提高平整度的HEMT外延片制备方法及外延片与流程

提高平整度的hemt外延片制备方法及外延片
技术领域
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平整度的hemt外延片制备方法及外延片。


背景技术：

2.hemt(high electron mobility transistor，hemt)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外延片包括硅衬底与依次层叠在硅衬底上的algan缓冲层、algan高阻层、gan沟道层、algan势垒层与gan盖帽层。
3.hemt外延片常采用导热性好且成本低的硅衬底进行外延生长，但硅衬底与铝镓氮材料之间存在较大的晶格失配，晶格失配会导致得到的hemt外延片的内部缺陷较多，影响得到的hemt外延片的晶体质量与表面平整度。


技术实现要素：

4.本公开实施例提供了一种提高平整度的hemt外延片制备方法及外延片，可以提高hemt外延片的晶体质量与表面平整度。所述技术方案如下：
5.本公开实施例提供了一种提高平整度的hemt外延片制备方法，所述提高平整度的hemt外延片的制备方法包括：
6.提供一硅衬底；
7.在所述硅衬底生长复合过渡层，所述复合过渡层包括依次生长的inn成核层与alingan过渡层；
8.在所述复合过渡层上依次生长algan缓冲层、algan高阻层、gan沟道层、algan势垒层与gan盖帽层；
9.生长所述inn成核层，包括：第一温度生长第一阶段并形成inn岛状层；以第二温度生长第二阶段，在所述inn岛状层上沉积inn材料以形成所述inn成核层。
10.可选地，所述第一温度比所述第二温度低200～250摄氏度。
11.可选地，所述第一温度为400～600℃，所述第二温度为600～750℃。
12.可选地，所述第一阶段所对应的生长厚度为所述第二阶段所对应的生长厚度1/4～1/2。
13.可选地，所述第一阶段所对应的生长厚度为10～20nm，所述第二阶段所对应的生长厚度为20～40nm。
14.可选地，所述inn成核层的所述第一阶段对应的生长压力小于所述inn成核层的所述第二阶段对应的生长压力。
15.可选地，所述第一阶段对应的生长压力为200～300mbar，所述第一阶段对应的生长压力为100～200mbar。
16.可选地，所述第一阶段对应的五族元素与三族元素的质量比大于所述第二阶段对应的五族元素与三族元素的质量比。
17.可选地，生长所述alingan过渡层，包括：
18.向反应腔通入氨气al源、in源与ga源；
19.使所述al源的组分由0升高至1、所述in源由1降低至0以得到所述alingan过渡层。
20.本公开实施例提供了一种提高平整度的hemt外延片，所述提高平整度的hemt外延片采用如前所述的提高平整度的hemt外延片制备方法制备，所述提高平整度的hemt外延片包括硅衬底及依次层叠在所述硅衬底上的复合过渡层、algan缓冲层、algan高阻层、gan沟道层、algan势垒层与gan盖帽层，所述复合过渡层包括依次生长的inn成核层与alingan过渡层。
21.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：
22.在硅衬底上生长铝镓氮材料之前，先生长复合过渡层，复合过渡层包括依次生长的inn成核层与alingan过渡层。由于inn材料的禁带宽度为0.7ev，晶格常数为0.354nm，热膨胀系数为4.0*106/k，与aln或gan相比，inn成核层与硅衬底的成核层具有更小的晶格失配和热失配，可以降低因晶格失配而产生的位错，从而提高外延层生长的晶体质量，提高复合过渡层以及后续生长的铝镓氮材料的表面平整度。且inn成核层在生长过程中，先以温度较低的第一温度进行第一阶段的生长，并得到inn岛状层。较低的第一温度得到的inn岛状层的表面较为粗糙，可以起到使位错湮灭以降低复合过渡层中位错密度的作用。再升温到第二温度在inn岛状层上沉积inn材料以形成inn成核层，可以填平inn岛状层，使表面平整，且升温也可以提升inn成核层的晶体质量，缺陷的减少与晶体质量的提高均有利于提高复合过渡层的表面平整度。inn成核层上再生长alingan过渡层，可降低inn成核层与后续algan外延层之间的晶格失配，减少缺陷的产生，最终提高外延层的晶体质量，提高得到的hemt外延片的表面平整度。
附图说明
