提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片及制备方法与流程

1.本公开涉及到了半导体器件技术领域，特别涉及到一种提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片及制备方法。


背景技术：

2.hemt(high electron mobility transistor，高电子迁移率晶体管)是一种异质结场效应晶体管，其广泛应用于各种电器内。hemt外延片是制备hemt器件的基础，hemt外延片包括衬底与依次层叠在衬底上的aln层、algan缓冲层、gan高阻层、gan沟道层、algan势垒层与gan盖帽层。
3.hemt外延片常使用硅衬底作为基底进行生长，但硅衬底与氮化镓材料之间存在较大的晶格失配，即使在硅衬底与氮化镓材料之间增加aln层以及algan缓冲层来起到缓解晶格失配的作用，在algan缓冲层上生长得到的gan高阻层等氮化镓材料的质量；若以较低的生长速率来生长氮化镓材料以达到提高gan高阻层等氮化镓材料的质量的目的，hemt外延片的生长效率则不够理想。


技术实现要素：

4.本公开实施例提供了一种提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片及制备方法，可以提高gan高阻层的质量的同时提高高电子迁移率晶体管外延片的制备效率。所述技术方案如下：
5.本公开实施例提供了一种高电子迁移率晶体管外延片，所述提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片包括硅衬底以及依次层叠在所述硅衬底上的降低成核功复合层、algan缓冲层、gan高阻层、gan沟道层、algan势垒层及gan盖帽层，所述降低成核功复合层包括依次层叠的ni子层与ni-aln合金子层。
6.可选地，所述ni-aln合金子层的厚度为50nm～260nm。
7.可选地，所述ni子层的厚度为1～3nm。
8.可选地，所述降低成核功复合层的厚度为50～260nm。
9.本公开实施例提供了一种提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片制备方法，所述提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片制备方法包括：
10.提供一硅衬底；
11.在所述硅衬底上依次生长降低成核功复合层、algan缓冲层、gan高阻层、gan沟道层、algan势垒层及gan盖帽层，所述降低成核功复合层包括依次层叠的ni子层与ni-aln合金子层。
12.可选地，所述在所述硅衬底上生长降低成核功复合层，包括：
13.在所述硅衬底上沉积2～10nm的ni膜层；
14.在所述ni膜层上生长50～200nm的aln膜层；
15.在温度为1100～1200℃的条件下对所述ni膜层与所述aln膜层进行退火以使所述
ni膜层中的ni渗入aln膜层中形成ni-aln合金子层，并在所述硅衬底上得到依次层叠的ni子层与ni-aln合金子层。
16.可选地，在温度为1100～1200℃的条件下对所述ni膜层与所述aln膜层退火15～20min。
17.可选地，所述ni膜层的溅射功率为2000～4000w。
18.可选地，所述aln膜层的生长温度为1100～1200℃，所述aln膜层的生长压力为40～70mbar。
19.可选地，所述aln膜层的生长温度与对所述ni膜层与所述aln膜层进行退火的温度相等。
20.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：
21.在硅衬底上层叠ni子层与ni-aln合金子层，由于ni子层的密度较大，可以保证ni子层本身在硅衬底上层叠的质量与表面平整度，提高在ni子层上生长得到的外延材料的质量。在ni子层上的ni-aln合金子层与ni子层的连接效果较好，并且氮化镓材料在ni-aln合金子层上的生长为异质成核再在晶核的基础上进行生长，异质成核的成核功大部分取决于氮化镓材料的晶核与ni-aln合金子层表面的平衡接触角，平衡接触角越小则氮化镓材料的成核功会越低。氮化镓材料的晶核与ni-aln合金子层表面之间的平衡接触角小于氮化镓材料的晶核与大部分材料表面之间的平衡接触角，可以有效降低氮化镓材料在ni-aln合金子层上生长所需的成核功，成核功的降低会促进氮化镓材料的成核与生长效率，提高在ni-aln合金子层上生长的氮化镓材料的制备效率，掺杂有al的algan缓冲层与ni-aln合金子层有同质材料，可以快速生长，同时algan缓冲层中也存在异质成核的情况，可以促进algan缓冲层的快速生长并保证algan缓冲层的质量，有效提高最终得到的高电子迁移率晶体管的制备效率。
