高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法与流程

本发明涉及高电子迁移率晶体管领域，特别涉及一种高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法。

背景技术：

基于algan(氮化铝镓)/gan(氮化镓)异质结构的hemt(highelectronmobilitytransistor，高电子迁移率晶体管)具有高的电流密度、临界击穿电压和电子迁移率，在微波功率和高温电子器件领域具有十分重要的应用价值。hemt通常包括芯片和位于芯片上的源极、漏极和栅极。芯片由外延片得到。外延片的结构一般包括，衬底和顺次层叠在衬底上的gan沟道层、algan势垒层、以及gan帽层。

当衬底采用si(硅)衬底时，由于si与gan之间存在较大的热失配，将导致在高温生长gan材料之后的降温过程中，gan材料将承受很大的张应力，制备得到的外延片发生将严重翘曲甚至产生微小裂纹，严重影响gan器件特性。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法，能够减小si衬底与gan材料之间的张应力，提高电子迁移率晶体管外延片的晶体质量。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种高电子迁移率晶体管外延片，所述高电子迁移率晶体管外延片包括：

衬底和顺次层叠在所述衬底上的缓冲层、gan沟道层、algan势垒层、以及gan帽层，所述缓冲层包括第一低温aln层和应力释放层，所述应力释放层位于所述第一低温aln层与所述gan沟道层之间，所述应力释放层包括若干层叠的复合层，所述复合层包括aln子层、algan子层和gan子层，所述algan子层位于所述aln子层和所述gan子层之间，同一所述复合层中，所述aln子层比所述gan子层更靠近所述第一低温aln层。

可选地，所述algan子层中al组分的重量比为10～30wt％。

可选地，所述aln子层的厚度为1～5nm，所述algan子层的厚度为2～8nm，所述gan子层的厚度为2～8nm，所述复合层的数量为10～20。

可选地，所述缓冲层还包括第二低温aln层，所述第一低温aln层位于所述衬底与所述第二低温aln层之间。

可选地，所述第一低温aln层的厚度为20～50nm，所述第二低温aln层的厚度为20～100nm，所述应力释放层的厚度为100～300nm。

第二方面，提供了一种高电子迁移率晶体管外延片的制备方法，所述方法包括：

提供衬底；

在所述衬底上沉积缓冲层，所述缓冲层包括第一低温aln层和应力释放层，所述应力释放层位于所述第一低温aln层与所述gan沟道层之间，所述应力释放层包括若干层叠的复合层，所述复合层包括aln子层、algan子层和gan子层，所述algan子层位于所述aln子层和所述gan子层之间，同一所述复合层中，所述aln子层比所述gan子层更靠近所述第一低温aln层；

在所述缓冲层上顺次沉积gan沟道层、algan势垒层、以及gan帽层。

可选地，所述在所述衬底上沉积缓冲层，包括：

采用磁控溅射方法在所述衬底上沉积所述第一低温aln层，所述第一低温aln层的生长气氛为n2、ar和o2的混合气氛；

在所述第一低温aln层上沉积所述应力释放层。

可选地，所述在所述第一低温aln层上沉积所述应力释放层，包括：

以nh3为氮源、以tmga或tega为镓源、且以tmal为铝源，在所述第一低温aln层上沉积所述应力释放层，其中，在生长所述aln子层时，以第一时间为间隔时间周期性地通入所述nh3，每次通入所述nh3的时间相同、且每次通入所述nh3的时间与第一时间之间的比值为1～4。

可选地，所述缓冲层还包括第二低温aln层，所述第一低温aln层位于所述衬底与所述第二低温aln层之间，在所述第一低温aln层上沉积所述应力释放层之前，所述方法还包括：

将沉积所述第一低温aln层的衬底放置到金属有机化合物化学气相沉淀设备的反应室中；

向所述反应室通入tmal且以第二时间为间隔时间周期性地通入nh3，以在所述第一低温aln层上生长所述第二低温aln层，其中，每次通入所述nh3的时间相同、且每次通入所述nh3的时间与第二时间之间的比值为1～5。