23.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。
24.图1是本公开实施例提供的一种提高平整度的hemt外延片制备方法流程图；
25.图2是本公开实施例提供的一种提高平整度的hemt外延片的结构示意图；
26.图3是本公开实施例提供的另一种提高平整度的hemt外延片制备方法流程图；
27.图4是本公开实施例提供的另一种提高平整度的hemt外延片的结构示意图。
具体实施方式
28.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。
29.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少
一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。
30.图1是本公开实施例提供的一种提高平整度的hemt外延片制备方法流程图，参考图1可知，本公开实施例提供了一种提高平整度的hemt外延片制备方法，提高平整度的hemt外延片的制备方法包括：
31.s101：提供一硅衬底。
32.s102：在硅衬底生长复合过渡层，复合过渡层包括依次生长的inn成核层与alingan过渡层。生长inn成核层，包括：第一温度生长第一阶段并形成inn岛状层；以第二温度生长第二阶段，在inn岛状层上沉积inn材料以形成inn成核层。
33.s103：在复合过渡层上依次生长algan缓冲层、algan高阻层、gan沟道层、algan势垒层与gan盖帽层。
34.在硅衬底上生长铝镓氮材料之前，先生长复合过渡层，复合过渡层包括依次生长的inn成核层与alingan过渡层。由于inn材料的禁带宽度为0.7ev，晶格常数为0.354nm，热膨胀系数为4.0*106/k，与aln或gan相比，inn成核层与硅衬底的成核层具有更小的晶格失配和热失配，可以降低因晶格失配而产生的位错，从而提高外延层生长的晶体质量，提高复合过渡层以及后续生长的铝镓氮材料的表面平整度。且inn成核层在生长过程中，先以温度较低的第一温度进行第一阶段的生长，并得到inn岛状层。较低的第一温度得到的inn岛状层的表面较为粗糙，可以起到使位错湮灭以降低复合过渡层中位错密度的作用。再升温到第二温度在inn岛状层上沉积inn材料以形成inn成核层，可以填平inn岛状层，使表面平整，且升温也可以提升inn成核层的晶体质量，缺陷的减少与晶体质量的提高均有利于提高复合过渡层的表面平整度。inn成核层上再生长alingan过渡层，可降低inn成核层与后续algan外延层之间的晶格失配，减少缺陷的产生，最终提高外延层的晶体质量，提高得到的hemt外延片的表面平整度。
35.示例性地，步骤s102中，第一温度比第二温度低200～250摄氏度。
36.可以保证升温之后inn成核层的快速成型并保证得到的inn成核层质量较好。
37.可选地，第一温度为400～600℃，第二温度为600～750℃。
38.第一温度与第二温度分别在以上范围内，可以有效提高最终得到的inn成核层的晶体质量，并减小位错延伸至复合过渡层以上的外延层中的可能性，提高最终得到的hemt外延片的晶体质量与表面平整度。
39.示例性地，第一阶段所对应的生长厚度为第二阶段所对应的生长厚度1/4～1/2。
40.第一阶段生长的inn岛状层用于缓解晶格失配并阻挡位错的延伸，第二阶段生长的inn材料用于填平inn岛状层并起到提高晶体质量的作用。第一阶段对应的生长厚度与第二阶段对应的生长厚度的比例在以上范围内，可以保证得到的inn成核层中的缺陷非常少，且inn成核层整体的质量较高。
41.可选地，第一阶段所对应的生长厚度为10～20nm，第二阶段所对应的生长厚度为20～40nm。
42.第一阶段对应的生长厚度与第二阶段对应的生长厚度的范围在以上范围内，可以保证得到的inn成核层中的缺陷非常少，且inn成核层整体的质量较高。
43.需要说明的是，inn岛状层为层铺在硅衬底上，且表面仍存在较多凸起的结构。
44.示例性地，inn成核层的第一阶段对应的生长压力小于inn成核层的第二阶段对应的生长压力。
45.inn成核层的第一阶段对应的生长压力小于inn成核层的第二阶段对应的生长压力，可以保证inn成核层的第一阶段生长较慢，得到的inn岛状层更为致密，有利于阻挡位错的延伸并保证得到的inn岛状层的晶体质量。第二阶段的生长压力较大，可以促进inn材料快速铺平inn岛状层的表面，保证得到的inn成核层的表面质量较好。
