一种硅上高迁移率GaN基异质结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种硅(Si)衬底上高迀移率GaN基异质结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]以III族氮化物为代表的第三代半导体具有高禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度以及强极化等优异的性质，特别是基于AlGaN/GaN异质结构的高迀移率晶体管(HEMT)具有开关速度快、导通电阻低、器件体积小、耐高温、节能等优异特性，有望在下一代高效功率电子器件领域得到广泛使用。
[0003]在以蓝宝石、碳化硅、硅为衬底材料的GaN基异质结构材料中，Si上GaN基异质结构材料及器件因其在大尺寸、低成本以及与现有Si工艺兼容等方面具有明显的优势，在太阳能逆变器、混合动力汽车逆变器、功率电源、家用电器及工业设备的功率转换器等领域有广泛的应用前景，也因此使其成为国际上氮化物领域研宄的热点之一。
[0004]二维电子气迀移率和浓度是表征GaN基异质结构材料质量的两个最重要指标，对于提高器件的输出电流密度和功率密度具有重要作用。而影响二维电子气迀移率的散射机制主要有界面粗糙度散射，位错散射，合金无序散射以及声子散射等。对于Si衬底上GaN基异质结构材料，由于存在较大的晶格失配，外延出的材料中含有大量的缺陷，这些缺陷大大限制了二维电子气性能的提高，同时严重影响了器件的可靠性。另一方面，由于热失配，高温生长GaN基材料后，在降温的过程中GaN基外延材料会受到Si衬底施加的巨大的张应力，导致外延材料强烈翘曲甚至龟裂，难以满足工艺的要求。因此，如何通过应力和缺陷工程，避免外延材料的龟裂，并获得低缺陷密度的GaN基异质结构外延材料，是研制Si上GaN基功率电子器件需要解决的首要问题。现有技术中为了实现Si上GaN异质结构材料的应力和缺陷控制，提高二维电子气的输运性能，国际上通常采取以下三种方法:
[0005](I)低温 AlN 插入层技术，如[1]A.Dadgar et al., Jpn.J.Appl.Phys.39LI 183 (2000)。这种技术优点是可以实现较厚的GaN基外延层，但由于低温AlN层的晶体质量较差使得GaN基外延层的质量也受到影响，在提高二维电子气的迀移率方面不是很理想。同时在MOCVD外延中需要多次的升温和降温，大大增加了外延工艺的复杂性。
[0006](2)AlN/GaN 超晶格技术，如[2]E.Feltin et al., Phys.Status Solidi (a) 188531 (2001)。这种技术在一定程度上可以降低位错密度，提高晶体质量，但在厚膜GaN的制备上具有一定的困难，同时周期长，增加了外延成本。
[0007](3) Al组分梯度渐变AlGaN技术(多为从高Al组分梯度渐变到低Al组分)，如
[3]K.Cheng et al.J.Electron.Mater.25, 4 (2006) ο这种技术介于上面两个技术中间，但涉及到多次(三次以上)三元合金AlGaN的生长，因为Al组分受MOCVD反应室如温度的影响较敏感，外延步骤较多，在应力控制的可重复性和稳定性上也受到一定的挑战。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于克服现有Si上GaN基异质结构外延技术上的不足以及工艺的复杂性，提供了一种Si上高迀移率GaN基异质结构，即利用单层的低Al组分AlGaN作为应力和缺陷控制层，来制备Si上高迀移率GaN基异质结构材料。