附图说明
22.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本公开实施例提供的一种提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图；
24.图2是本公开实施例提供的另一种提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图；
25.图3是本公开实施例提供的一种提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片制备方法流程图；
26.图4是本公开实施例提供的另一种提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片制备方法流程图。
具体实施方式
27.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方
式作进一步地详细描述。
28.图1是本公开实施例提供的一种提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图，参考图1可知，本公开实施例提供了一种高电子迁移率晶体管外延片，提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片包括硅衬底1以及依次层叠在硅衬底1上的降低成核功复合层2、algan缓冲层3、gan高阻层4、gan沟道层5、algan势垒层6及gan盖帽层7，降低成核功复合层2包括依次层叠的ni子层21与ni-aln合金子层22。
29.在硅衬底1上层叠ni子层21与ni-aln合金子层22，由于ni子层21的密度较大，可以保证ni子层21本身在硅衬底1上层叠的质量与表面平整度，提高在ni子层21上生长得到的外延材料的质量。在ni子层21上的ni-aln合金子层22与ni子层21的连接效果较好，并且氮化镓材料在ni-aln合金子层22上的生长为异质成核再在晶核的基础上进行生长，异质成核的成核功大部分取决于氮化镓材料的晶核与ni-aln合金子层22表面的平衡接触角，平衡接触角越小则氮化镓材料的成核功会越低。氮化镓材料的晶核与ni-aln合金子层22表面之间的平衡接触角小于氮化镓材料的晶核与大部分材料表面之间的平衡接触角，可以有效降低氮化镓材料在ni-aln合金子层22上生长所需的成核功，成核功的降低会促进氮化镓材料的成核与生长效率，提高在ni-aln合金子层22上生长的氮化镓材料的制备效率，掺杂有al的algan缓冲层3与ni-aln合金子层22有同质材料，可以快速生长，同时algan缓冲层3中也存在异质成核的情况，可以促进algan缓冲层3的快速生长并保证algan缓冲层3的质量，有效提高最终得到的高电子迁移率晶体管的制备效率。
30.需要说明的是，按照经典热力学理论，异质成核的能量势垒δg1＝δg2*f(θ)，其中，δg2是均匀成核的成核功，θ是晶核与异质表面的平衡接触角，而f(θ)＝(2-3cosθ+cos3θ)/4，因此，异质成核的能量势垒δg1随着接触角的减小而减小。由浸润性(即cosθ)、可浮性(即1-cosθ)可知，可浮性越差，浸润性就越好，而密度越大可浮性越差，即密度越大浸润性越好。ni的密度大于al和ga，所以浸润性ni-aln合金子层22要好于al、aln algan。θ的取值范围为0～180
°
，再由浸润性(cosθ)可知，ni-aln合金子层22的接触角要小于al、aln algan，而异质成核的能量势垒δg1随着接触角的减小而减小，所以ni-aln合金子层22所需的成核功小于al、aln algan，异质成核的过程中，晶核在ni-aln合金子层22上更容易成核，得到的外延层晶体质量更好，制备效率也更高。
31.可选地，ni-aln合金子层22的厚度为50nm～260nm。
32.ni-aln合金子层22的厚度在以上范围内，可以保证ni-aln合金子层22本身的质量较好，ni-aln合金子层22的表面较为平整，有效促进在ni-aln合金子层22上的异质成核的效率与得到的外延材料的质量。
