具有调制碳掺杂氮化镓高阻层的HEMT结构及其制备方法与流程

本发明涉及一种氮化镓基HEMT外延结构，特别是涉及一种具有调制碳掺杂氮化镓高阻层的HEMT结构及其制备方法，属于半导体微电子技术领域。

背景技术：

氮化镓材料和硅、砷化镓等半导体材料相比，具有更强的临界击穿电场、更大的电子饱和漂移速度、更高的禁带宽度及热导率等特性，在高压高频电子器件领域具有很大优势。三族氮化物材料还具有很大的自发和压电极化系数，利用此特性可以制备高电子迁移率晶体管器件，可以用于高压大功率开关器件和高频微波器件领域。

图1为现有技术GaN基HEMT外延结构示意图，GaN/AlGaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)的常规外延结构由依次连接的衬底1、GaN成核层2、GaN缓冲层3、高阻层4和势垒层5和帽层6组成。其中，高阻层4为非故意掺杂的氮化镓高阻层，存在较高的缺陷密度，显示N型导电特性，在HEMT器件截至状态下，存在较大的漏电流，增加器件能耗。

中国发明专利申请201480015652.0公开了一种制造半导体器件的方法，是一种原位碳掺杂技术，该方法在反应器中形成III-N半导体层以及把烃前体注入反应器中，由此碳掺杂III-N半导体层并使III-N半导体层绝缘或半绝缘。得到半导体器件包括衬底以及衬底上的碳掺杂绝缘或半绝缘III-N半导体层。III-N半导体层中的碳掺杂密度大于5×10¹⁸cm^-3且III-N半导体层中的位错密度小于2×10⁹cm^-2；该方法提高氮化镓的电阻，减小漏电，但是该方法碳掺杂会明显降低氮化镓材料的晶体质量，降低器件可靠性和寿命。

技术实现要素：

本发明针对现有氮化镓基HEMT漏电流高，可靠性和寿命差的问题，提出一种提高氮化镓缓冲层的电阻，同时不恶化其晶体质量，降低器件漏电流，提高器件的耐高压特性和可靠性的具有调制碳掺杂氮化镓高阻层的HEMT结构及其制备方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

具有调制碳掺杂氮化镓高阻层的HEMT结构，自下而上依次包括衬底、GaN成核层、GaN缓冲层、GaN:C/GaN超晶格高阻层和AlGaN势垒层；其中高阻层由多层GaN：C故意碳掺杂层和非故意掺杂GaN层交替连接组成；单层GaN：C故意碳掺杂层的厚度为5-500nm；单层 非故意掺杂GaN层的厚度为5-500nm。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述GaN成核层的厚度为20-40nm；所述GaN缓冲层的厚度为1.5-2.5um。

优选地，所述HEMT结构还包括帽层；帽层的厚度为0-5nm；帽层为GaN帽层、AlN帽层或者氮化硅帽层；帽层设置在AlGaN势垒层上。

优选地，所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅材料衬底。

优选地，所述单层GaN：C故意碳掺杂层的厚度为20-40nm；单层非故意掺杂GaN层4.2的厚度为20-40nm。

优选地，所述AlGaN势垒层的厚度为5-50nm。

所述具有调制碳掺杂氮化镓高阻层的HEMT结构的制备方法，包括如下步骤：

1)将衬底放入金属有机化学气相化学沉积设备中，衬底片温度升高到1050-1100℃，压力50-200mbar，通入氢气，对衬底进行高温清洗，去除衬底表面的污染物；

2)衬底片温度降低到500-600℃，压力提高到300-600mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(1)所述的衬底片上生长GaN成核层；

3)将衬底片温度提高到1050-1100℃，压力降低到100-300mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(2)所述的成核层上生长的非故意掺杂的GaN缓冲层；