46.可选地，第一阶段对应的生长压力为200～300mbar，第一阶段对应的生长压力为100～200mbar。
47.可以保证inn成核层的第一阶段生长较慢，得到的inn岛状层更为致密，有利于阻挡位错的延伸并保证得到的inn岛状层的晶体质量。第二阶段的生长压力较大，可以促进inn材料快速铺平inn岛状层的表面，保证得到的inn成核层的表面质量较好。
48.示例性地，第一阶段对应的五族元素与三族元素的质量比大于第二阶段对应的五族元素与三族元素的质量比。
49.第一阶段对应的五族元素与三族元素的质量比大于第二阶段对应的五族元素与三族元素的质量比，可以实现晶格的过渡与匹配，提高得到的inn成核层的晶体质量。
50.需要说明的是，本公开所提供的五族元素包括al以及al的同族元素，三族元素包括n以及n的同族元素。
51.可选地，第一阶段对应的五族元素与三族元素的质量比为400～700，第二阶段对应的五族元素与三族元素的质量比为40～70。可以实现晶格的过渡与匹配，提高得到的inn成核层的晶体质量。
52.可选地，步骤s102中，生长alingan过渡层，包括：向反应腔通入氨气al源、in源与ga源；使al源的组分由0升高至1、in源由1降低至0以得到alingan过渡层。
53.alingan过渡层的in源与al源的变化可以控制alingan过渡层的势垒发生变化，通过alingan过渡层可以实现inn层与后续铝镓氮材料之间的良好匹配以提高hemt的晶体质量。
54.图2是本公开实施例提供的一种提高平整度的hemt外延片的结构示意图，参考图2可知，本公开实施例提供了一种提高平整度的hemt外延片，提高平整度的hemt外延片采用如前的提高平整度的hemt外延片制备方法制备，提高平整度的hemt外延片包括硅衬底1及依次层叠在硅衬底1上的复合过渡层2、algan缓冲层3、algan高阻层4、gan沟道层5、algan势垒层6与gan盖帽层7，复合过渡层2包括依次生长的inn成核层21与alingan过渡层22。
55.在硅衬底1上生长铝镓氮材料之前，先生长复合过渡层2，复合过渡层2包括依次生长的inn成核层21与alingan过渡层22。由于inn材料的禁带宽度为0.7ev，晶格常数为0.354nm，热膨胀系数为4.0*106/k，与aln或gan相比，inn成核层21与硅衬底1的成核层21具有更小的晶格失配和热失配，可以降低因晶格失配而产生的位错，从而提高外延层生长的晶体质量，提高复合过渡层2以及后续生长的铝镓氮材料的表面平整度。且inn成核层21在生长过程中，先以温度较低的第一温度进行第一阶段的生长，并得到inn岛状层。较低的第
一温度得到的inn岛状层的表面较为粗糙，可以起到使位错湮灭以降低复合过渡层2中位错密度的作用。再升温到第二温度在inn岛状层上沉积inn材料以形成inn成核层21，可以填平inn岛状层，使表面平整，且升温也可以提升inn成核层21的晶体质量，缺陷的减少与晶体质量的提高均有利于提高复合过渡层2的表面平整度。inn成核层21上再生长alingan过渡层22，可降低inn成核层21与后续algan外延层之间的晶格失配，减少缺陷的产生，最终提高外延层的晶体质量，提高得到的hemt外延片的表面平整度。
56.可选地，alingan过渡层中，由衬底指向复合过渡层的方向上，al源的组分由0升高至1、in源由1降低至0。可以有效缓解晶格失配，提高得到的复合过渡层的晶体质量。
57.示例性地，复合过渡层的厚度为20nm～50nm。
58.复合过渡层的厚度在以上范围内，可以有效提高得到的复合过渡层的晶体质量。
59.图3是本公开实施例提供的另一种提高平整度的hemt外延片制备方法流程图，参考图3可知，提高平整度的hemt外延片制备方法及外延片可包括：
60.s201：提供一硅衬底。
61.可选地，步骤s201，包括：在h2气氛、1000～1200℃的温度条件、50～150mbar的压力条件下处理硅衬底的表面5～10min。以除去si基硅衬底表面的杂质。
62.示例性地，步骤s201还包括：在1000～1100℃的温度条件、40～70mbar的压力条件下，向反应腔通入50～200sccm的al源，以在硅衬底的表面预铺一层al原子。可以促进aln层的均匀生长。
63.s202：在硅衬底生长复合过渡层。
64.步骤s202中复合过渡层的生长步骤可参考图1中所示的步骤s102中复合过渡层的生长步骤，此处不再赘述。
65.s203：在复合过渡层上生长algan缓冲层。
66.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。