33.示例性地，ni子层21的厚度为1～3nm。
34.ni子层21的厚度在以上范围内，可以保证硅衬底1与ni-aln合金子层22有良好过渡，也可以保证得到的ni-aln合金子层22的质量，以提高最终得到的高电子迁移率晶体管的质量。
35.可选地，降低成核功复合层2的厚度为50～260nm。
36.降低成核功复合层2的厚度在以上范围内，降低成核功复合层2的整体质量较好，可以提高在降低成核功复合层2上生长的外延材料的质量。
37.图2是本公开实施例提供的另一种具有降低成核功复合层2的高电子迁移率晶体
管外延片的结构示意图，参考图2可知，高电子迁移率晶体管外延片可包括衬底与依次层叠在硅衬底1上的降低成核功复合层2、algan缓冲层3、gan高阻层4、gan沟道层5、aln插入层8、algan势垒层6与gan盖帽层7，降低成核功复合层2为tic膜层。
38.需要说明的是，图2中所示的tic膜层的结构与图1中所示的tic膜层的结构相同，因此此处不再赘述。
39.示例性地，algan缓冲层3的厚度为1～1.5微米。得到的algan缓冲层3的质量较好。
40.可选地，gan沟道层5的厚度可为100～400nm。
41.gan沟道层5的厚度较为恰当，成本较为合理的同时可以有效提高高电子迁移率晶体管外延片的质量。
42.在本公开所提供的一种实现方式中，gan沟道层5的厚度可为400nm。本公开对此不做限制。
43.图2中相对图1中hemt外延片的结构，增加了aln插入层8，一方面底层的晶格失配带来的负面影响较小。另一方面，aln插入层8与gan沟道层5接触的界面，以及aln插入层8与algan势垒层6之间的界面形成二维电子气，通过二维电子气增加载流子在界面处的积累，能够保证高电子迁移率晶体管外延片的使用效果。
44.可选地，aln插入层8的厚度为0.5～2nm。
45.aln插入层8的厚度在以上范围内能够有效行程二维电子气，且不会过多地增加成本。
46.在本公开所提供的一种实现方式中，aln插入层8的厚度可为2nm。本公开对此不做限制。
47.可选地，algan势垒层6的厚度可在15～40nm。能够保证高电子迁移率晶体管外延片的质量。
48.在本公开所提供的一种实现方式中，algan势垒层6的厚度可为100nm。本公开对此不做限制。
49.示例性地，gan盖帽层7可为p型gan层。便于制备与获取。
50.可选地，gan盖帽层7的厚度为3～10nm。得到的gan盖帽层7整体的质量较好。
51.示例性地，gan盖帽层7内的杂质为mg。便于制备与获取。
52.需要说明的是，图2仅为本公开实施例提供的高电子迁移率晶体管外延片的一种实现方式，在本公开所提供的其他实现方式中，高电子迁移率晶体管外延片也可为包括有反射层的其他形式的高电子迁移率晶体管外延片，本公开对此不做限制。
53.图3是本公开实施例提供的一种提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片制备方法流程图，参考图3可知，本公开实施例提供了一种提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片制备方法，提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片制备方法包括：
54.s101：提供一硅衬底；
55.s102：在硅衬底上依次生长降低成核功复合层、algan缓冲层、gan高阻层、gan沟道层、algan势垒层及gan盖帽层，降低成核功复合层包括依次层叠的ni子层与ni-aln合金子层。
56.在硅衬底上层叠ni子层与ni-aln合金子层，由于ni子层的密度较大，可以保证ni子层本身在硅衬底上层叠的质量与表面平整度，提高在ni子层上生长得到的外延材料的质
量。在ni子层上的ni-aln合金子层与ni子层的连接效果较好，并且氮化镓材料在ni-aln合金子层上的生长为异质成核再在晶核的基础上进行生长，异质成核的成核功大部分取决于氮化镓材料的晶核与ni-aln合金子层表面的平衡接触角，平衡接触角越小则氮化镓材料的成核功会越低。氮化镓材料的晶核与ni-aln合金子层表面之间的平衡接触角小于氮化镓材料的晶核与大部分材料表面之间的平衡接触角，可以有效降低氮化镓材料在ni-aln合金子层上生长所需的成核功，成核功的降低会促进氮化镓材料的成核与生长效率，提高在ni-aln合金子层上生长的氮化镓材料的制备效率，掺杂有al的algan缓冲层与ni-aln合金子层有同质材料，可以快速生长，同时algan缓冲层中也存在异质成核的情况，可以促进algan缓冲层的快速生长并保证algan缓冲层的质量，有效提高最终得到的高电子迁移率晶体管的制备效率。