可选地，所述第二低温aln层的生长温度为550～750℃，所述第二低温aln层的生长压力为50～200torr，所述第二低温aln层的生长温度高于所述第一低温aln层的生长温度。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过在第一低温aln层与gan沟道层之间设置应力释放层，应力释放层为aln/algan/gan超晶格结构，由于aln的晶格常数最小，gan的晶格常数最大，algan的晶格常数介于aln与gan之间，因此，aln/algan/gan单周期结构中，晶格常数逐渐增大，形成压力，且超晶格结构利于形成较大的压力；而在外延生长过程中，衬底的晶格常数，比如si衬底或者sic的晶格常数均是大于gan的晶格常数，这导致外延生长过程中存在较大的张应力；同时由于si与gan之间存在较大的热失配，这将导致在高温生长gan材料之后的降温过程中，gan材料将承受很大的张应力；通过应力释放层施加压力，压力与外延生长过程中、以及降温过程中的张应力相互抵消，从而起到应力调控的作用，有效减小外延生长过程中的张应力和翘曲，有利于后续外延生长过程中平面内应力的释放，降低外延生长过程的裂纹及缺陷密度，避免后续外延生长过程中的裂纹产生，能够大幅度提高si基衬底上制备的gan外延材料的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。

图1是本发明实施例提供的一种高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的应力释放层的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种高电子迁移率晶体管外延片的制备方法的流程图；

图5是本发明实施例提供的一种高电子迁移率晶体管外延片的制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为便于理解本发明实施例提供的技术方案，首先介绍一下在si衬底上直接生长gan材料时将引起的问题，具体地，包括以下五个问题。

第一、gan纤维锌矿结构的(0001)与金刚石结构的si(111)衬底的晶格失配为20.4％，晶格失配将导致gan材料中产生大量位错，影响gan材料的晶体质量。

第二、gan与si之间的热失配高达56％，热失配将导致在高温生长gan材料之后的降温过程中，gan材料将承受很大的张应力，制备得到的外延片发生将严重翘曲甚至产生微小裂纹，严重影响gan器件特性。

第三、gan材料的氮源一般采用nh3，nh3容易与si发生反应而在衬底表面形成非晶态的sin，影响gan的生长质量。

第四、金属ga与衬底si之间存在很强的化学反应，会对衬底造成回溶，从而破坏衬底界面的平整。

第五、在高温生长gan材料时，衬底中的si会扩散至gan材料，将会影响gan的生长模式，从而破坏晶体质量。

图1示出了本发明实施例提供的一种高电子迁移率晶体管外延片。参见图1，该高电子迁移率晶体管外延片包括：衬底1、以及在衬底1上顺次沉积的缓冲层2、gan沟道层3、algan势垒层4、以及gan帽层5。缓冲层2包括第一低温aln层21和应力释放层23。应力释放层23位于第一低温aln层21与gan沟道层3之间。参见图2，应力释放层23包括若干层叠的复合层230。复合层230包括aln子层230a、algan子层230b和gan子层230c。algan子层230b位于aln子层230a和gan子层230c之间。同一复合层230中，aln子层230a比gan子层230c更靠近第一低温aln层21。

通过在第一低温aln层与gan沟道层之间设置应力释放层，应力释放层为aln/algan/gan超晶格结构，由于aln的晶格常数最小，gan的晶格常数最大，algan的晶格常数介于aln与gan之间，因此，aln/algan/gan单周期结构中，晶格常数逐渐增大，形成压力，且超晶格结构利于形成较大的压力；而在外延生长过程中，衬底的晶格常数，比如si衬底或者sic的晶格常数均是大于gan的晶格常数，这导致外延生长过程中存在较大的张应力；同时由于si与gan之间存在较大的热失配，这将导致在高温生长gan材料之后的降温过程中，gan材料将承受很大的张应力；通过应力释放层施加压力，压力与外延生长过程中、以及降温过程中的张应力相互抵消，从而起到应力调控的作用，有效减小外延生长过程中的张应力和翘曲，有利于后续外延生长过程中平面内应力的释放，降低外延生长过程的裂纹及缺陷密度，避免后续外延生长过程中的裂纹产生，能够大幅度提高si基衬底上制备的gan外延材料的性能。

其中，除了si衬底之外，衬底1还可以是sic(碳化硅)衬底。

可选地，参见图3，缓冲层2还包括第二低温aln层22，第一低温aln层21位于衬底1与第二低温aln层22之间。

其中，第一低温aln层21用于，在衬底1上形成aln晶核点，并以较高的结晶质量生长若干aln晶岛；第二低温aln层22用于，从各个aln晶岛的侧向生长，使相邻的晶岛相接，直至外延表面整体趋于平整。