4)循环重复以下步骤(4a)和(4b)10-50次，得到GaN:C/GaN超晶格高阻层

(4a)将衬底片温度保持1050-1100℃，压力降低到20-70mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓首次在步骤(3)所述的非故意掺杂的GaN缓冲层上生长5-500nm的GaN：C故意碳掺杂层；循环重复时在非故意掺杂GaN层上生长GaN：C故意碳掺杂层；

(4b)将衬底片温度保持1050-1100℃，压力提高到300-500mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(4a)所述的GaN：C故意碳掺杂层上生长5-500nm的非故意掺杂GaN缓冲层；

5)在步骤(4)的基础上，衬底片温度降低到1010-1060℃，压力40-60mbar，通入氨气、氢气、三甲基镓和三甲基铝，生长AlGaN势垒层。

优选地，步骤(2)通入氨气、氢气和三甲基镓的流量分别是4-6升/分钟、18-25升/分钟和20-40cc；步骤(3)通入氨气、氢气和三甲基镓的流量分别是15-25升/分钟、18-25升/分钟和100-150cc；步骤(5)通入氨气、氢气、三甲基镓和三甲基铝，流量分别是5-15升/分钟、18-25升/分钟、10-20cc和20-25cc

优选地，步骤(4a)通入氨气、氢气和三甲基镓的流量分别是5-15升/分钟、18-25 升/分钟和100-150cc；步骤(4b)通入氨气、氢气和三甲基镓的流量分别是20-35升/分钟、18-25升/分钟和100-150cc。

优选地，在步骤(5)的基础上，衬底片温度降低到1010-1060℃，压力40-60mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是5-15升/分钟、18-25升/分钟、10-20cc，生长0-5nm GaN帽层。

根据本发明，具有调制碳掺杂氮化镓高阻层的HEMT结构的制备方法，包括如下步骤：

1)将衬底放入金属有机化学气相化学沉积设备中，衬底片温度升高到1050-1100℃，压力50-200mbar，通入氢气，对衬底进行高温清洗，去除衬底表面的污染物；

2)衬底片温度降低到500-600℃，压力提高到300-600mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是4-6升/分钟、18-25升/分钟和20-40cc，在步骤(1)所述的衬底片上生长20-40nm的GaN成核层。

3)将衬底片温度提高到1050-1100℃，压力降低到100-300mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是15-25升/分钟、18-25升/分钟和100-150cc，在步骤(2)所述的成核层上生长1.5-2.5um的非故意掺杂的GaN缓冲层。

4)循环重复以下步骤(4a)和(4b)10-50次，得到GaN:C/GaN超晶格高阻层。

(4a)将衬底片温度保持1050-1100℃，压力降低到20-70mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是5-15升/分钟、18-25升/分钟和100-150cc；首次在步骤(3)所述的非故意掺杂的GaN缓冲层上生长20-40nm的GaN：C故意碳掺杂层；循环重复时在非故意掺杂GaN层上生长20-40nm的GaN：C故意碳掺杂层；

(4b)将衬底片温度保持1050-1100℃，压力提高到300-500mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是20-35升/分钟、18-25升/分钟和100-150cc，在步骤(4a)所述的GaN：C故意碳掺杂层上生长20-40nm的非故意掺杂GaN缓冲层；

5)在步骤(4)的基础上，衬底片温度降低到1010-1060℃，压力40-60mbar，通入氨气、氢气、三甲基镓和三甲基铝，流量分别是5-15升/分钟、18-25升/分钟、10-20cc和20-25cc，生长15-30nm AlGaN势垒层，Al组分20-25％。

6)在步骤(5)的基础上，衬底片温度降低到1010-1060℃，压力40-60mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是5-15升/分钟、18-25升/分钟、10-20cc，生长0-5nm GaN帽层。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明针对现有HEMT器件GaN缓冲层漏电流大，寿命低和可靠性差等问题，提出一种 具有调制碳掺杂高阻层的HEMT外延结构，通过调制碳掺杂GaN:C/GaN超晶格结构中的碳掺杂可以提高GaN材料的高阻特性，同时不会因为掺杂导致GaN薄膜的晶体质量下降，因此可以保证GaN高阻缓冲层具有较高晶体质量的前提下，大幅提高其电阻特性，减小缓冲层漏电，提高HEMT器件的寿命和可靠性。

