表面吹干。将吹干的衬底放入mbe设备的除气腔室内，对衬底1进行表面除气处理至少30min并调试好氮气流量。

待氮气流量调试确定好之后，设计并运行程序，开始生长本发明所述的结构。首先，同质外延生长如图1所示的gan外延层2，衬底温度为820-850℃，等离子发生器的功率为420-470w，ga源挡板保持打开状态，ga源束流流量为5.63×10^-8torr，al源挡板保持关闭状态，氮气的流量保持为0.6-0.8sccm，gan层生长时间为3h，根据实施例1推断gan外延层的厚度为610nm。接下来生长如图1所示的aln插入层，关闭ga源，ga源挡板关闭所需的持续时间设置为5s，打开al源，温度保持在820-850℃，等离子发生器的功率为420-470w，al源束流流量为6.0×10^-8torr，氮气的流量保持为0.6-0.8sccm，aln层生长时间为40s，根据实施例1推断aln外延层的厚度为2.38nm。然后生长如图1所示alxga(1-x)n外延层，温度保持在820-850℃，等离子发生器的功率为420-470w，打开ga源，并且保持al源打开状态，ga源束流流量为5.63×10^-8torr，al源束流流量为6.0×10^-8torr，氮气的流量保持为0.6-0.8sccm，alxga(1-x)n层生长时间为7min，根据实施例1推断alxga(1-x)n薄膜的厚度为20.2nm，并且根据实施样例1推断alxga(1-x)n层中al组分x为0.2421，最后生长gan盖帽层，温度保持在820-850℃，等离子发生器的功率为420-470w，关闭al源，al源挡板关闭所需的持续时间设置为5s，保持ga源打开状态，ga源束流流量为5.63×10^-8torr，gan外延层生长时间为1min，根据实施例1推断gan外延层为6.13nm。

样品外延结束后取出样品并依次使用丙酮、乙醇和去离子水对样品3进行超声清洗以去除表面附着的ga球，清洗过后使用氮气将样品3的表面吹干，将吹干的样品3使用减薄机进行背面减薄20um已去掉背面ti，减薄后的样品3使用抛光机对背面进行抛光处理，依次使用稀盐酸(37％浓盐酸与去离子水1:1等体积混合混合)、丙酮、乙醇和去离子水对样品3进行清洗以去除表面因减薄及抛光处理引入的无机和有机污染物和氧化层，清洗过后使用氮气将样品3的表面吹干，然后金刚笔在吹干后的样品中央区域分别手动切除1cm*1cm大小的测试样例1将通过霍尔测试仪测试样品载流子低温运输特性。低温霍尔运输特性测试需要使用将测试样例1表面蒸镀6电极法后进行测试，具体方法与实施例1中测试样例1一致。

实施例4

选择蓝宝石基gan衬底，其直径约为50.8mm，厚度约为430μm，位错密度小于5×10⁶cm^-2，表面粗糙度小于0.6nm。如图1所示，使用物理气相沉积(pvd)的方法在衬底1的背面蒸镀1-1.5μm厚的金属钛(ti)。然后，依次使用丙酮、乙醇和去离子水对衬底1进行超声清洗。清洗过后使用氮气将衬底1的表面吹干。将吹干的衬底放入mbe设备的除气腔室内，对衬底1进行表面除气处理至少30min并调试好氮气流量。

待氮气流量调试确定好之后，设计并运行程序，开始生长本发明所述的结构。首先，同质外延生长如图1所示的gan外延层2，衬底温度为820-850℃，等离子发生器的功率为420-470w，ga源挡板保持打开状态，ga源束流流量为5.63×10^-8torr，al源挡板保持关闭状态，氮气的流量保持为0.6-0.8sccm，gan层生长时间为3h，根据实施例1推断gan外延层的厚度为610nm。接下来生长如图1所示的aln插入层，关闭ga源，ga源挡板关闭所需的持续时间设置为5s，打开al源，温度保持在820-850℃，等离子发生器的功率为420-470w，al源束流流量为6.0×10^-8torr，氮气的流量保持为0.6-0.8sccm，aln层生长时间为60s，根据实施例1推断aln外延层的厚度为3.57nm。然后生长如图1所示alxga(1-x)n外延层，温度保持在820-850℃，等离子发生器的功率为420-470w，打开ga源，并且保持al源打开状态，ga源束流流量为5.63×10^-8torr，al源束流流量为6.0×10^-8torr，氮气的流量保持为0.6-0.8sccm，alxga(1-x)n层生长时间为7min，根据实施例1推断alxga(1-x)n薄膜的厚度为20.2nm，并且根据测试样例1推断alxga(1-x)n层中al组分x为0.2421，最后生长gan盖帽层，温度保持在820-850℃，等离子发生器的功率为420-470w，关闭al源，al源挡板关闭所需的持续时间设置为5s，保持ga源打开状态，ga源束流流量为5.63×10^-8torr，gan外延层生长时间为1min，根据实施例1推断gan外延层为6.13nm。

样品外延结束后取出样品并依次使用丙酮、乙醇和去离子水对样品3进行超声清洗以去除表面附着的ga球，清洗过后使用氮气将样品4的表面吹干，将吹干的样品4使用减薄机进行背面减薄20um已去掉背面ti，减薄后的样品4使用抛光机对背面进行抛光处理，依次使用稀盐酸(37％浓盐酸与去离子水1:1等体积混合混合)、丙酮、乙醇和去离子水对样品4进行超声清洗对背面抛光后的样品4进行清洗以去除表面因减薄及抛光处理引入的无机和有机污染物和氧化层，清洗过后使用氮气将样品4的表面吹干，然后金刚笔在吹干后的样品中央区域分别手动切除1cm*1cm大小的测试样例1将通过霍尔测试仪测试样品载流子低温运输特性。低温霍尔运输特性测试需要使用将测试样例1表面蒸镀6电极法后进行测试，具体方法与实施例1中测试样例1一致。

对通过以上方法获得的样品进行测试。如图7所示，对样品的x射线衍射仪ω-2θ测试结果进行分析，alxga(1-x)n晶格常数a为0.315nm，c为0.516nm，考虑到合金材料中禁带宽度非线性关系运用vegard定律计算得到al组分x为0.2421。如图8所示4组实施例样品从低温10k到常温300k测试结果可以知道，40k以内4组实施例样品迁移率稳定，40k到300k区间内4组实施例样品迁移率随温度升高而降低，其中40k以内，实施例1迁移率为3836cm²/vs，实施例2迁移率为3696cm²/vs，实施例3迁移率为3241cm²/vs，实施例4迁移率为3039cm²/vs；常温300k时，实施例1迁移率为850cm²/vs，实施例2迁移率为774cm²/vs，实施例3迁移率为731cm²/vs，实施例4迁移率为694cm²/vs。通过低温霍尔测试结果，可以得出从低温10k到常温300k4组实施例样品载流子运输特性排序如下：实施例1>实施例2>实施例3>实施例4，随着插入层厚度从1.19nm到3.57nm，样品载流子特性下降，即当aln插入层为1个原子层厚度时，分子束外延得到alxga(1-x)n/aln/gan异质结载流子运输特性最佳，超过1个原子层厚度的aln插入层会减弱aln插入层对于alxga(1-x)n/gan异质结中二维电子气低温输运特性的优化。

上述实施例为本发明较好的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。