57.需要说明的是，ni膜层可通过溅射的方式沉积得到，aln膜层可通过化学金属气相沉积的方式得到。可以保证得到的ni膜层与aln膜层的质量，并且aln膜层采用化学金属气相沉积的方式进行生长的致密度会稍微低一点，更有利于退火过程中ni原子的渗入，以有效降低异质成核的成核功。
58.可选地，步骤s102中，ni膜层的溅射功率为2000～4000w。可以保证得到的ni膜层的表面质量。
59.示例性地，ni膜层的溅射温度为400～600℃，ni膜层的溅射压力为1～10torr。
60.在溅射过程中，ni膜层的溅射温度与溅射压力分别在以上范围内，可以保障得到的ni膜层的质量较好，有效提高最终得到的ni-aln合金子层的质量。
61.示例性地，aln膜层的生长温度为1100～1200℃，aln膜层的生长压力为40～70mbar。能够得到致密度较合适的aln膜层。
62.可选地，aln膜层的生长速率为0.1μm/h～1.0μm/h。
63.aln膜层的生长速率在以上范围内，可以保证得到的aln膜层的致密度较为合理，且在退火过程中，ni原子可以充分渗透aln膜层得到ni-aln合金子层，有效降低成核功。
64.可选地，步骤s102中，在硅衬底上生长降低成核功复合层，包括：
65.在硅衬底上沉积2～10nm的ni膜层；在ni膜层上生长50～200nm的aln膜层；在温度为1100～1200℃的条件下对ni膜层与aln膜层进行退火以使ni膜层中的ni渗入aln膜层中形成ni-aln合金子层，并在硅衬底上得到依次层叠的ni子层与ni-aln合金子层。
66.在得到ni-aln合金子层之前，先在硅衬底上沉积2～10nm的ni膜层，ni膜层能够提供较好的生长基础，并有充足的ni可以形成ni-aln合金子层。aln膜层的厚度在50～200，可以保证aln膜层本身的质量较好，以aln膜层为基础进行生长的氮化镓或者铝镓氮材料的质量也会较好，并且ni原子也可以充分渗入aln膜层内部，得到ni渗入较为充分的ni-aln合金子层，以有效降低得到的ni-aln合金子层的表面异质成核的成核功，提高在ni-aln合金子层的表面生长的氮化镓材料或者铝镓氮材料的制备效率，保证最终得到的高电子迁移率晶体管的质量与制备效率。
67.示例性地，在温度为1100～1200℃的条件下对ni膜层与aln膜层退火15～20min。可以得到质量较好的ni-aln合金子层。
68.可选地，aln膜层的生长温度与对ni膜层与aln膜层进行退火的温度相等。
69.aln膜层的生长温度与对ni膜层与aln膜层进行退火的温度相等，可以在aln膜层
生长完之后，不需要对反应腔的温度进行调节，即可进行退火过程，缩减调节所需时间，进一步提高高电子迁移率晶体管的制备效率。
70.图4是本公开实施例提供的另一种提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片制备方法流程图，提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片的制备方法还可包括：
71.s201：提供一硅衬底。
72.s202：在硅衬底上生长降低成核功复合层，降低成核功复合层包括依次层叠的ni子层与ni-aln合金子层。
73.步骤s202中降低成核功复合层的具体沉积条件及沉积速率，可参考图3中所示的提高制备效率的高电子迁移率晶体管外延片的制备方法中步骤s102中降低成核功复合层的沉积条件与沉积速率，因此此处不再赘述。
74.s203：在降低成核功复合层上生长algan缓冲层。
75.可选地，步骤s203，可包括：以氩气作为载气向反应腔通入al源、ga源与反应气体以生长algan膜层；关闭al源、ga源与反应气体；在温度为1050～1250℃的条件下向反应腔通入氢气处理algan膜层；重复以上步骤直至得到algan层。
76.algan缓冲层的生长过程中，可以提高algan缓冲层的生长均匀度与表面平整度，algan缓冲层本身的晶体质量得到提高的同时，也可以提高以algan缓冲层的表面作为基础进行生长的氮化镓等结构。
77.可选地，algan膜层的厚度为20～50nm。