附图说明

图1为现有技术GaN基HEMT外延结构示意图；

图2为本发明实施例1的具有调制碳掺杂高阻层HEMT外延结构示意图；

图3本发明实施例1的具有调制碳掺杂高阻层HEMT高阻层碳掺杂浓度、氨气流量和生长压力曲线；

图4本发明HEMT和现有技术HEMT的源漏电极漏电曲线；图4中横轴为电压，单位为V，纵轴为漏电流，单位为A；图中实线为现有技术HEMT的漏电流曲线，虚线为本发明HEMT的漏电流曲线。

图中示出：衬底1、GaN成核层2、GaN缓冲层3、GaN:C/GaN超晶格高阻层4、势垒层5、GaN帽层66、GaN：C故意碳掺杂层4.1；非故意掺杂GaN层4.2。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。

本发明具有调制碳掺杂氮化镓高阻层的HEMT结构如图2所示，该HEMT结构自下而上依次由衬底1、GaN成核层2、GaN缓冲层3、GaN:C/GaN超晶格高阻层4、AlGaN势垒层5、帽层6连接组成；其中高阻层4由多层GaN：C故意碳掺杂层4.1和非故意掺杂GaN层4.2交替连接组成。单层GaN：C故意碳掺杂层4.1的厚度为5-500nm；单层非故意掺杂GaN层4.2的厚度为5-500nm。

优选地，本发明的衬底1为蓝宝石衬底；GaN成核层2的厚度为20-40nm；GaN缓冲层3的厚度为1.5-2.5um；

优选地，本发明AlGaN势垒层的厚度为5-50nm，进一步优选厚度为15-30nm；AlGaN层中Al组分5％-50％。

优选地，单层GaN：C故意碳掺杂层4.1的厚度为20-40nm；单层非故意掺杂GaN层4.2的厚度为20-40nm。

所述帽层6的厚度0-5nm，材料可以是GaN、AlN或者氮化硅。

所述高阻层可以是GaN:C/GaN超晶格，超晶格数量5-50对。

实施例1

一种具有调制碳掺杂氮化镓高阻层的HEMT结构的制备方法，步骤如下：

1)将蓝宝石衬底1放入金属有机化学气相化学沉积设备(维易科K465型)中，衬底片温度升高到1100℃，压力100mbar，通入氢气，对衬底进行高温清洗，去除衬底表面的污染物；

2)衬底1温度降低到550℃，压力提高到550mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是5升/分钟、22升/分钟和30cc，在步骤1)所述的衬底片上生长30nm的GaN成核层2，为后续GaN生长提供晶核。

3)将步骤2)带有GaN成核层2的衬底温度提高到1080℃，压力降低到200mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是20升/分钟、22升/分钟和130cc，在步骤(2)所述的成核层上生长2um的GaN缓冲层3。

4)循环重复以下步骤(a)和(b)20次，得到GaN:C/GaN超晶格高阻层，GaN材料的电阻较高，同时不会因为掺杂导致GaN薄膜的晶体质量下降；

(a)将衬底温度保持1080℃，压力降低到50mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是10升/分钟、20升/分钟和130cc，首次在步骤(3)所述的GaN缓冲层3上生长30nm的GaN：C故意碳掺杂层4.1，碳的掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3。循环重复时在非故意掺杂GaN层4.2上生长GaN：C故意碳掺杂层4.1。

(b)将衬底温度保持1080℃，压力提高到300mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是22升/分钟、20升/分钟和130cc，在所述的GaN：C故意碳掺杂层4.1上生长30nm的非故意掺杂GaN层4.2。