[0009]为了实现上述目的，技术方案如下:一种Si上高迀移率GaN基异质结构，由下至上依次包括:硅衬底；成核层；该成核层在硅衬底之上，应力和缺陷控制层；该应力和缺陷控制层在成核层之上，外延层；该外延层在应力和缺陷控制层之上，沟道层；该沟道层在外延层之上，插入层；该插入层在沟道层之上，势皇层；该势皇层在插入层之上，其中应力和缺陷控制层为AlGaN层，其厚度为1nm-1O μ m，且Al摩尔组分为1_26%。
[0010]本发明还提供一种高迀移率GaN基异质结构的制备方法，采用该方法能够有效克服现有Si衬底上GaN基异质结构外延技术上的复杂性，外延工艺简单且快捷有效，稳定性高，同时能大幅度提高异质结构晶体质量，提高二维电子气的输运性质，包括如下步骤:
[0011](I)选择Si衬底；
[0012](2)在Si衬底上生长一层铝镓氮或氮化铝成核层；
[0013](3)在成核层上生长应力和缺陷控制层，该应力和缺陷控制层为AlGaN层，其厚度为1nm-1O μ m，且Al摩尔组分为1-26% ；
[0014](4)在应力和缺陷控制层上生长氮化镓或铝镓氮外延层；
[0015](5)在外延层上生长氮化镓或铟镓氮沟道层；
[0016](6)在沟道层上生长氮化铝插入层；
[0017](7)在插入层上生长铝镓氮势皇层或铟铝氮势皇层，从而在Si衬底上制备出GaN基异质结构。
[0018]优选的，所述成核层、应力和缺陷控制层、外延层、沟道层、插入层和势皇层的生长方法为金属有机化合物气相外延(MOCVD)，分子束外延(MBE)，氢化物气相外延(HVPE)和气相外延(CVD)中的一种。
[0019]本发明采用独特的单层低铝组分铝镓氮作为应力和缺陷控制层，进一步通过精确控制生长条件，如温度，压力，V/III等，可有效的降低了 GaN外延层中的缺陷密度，提高了异质结构材料的晶体质量，特别是二维电子气的迀移率。参考图2所示，采用本发明制备的GaN外延层的X射线衍射(XRD)对称面(002)和非对称面(102)摇摆曲线的半高宽(FWHM)分别为389arcsec和527arcsec ;在此基础上外延的AlGaN/GaN异质结构室温下二维电子气(2DEG)迀移率 μ = 2030cm2/V.s，载流子浓度 η = 8.4E12/cm2。
[0020]与现有的较繁琐的Si上GaN基异质结构外延技术相比，本发明将单层低铝组分铝镓氮作为应力和缺陷控制层，不仅制备方法简单易行，而且可以大幅降低缺陷密度，提高异质结构材料的晶体质量，十分适合于低成本的高频、高功率器件的研制。
【附图说明】
[0021]图1为本发明娃上尚迁移率GaN基异质结构不意图；
[0022]图2为采用本发明制备的GaN外延层的X射线衍射(XRD)图；其中(a)为GaN外延层的XRD对称面(002)摇摆曲线；(b)为GaN外延层的XRD非对称面(102)摇摆曲线。
【具体实施方式】
[0023]参考图1所示，本发明提供了一种硅上高迀移率GaN基异质结构，由下至上依次包括:单晶硅衬底I ;成核层2 ;应力和缺陷控制层3 ;氮化镓外延层4 ;氮化镓沟道层5 ;氮化铝插入层6 ;铝镓氮势皇层或铟铝氮势皇层7。
[0024]实施例1
[0025](I)选择一种单晶硅衬底1，硅的晶向包括硅(111)、硅(100)、硅(110)等；
[0026](2)在单晶衬底上生长铝镓氮作为成核层2，生长温度为900-1200°C，生长压力为10_200mbar，生长厚度为 10nm_2 μ m ；
[0027](3)在成核层2上外延生长铝镓氮作为应力和缺陷控制层3，生长温度为900-1200°C，生长压力为10-200mbar，生长厚度为1nm-1O μm，铝的摩尔组分为1%，该层起到调控应力和抑制缺陷的作用；
[0028](4)在应力和缺陷控制层3上生长氮化镓外延层4，生长温度为900-1100°C，生长压力为10-200mbar，厚度为10nm_20 μ m，氮化镓外延层起到提高晶体