当衬底采用si(硅)衬底时，由于si与gan之间存在较大的晶格失配，因此，在si衬底上直接生长gan材料时，会在gan材料中产生大量位错缺陷，影响gan材料的晶体质量。通过在衬底与gan沟道层之间设置aln材质的缓冲层，当衬底为si衬底且在衬底上生长gan材料时，由于aln的晶格介于si与gan之间，因此，缓冲层可以缓解si衬底与gan材料之间的晶格失配，还能够解决金属ga与衬底si直接接触时两者之间存在很强的化学反应，会对衬底造成回溶的问题；由于aln材料热膨胀系数介于二者之间，因此，缓冲层还可以缓解si衬底与gan材料之间的热失配，提高gan材料的晶体质量。在本实施例中，设置两层aln缓冲层，即第一低温aln层和第二低温aln层，两层aln缓冲层均为了提高gan材料的晶体质量，并且，第二低温aln层主要是缓解gan材料与第一低温aln层的晶格失配问题，同时多一层生长，第二低温aln层的表面能够达到原子级平整，利于后续gan材料的高质量生长。此外，第一低温aln层的氮源可以采用磁控溅射物理沉积法制得，不需要nh3，从而避免采用nh3作为氮源时容易与si发生反应而在衬底表面形成非晶态的sin，提高gan材料的晶体质量。而且，第一低温aln层和第二低温aln层均采用低温生长，可以避免衬底中的si在高温条件下会扩散至缓冲层表面并破坏gan材料的生长质量，进而提高晶体质量。

应力释放层23中，示例性地，algan子层230b中al组分的重量比为10～30wt％。

示例性地，aln子层230a的厚度为1～5nm，algan子层230b的厚度为2～8nm，gan子层230c的厚度为2～8nm，复合层230的数量为10～20。

示例性地，第一低温aln层21的厚度为20～50nm，第二低温aln层22的厚度为20～100nm，应力释放层23的厚度为100～300nm。优选的，第一低温aln层21的厚度为35nm，第二低温aln层22的厚度为60nm，应力释放层23的厚度为200nm。这时，能够大幅降低外延生长过程的裂纹及缺陷密度。

其中，gan材料的禁带宽度为3.4ev，击穿场强为3.3mv/cm，其与algan材料形成二维电子气，其二维电子气的迁移率大于2000cm2/v·s。示例性地，gan沟道层3的厚度为5000～10000nm，algan势垒层4的厚度可以为30～100nm。

示例性地，algan势垒层4中al组分的重量比可以大于、小于或等于algan子层230b中al组分的重量比。优选地，algan势垒层4中al组分的重量比可以大于algan子层230b中al组分的重量比。具体地，algan势垒层4中al组分的重量比可以为20～50wt％。

其中，gan帽层5主要作为，高频大功率器件的欧姆接触的电极。示例性地，gan帽层5的厚度可以为10～50nm。

图4示出了本发明实施例提供的一种高电子迁移率晶体管外延片的制备方法。参见图4，该方法流程包括如下步骤。

步骤101、提供衬底。

步骤102、在衬底上沉积缓冲层。

其中，缓冲层包括第一低温aln层和应力释放层，应力释放层位于第一低温aln层与gan沟道层之间，应力释放层包括若干层叠的复合层，复合层包括aln子层、algan子层和gan子层，algan子层位于aln子层和gan子层之间，同一复合层中，aln子层比gan子层更靠近第一低温aln层。

步骤103、在缓冲层上顺次沉积gan沟道层、algan势垒层、以及gan帽层。

其中，可以采用图4示出的方法制备得到图1或图3中示出的高电子迁移率晶体管外延片。

本发明实施例通过在第一低温aln层与gan沟道层之间设置应力释放层，应力释放层为aln/algan/gan超晶格结构，由于aln的晶格常数最小，gan的晶格常数最大，algan的晶格常数介于aln与gan之间，因此，aln/algan/gan单周期结构中，晶格常数逐渐增大，形成压力，且超晶格结构利于形成较大的压力；而在外延生长过程中，衬底的晶格常数，比如si衬底或者sic的晶格常数均是大于gan的晶格常数，这导致外延生长过程中存在较大的张应力；同时由于si与gan之间存在较大的热失配，这将导致在高温生长gan材料之后的降温过程中，gan材料将承受很大的张应力；通过应力释放层施加压力，压力与外延生长过程中、以及降温过程中的张应力相互抵消，从而起到应力调控的作用，有效减小外延生长过程中的张应力和翘曲，有利于后续外延生长过程中平面内应力的释放，降低外延生长过程的裂纹及缺陷密度，避免后续外延生长过程中的裂纹产生，能够大幅度提高si基衬底上制备的gan外延材料的性能。