GaN的生长原理是三甲基镓和氨气在高温下反应，生成GaN，甲基中含有碳元素，一部分碳会随着尾气排出，另一部分碳会进入到GaN晶格内部，形成碳掺杂，压力越低，氨气流量越低，GaN里的碳掺杂浓度越高，因此步骤(a)为故意C掺杂，步骤(b)为非故意C掺杂。

5)在步骤4)的基础上，衬底温度降低到1060摄氏度，压力50mbar，通入氨气、氢气、三甲基镓和三甲基铝，流量分别是10升/分钟、20升/分钟、90cc和40cc，生长25nm厚的AlGaN势垒层5，Al组分23％。AlGaN的势垒高度比GaN高，所以为势垒层。

6)在步骤5)的基础上，衬底温度降低到1050摄氏度，压力200mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是10升/分钟、20升/分钟和40cc，生长2nm厚的GaN帽层6。

图3是本实施例高阻层碳掺杂浓度、氨气流量和生长压力曲线的示意图，氨气流量和 生长压力呈周期性变化，碳掺杂浓度也呈周期性变化；氨气流量低生长压力低时，碳掺杂浓度高，对应的氮化镓层具有较高的电阻；氨气流量低生长压力高时，碳掺杂浓度低，对应的氮化镓具有较高的晶体质量；二者交替生长，可以得到较高电阻和晶体质量的氮化镓薄膜。本发明具有调制碳掺杂高阻层HEMT高阻层碳掺杂浓度曲线8.1可以由二次离子质子谱测试得到；本发明具有调制碳掺杂高阻层HEMT高阻层氨气流量曲线8.2,可以由设备上氨气的质量流量计监控数据得到；本发明具有调制碳掺杂高阻层HEMT高阻层生长压力曲线8.3可以由设备上压力控制器监控数据得到；本发明的特点是生长高阻氮化镓层时，通入反应室的氨气流量呈周期性变化，反应室的压力与氨气流量同步变化，当氨气流量和反应室压力较低时，生长的氮化镓具有较高的碳掺杂浓度，当当氨气流量和反应室压力较高时，生长的氮化镓具有较低的碳掺杂浓度，最后得到的高阻氮化镓材料是由GaN:C/GaN超晶格组成。

在实施例1所述的样品上制备电极后，采用吉利时2636B源表测试HEMT I-V曲线，得到图4的结果。图4中横轴为电压，单位为V，纵轴为漏电流，单位为A；图中实线为现有技术HEMT的漏电流曲线，虚线为本发明HEMT的漏电流曲线；从图4可见，本实施例品上制备的电极高阻层的电阻较高，同时晶体质量较高，因此HEMT器件的漏电流较小。

实施例2

一种具有调制碳掺杂氮化镓高阻层的HEMT结构的制备方法，步骤如下：

1)将蓝宝石衬底1放入金属有机化学气相化学沉积设备(维易科K465型)中，衬底片温度升高到1050℃，压力80mbar，通入氢气，对衬底进行高温清洗，去除衬底表面的污染物；

2)衬底1温度降低到530℃，压力提高到530mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是4升/分钟、18升/分钟和25cc，在步骤1)所述的衬底片上生长25nm的GaN成核层2，为后续GaN生长提供晶核。

3)将步骤2)带有GaN成核层2的衬底温度提高到1050℃，压力降低到150mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是15升/分钟、20升/分钟和110cc，在步骤(2)所述的成核层上生长1.5um的GaN缓冲层3。

4)循环重复以下步骤(a)和(b)10次，得到GaN:C/GaN超晶格高阻层，GaN材料的电阻较高，同时不会因为掺杂导致GaN薄膜的晶体质量下降；

(a)将衬底温度保持1050℃，压力降低到40mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是6升/分钟、15升/分钟和100cc，首次在步骤(3)所述的GaN缓冲层3上生长25nm 的GaN：C故意碳掺杂层4.1，碳的掺杂浓度为3×10²⁰cm^-3。循环重复时在非故意掺杂GaN层4.2上生长GaN：C故意碳掺杂层4.1。