78.每个algan膜层的厚度在以上范围内，可以使得algan膜层的生长较为均匀，且algan膜层的表面平整度较高，再配合后续的氢气处理，可以有效减小algan膜层的表面位错密度，提高最终得到的第二algan层的晶体质量。
79.可选地，在温度为1050～1250℃的条件下向反应腔通入氢气处理algan膜层的时长为5～10s。
80.氢气处理的时长在以上范围内，可以保证氢气对algan膜层的表面进行了较为充分的处理，且algan膜层在这一时间内，也经历了充分的退火，algan膜层的晶体质量可以得到进一步的提高。
81.可选地，algan缓冲层的厚度为100～200nm。
82.algan缓冲层的厚度在以上范围内，algan缓冲层的质量较好，也可以为后续生长结构提供良好的生长基础。
83.可选地，以氩气作为载气向反应腔通入al源、ga源与反应气体以生长algan膜层，还包括：
84.以氩气作为载气向反应腔通入al源、ga源、fe源与反应气体以生长algan膜层。
85.algan膜层中fe元素的掺入，可以实现algan缓冲层的高阻，便于过渡至后续高阻氮化镓材料。
86.需要说明的是，氩气为载气通入al源、ga源、fe源与反应气体生长algan膜层的前提下，后续氢气处理algan膜层的过程中，也需要同时关闭al源、ga源、fe源与反应气体。
87.可选地，fe源的流量为50-200sccm。
88.fe源的流量在以上范围，可以得到质量较好的algan缓冲层。
89.示例性地，最终得到的algan缓冲层中fe掺杂浓度在10
18
～10
20
cm-3
之间。algan缓
冲层质量较好，且可以实现与后续高阻氮化镓材料的良好过渡。
90.可选地，algan缓冲层的生长条件包括：生长温度在1050℃～1250℃，压力在40～70mbar之间。可以得到质量较好的algan缓冲层。
91.s204：在algan缓冲层上生长gan高阻层。
92.gan高阻层的生长条件及参数可以参考图3中所示的步骤s102，因此此处不再赘述。
93.s205：在gan高阻层上生长gan沟道层。
94.可选地，gan沟道层的生长条件包括：生长温度在1050℃～1150℃，压力在150～250mbar之间。可以得到质量较好的gan沟道层。
95.示例性地，gan沟道层的厚度在1.0～1.5微米之间。提高最终得到的hemt外延片的质量。得到的gan沟道层的质量较好。
96.s206：在gan沟道层上生长aln插入层。
97.可选地，aln插入层的生长温度为1050℃～1150℃，aln插入层的生长压力为40～70mbar。能够得到质量较好的aln插入层。
98.s207：在aln插入层上生长algan势垒层。
99.可选地，algan势垒层的生长温度为1050℃～1150℃，algan势垒层的生长压力为40～70mbar。得到的algan势垒层的质量较好。
100.在本公开所提供的一种实现方式中，algan势垒层的生长温度可为1020℃。本公开对此不做限制。
101.s208：在algan势垒层上生长gan盖帽层。
102.可选地，gan盖帽层的生长温度为1050℃～1150℃，algan势垒层的生长压力为40～70mbar。得到的gan盖帽层的质量较好。
103.需要说明的是，在本公开实施例中，采用veecok 465i or c4 or rb mocvd(metal organic chemical vapor deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现led的生长方法。采用高纯h2(氢气)或高纯n2(氮气)或高纯h2和高纯n2的混合气体作为载气，高纯nh3作为n源，三甲基镓(tmga)及三乙基镓(tega)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，硅烷(sih4)作为n型掺杂剂，三甲基铝(tmal)作为铝源，二茂镁(cp2mg)作为p型掺杂剂，二茂铁(cp2fe)作为铁(fe)源的前驱体。
104.以上，并非对本公开作任何形式上的限制，虽然本公开已通过实施例揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的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，均仍属于本公开技术方案的范围内。