67.s204：在algan缓冲层上生长algan高阻层。
68.在algan缓冲层上生长algan高阻层，可以有效减少algan缓冲层与algan高阻层之间会出现的晶格失配，以提高得到的algan高阻层的晶体质量，algan高阻层的质量得到保证则可以进一步提高在algan高阻层上生长到的其他外延材料的质量。
69.示例性地，algan高阻层的生长温度可1000℃-1200℃，algan高阻层的生长压力为40～70mbar。
70.algan高阻层的生长温度与生长压力分别在以上范围内，可以有效提高得到的algan高阻层的生长质量。
71.可选地，algan高阻层的生长厚度为1.0～2.0微米。可以保证algan高阻层本身的生长质量的同时有效达到高阻的目的。
72.可选地，algan高阻层中掺杂有碳，且碳元素的掺杂浓度为10
19
cm-3-10
20
cm-3
。
73.algan高阻层掺杂有碳可以提高algan高阻层的高阻效果，碳元素的掺杂浓度在以上范围内也可以保证algan高阻层本身的质量。
74.s205：在algan高阻层上生长gan沟道层。
75.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。
76.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。
77.s206：在gan沟道层上生长aln插入层。
78.可选地，aln插入层的生长条件包括：生长温度在1050℃～1150℃，压力在150～250mbar之间。可以得到质量较好的aln插入层。
79.s207：在aln插入层上生长algan势垒层。
80.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。
81.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。
82.s208：在algan势垒层上生长gan盖帽层。
83.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。
84.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。四溴化碳(cbr4)作为碳(c)源的前驱体，cl2作为腐蚀气体。
85.图4是本公开实施例提供的另一种提高平整度的hemt外延片的结构示意图，参考图4可知，提高平整度的hemt外延片包括硅衬底1及依次层叠在硅衬底1上的复合过渡层2、algan缓冲层3、algan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，复合过渡层2包括依次生长的inn成核层21与alingan过渡层22。
86.需要说明的是，图4中所示的复合过渡层2的结构与图2中所示的复合过渡层2的结构相同，因此此处不在赘述。
87.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。
88.可选地，gan沟道层5的厚度可为100～400nm。
89.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hemt外延片的质量。
90.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。
91.图4中相对图2中hemt外延片的结构，增加了aln插入层8，可以缓解晶格失配。
92.可选地，algan势垒层6的厚度可在15～40nm。能够保证hemt外延片的质量。
93.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。
94.示例性地，gan盖帽层7可为p型gan层。便于制备与获取。
95.可选地，gan盖帽层7的厚度为3～10nm。得到的gan盖帽层整体的质量较好。
96.示例性地，gan盖帽层7内的杂质为mg。便于制备与获取。
97.需要说明的是，图4仅为本公开实施例提供的hemt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，hemt外延片也可为包括有反射层的其他形式的hemt外延片，本公开对此不做限制。
98.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。