(b)将衬底温度保持1050℃，压力提高到350mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是28升/分钟、25升/分钟和150cc，在所述的GaN：C故意碳掺杂层4.1上生长25nm的非故意掺杂GaN层4.2。

GaN的生长原理是三甲基镓和氨气在高温下反应，生成GaN，甲基中含有碳元素，一部分碳会随着尾气排出，另一部分碳会进入到GaN晶格内部，形成碳掺杂，压力越低，氨气流量越低，GaN里的碳掺杂浓度越高，因此步骤(a)为故意C掺杂，步骤(b)为非故意C掺杂。

5)在步骤4)的基础上，衬底温度降低到1040摄氏度，压力40mbar，通入氨气、氢气、三甲基镓和三甲基铝，流量分别是6升/分钟、15升/分钟、80cc和30cc，生长25nm厚的AlGaN势垒层5，Al组分22％。AlGaN的势垒高度比GaN高，所以为势垒层。

本实施例与实施例1相比，高阻氮化镓周期数目略少，因此漏电流比实施例1略高；另外本实施例与实施例1相比，没有氮化镓帽层，接触势垒略高，因此器件工作电压比实施例略高。

实施例3

一种具有调制碳掺杂氮化镓高阻层的HEMT结构的制备方法，步骤如下：

1)将蓝宝石衬底1放入金属有机化学气相化学沉积设备(维易科K465型)中，衬底片温度升高到1150℃，压力120mbar，通入氢气，对衬底进行高温清洗，去除衬底表面的污染物；

2)衬底1温度降低到570℃，压力提高到570mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是8升/分钟、25升/分钟和35cc，在步骤1)所述的衬底片上生长35nm的GaN成核层2，为后续GaN生长提供晶核。

3)将步骤2)带有GaN成核层2的衬底温度提高到1100℃，压力降低到250mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是25升/分钟、30升/分钟和150cc，在步骤(2)所述的成核层上生长2.5um的GaN缓冲层3。

4)循环重复以下步骤(a)和(b)20次，得到GaN:C/GaN超晶格高阻层，GaN材料的电阻较高，同时不会因为掺杂导致GaN薄膜的晶体质量下降；

(a)将衬底温度保持1100℃，压力降低到60mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是10升/分钟、25升/分钟和150cc，首次在步骤(3)所述的GaN缓冲层3上生长35 nm的GaN：C故意碳掺杂层4.1，碳的掺杂浓度为0.8×10²⁰cm^-3。循环重复时在非故意掺杂GaN层4.2上生长GaN：C故意碳掺杂层4.1。

(b)将衬底温度保持1100℃，压力提高到450mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是35升/分钟、35升/分钟和180cc，在所述的GaN：C故意碳掺杂层4.1上生长35nm的非故意掺杂GaN层4.2。

GaN的生长原理是三甲基镓和氨气在高温下反应，生成GaN，甲基中含有碳元素，一部分碳会随着尾气排出，另一部分碳会进入到GaN晶格内部，形成碳掺杂，压力越低，氨气流量越低，GaN里的碳掺杂浓度越高，因此步骤(a)为故意C掺杂，步骤(b)为非故意C掺杂。

5)在步骤4)的基础上，衬底温度降低到1070摄氏度，压力60mbar，通入氨气、氢气、三甲基镓和三甲基铝，流量分别是10升/分钟、25升/分钟、100cc和50cc，生长35nm厚的AlGaN势垒层5，Al组分24％。AlGaN的势垒高度比GaN高，所以为势垒层。

6)在步骤5)的基础上，衬底温度1070摄氏度，压力60mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，流量分别是10升/分钟、25升/分钟和50cc，生长2.5nm厚的GaN帽层。

本实施例与实施例1相比，高阻氮化镓周期数目略多，因此漏电流比实施例略低；另外本实施例与实施例1相比，氮化镓帽层更厚，接触势垒更低，因此器件工作电压比实施例1略低。