图5示出了本发明实施例提供的一种高电子迁移率晶体管外延片的制备方法。可以采用图5示出的方法制备得到图1或图3中示出的高电子迁移率晶体管外延片。参见图5，该方法流程包括如下步骤。

步骤201、提供衬底。

示例性地，衬底可以是si衬底。

步骤202、采用磁控溅射方法在衬底上沉积第一低温aln层。

其中，第一低温aln层的生长气氛为n2、ar和o2的混合气氛。这时，由于氮源可以采用n2，不需要nh3，从而避免采用nh3作为氮源时容易与si发生反应而在衬底表面形成非晶态的sin，提高gan材料的晶体质量。

示例性地，第一低温aln层的生长温度为500～700℃，生长压力为3～10mbar。

具体地，步骤202包括：将衬底放置到物理气相沉积设备的反应腔中，在反应腔内n2、ar和o2的混合气氛、温度为500～700℃、压力为3～10mbar时，采用磁控溅射铝靶材的方式在si衬底上面沉积第一低温aln层。其中，溅射时间可以依据第一低温aln层的厚度设定，第一低温aln层的厚度可以是20～100nm。

步骤203、采用金属有机化合物化学气相沉淀方法在第一低温aln层上沉积第二低温aln层。

步骤203包括如下步骤。

第一步、将沉积第一低温aln层的衬底放置到mocvd(metal-organicchemicalvapordeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备(型号可以是veecok465i或者c4)的反应室中。

第二步、对衬底进行退火处理。

示例性地，退火处理方式包括：在mocvd设备的反应室内为氢气(作为载气)气氛下，高温处理衬底5-6min。其中，反应室温度为1000～1100℃，反应室压力控制在200-500torr。

需要说明的是，外延层中的第二低温aln层、以及后续的应力释放层、gan沟道层、algan势垒层、以及gan帽层，均可以采用mocvd方法生长。生长过程中控制的温度和压力实际上是指mocvd设备的反应室内的温度和压力。具体地，mocvd方法中，采用高纯nh3作为n源，三甲基镓(tmga)及三乙基镓(tega)作为镓源，三甲基铝(tmal)作为铝源。

第三步、向反应室通入tmal且以第二时间为间隔时间周期性地通入nh3，以在第一低温aln层上生长第二低温aln层。

由于第一低温aln层采用物理溅射沉积制备，主要通过带负电氮原子和带正电荷al原子进行结合生成aln材料，因此，不存aln材料横向迁移生长的问题。而第二低温aln层采用化学气相沉积法生成，存在aln材料横向迁移生长的问题。但是aln材料本身横向迁移率能力较差，故第二低温aln层采用nh3脉冲通入，增大al源通入的时间，可以有效改善aln的横向扩展能力，提高第二低温aln层中aln薄膜的晶体质量，最终提高gan外延的晶体质量，能够大幅度提高硅基底上制备的氮化镓外延材料的抗静电能力，提高器件的可靠性。

其中，第三步中，每次通入nh3的时间相同、且每次通入nh3的时间与第二时间之间的比值为1～5。示例性地，每次通入nh3的时间与第二时间之间的比值为1、2、3、4或5。当每次通入nh3的时间与第二时间之间的比值为1时，意味着通nh3时间和不通nh3时间比例是1:1；当每次通入nh3的时间与第二时间之间的比值为2时，意味着通nh3时间和不通nh3时间比例是2:1。优选地，每次通入nh3的时间与第二时间之间的比值为3，即通nh3时间和不通nh3时间比例是3:1。通nh3时间和不通nh3时间比例为3：1时，第二低温aln层的晶体质量最好。

示例性地，第二低温aln层的生长温度为550～750℃，第二低温aln层的生长压力为50～200torr。

优选地，第二低温aln层的生长温度高于第一低温aln层的生长温度。

具体地，第三步包括：在mocvd设备的反应室为氮气气氛、温度为550℃～750℃、反应室压力为50torr-200torr的条件下，通入tmal作为iii族源，nh3作为v族源，取v/iii比为50～1000，在第一低温aln层上面，生长20～50nm第二低温aln层。其中，生长第二低温aln层时采用tmal恒定通入反应室，nh3脉冲方式通入反应室的方式。示例性地，第二低温aln层采用10～30循环周期脉冲方式生长。

步骤204、在第二低温aln层沉积应力释放层。

其中，应力释放层位于第二低温aln层与gan沟道层之间，应力释放层包括若干层叠的复合层，复合层包括aln子层、algan子层和gan子层，algan子层位于aln子层和gan子层之间，同一复合层中，aln子层比gan子层更靠近第二低温aln层。

应力释放层的生长方式包括：以nh3为氮源、以tmga或tega为镓源、且以tmal为铝源，在第二低温aln层上沉积应力释放层。

其中，在生长aln子层时，以第一时间为间隔时间周期性地通入nh3，每次通入nh3的时间相同、且每次通入nh3的时间与第一时间之间的比值为1～4。由于mocvd方法生长aln时，aln材料本身横向迁移率能力较差，故aln子层也采用nh3脉冲生长，nh3脉冲生长可以有效改善aln的横向扩展能力，提高aln子层中aln薄膜的晶体质量，最终提高gan外延的晶体质量，能够大幅度提高硅基底上制备的氮化镓外延材料的抗静电能力，提高器件的可靠性。示例性地，在生长aln子层时，每次通入nh3的时间与第二时间之间的比值为1、2、3、或4。当每次通入nh3的时间与第二时间之间的比值为1时，意味着通nh3时间和不通nh3时间比例是1:1；当每次通入nh3的时间与第二时间之间的比值为2时，意味着通nh3时间和不通nh3时间比例是2:1。优选地，每次通入nh3的时间与第二时间之间的比值为3，即通nh3时间和不通nh3时间比例是3:1。通nh3时间和不通nh3时间比例为3：1时，aln子层的晶体质量最好。

示例性地，应力释放层的生长温度为1050～1100℃，的生长压力为75～200torr。

具体地，步骤204包括：在氢气和氮气的混合气氛、温度为1050℃～1100℃、反应室压力为75torr-200torr的条件下,通入tmal、tmga作为iii族源，nh3作为v族源，取v/iii比为100～4000，生长10-20个周期aln/algan/gan复合层的应力释放层。其中，aln子层也采用nh3脉冲方式生长，tmal恒定通入反应室，nh3脉冲方式通入反应室。

步骤205、在应力释放层上沉积gan沟道层。

具体地，步骤205包括：在氮气/氢气气氛、温度1000℃～1200℃、反应室压力100torr-500torr的条件下，通入tmga作为iii族源，nh3作为v族源，取v/iii比为5000～10000，生长gan沟道层，gan沟道层的厚度为5000～10000nm。

步骤206、在gan沟道层上沉积algan势垒层。

具体地，步骤206包括：在氢气气氛、温度950℃～1000℃、反应室压力100torr-200torr的条件下,通入tmga、tmal作为iii族源，nh3作为v族源，取v/iii比为5000～10000，生长algan势垒层，algan势垒层的厚度为30～100nm，algan势垒层中al组分的重量比为20～50wt％。

步骤207、在algan势垒层上沉积gan帽层。

具体地，步骤207包括：在氮气/氢气气氛、温度1000℃～1200℃、反应室压力100torr-500torr的条件下，通入tmga作为iii族源，nh3作为v族源，取v/iii比为5000～10000，生长gan帽层，gan帽层的厚度为10～50nm。

示例性地，外延生长结束后，将mocvd设备的反应室内温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为650～800℃，退火处理5到15分钟，降至室温，完成外延生长。

本发明实施例通过在第一低温aln层与gan沟道层之间设置应力释放层，应力释放层为aln/algan/gan超晶格结构，由于aln的晶格常数最小，gan的晶格常数最大，algan的晶格常数介于aln与gan之间，因此，aln/algan/gan单周期结构中，晶格常数逐渐增大，形成压力，且超晶格结构利于形成较大的压力；而在外延生长过程中，衬底的晶格常数，比如si衬底或者sic的晶格常数均是大于gan的晶格常数，这导致外延生长过程中存在较大的张应力；同时由于si与gan之间存在较大的热失配，这将导致在高温生长gan材料之后的降温过程中，gan材料将承受很大的张应力；通过应力释放层施加压力，压力与外延生长过程中、以及降温过程中的张应力相互抵消，从而起到应力调控的作用，有效减小外延生长过程中的张应力和翘曲，有利于后续外延生长过程中平面内应力的释放，降低外延生长过程的裂纹及缺陷密度，避免后续外延生长过程中的裂纹产生，能够大幅度提高si基衬底上制备的gan外延材料的性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。