一种外延片、外延片制备方法及高电子迁移率晶体管与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种外延片、外延片制备方法及高电子迁移率晶体管。


背景技术：

2.作为第三代半导体材料，gan基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度达、化学稳定好、抗辐射耐高温、易形成异质结等优势，成为了制造高温、高频、大功率、抗辐射高电子迁移率晶体管（hemt）结构的首选材料。
3.htme器件的性能很大程度上依赖于其外延层晶体质量和二维电子气的迁移率，二维电子气迁移率的快慢对器件的导通电阻、功耗、电流承载能力、开关转换速度和截止频率都有着较大的影响。因此，如何制备出性能更加优越的高电子迁移率晶体管成为了各大厂商研究的重难点。
4.现有技术中，大部分的盖帽层为采用gan，因为gan盖帽层可以隔离algan势垒层与空气接触，避免algan势垒层中的al组分被氧化，从而可以提高algan势垒层的有效势垒高度，进而降低栅极漏电。但是gan的功函数比较大，与电极之间的欧姆接触电阻比较高，使得器件的导通电阻和功耗比较大，进而影响晶体管的电流承载能力。


技术实现要素：

5.基于此，本发明的目的是提供一种外延片、外延片制备方法及高电子迁移率晶体管，旨在解决现有技术中的外延片欧姆接触电阻高而导致电流承载能力低的问题。
6.本发明实施例是这样实现的：一种外延片，包括盖帽层，所述盖帽层包括依次层叠的第一子层、第二子层以及第三子层，所述第一子层与所述第三子层均为gan层，所述第二子层为ingan层；其中，所述第一子层的生长厚度与所述第三子层的生长厚度均小于或等于所述第二子层的生长厚度，所述第一子层的生长温度与所述第三子层的生长温度均高于或等于所述第二子层的生长温度。
7.另外，根据本发明提出的外延片，还可以具有如下的附加技术特征：进一步的，所述第一子层的生长厚度与所述第三子层的生长厚度相同，且所述第一子层的生长厚度与所述第三子层的生长厚度均为1~2 nm。
8.进一步的，所述第二子层的生长厚度为2~4 nm。
9.进一步的，所述第一子层的生长温度与所述第三子层的生长温度相同，且所述第一子层和所述第三子层的生长温度均为1000℃-1100℃。
10.进一步的，所述第二子层的生长温度为800℃-1000℃。
11.进一步的，所述第一子层与所述第三子层的生长压力均为50~150 mbar，所述第二子层的生长压力为100~200 mbar。
12.进一步的，所述外延片还包括衬底、成核层、高阻缓冲层、沟道层、插入层以及势垒
层；所述成核层、高阻缓冲层、沟道层、插入层、势垒层以及盖帽层依次层叠在所述衬底上。
13.本发明实施例的另一个目的在于提供一种外延片制备方法，用于制备上述任一项所述的外延片，生长所述外延片的盖帽层时，所述制备方法包括：以h2和n2做载气并通入生长对应所需的源，生长gan层，以制备所述盖帽层的第一子层；在所述第一子层上，外延生长ingan层，以制备所述盖帽层的第二子层；在所述第二子层上，外延生长gan层，以制备所述盖帽层的第三子层。
14.进一步的，上述外延片制备方法，其中，在生长所述外延片的盖帽层之前，还包括：提供一外延生长所需的衬底；在所述衬底上依次外延生长成核层、高阻缓冲层、沟道层、插入层、势垒层，所述盖帽层生长于所述势垒层上。
15.本发明的另一个目的在于提供一种高电子迁移率晶体管，包括上述任一项所述的外延片。
16.与现有技术相比：本发明通过将盖帽层设置为依次层叠的第一子层、第二子层以及第三子层的结构，同时第一子层和第三子层均为层gan层，第二子层为ingan层，第二子层的功函数较小，可以降低盖帽层整体的接触电阻，而第一子层与第三子层可以分别隔离势垒层和第二子层与空气接触，避免势垒层中的al组分、第二子层中的in组分被氧化，从而可以提高势垒层的有效势垒高度，进而降低栅极漏电，而第一子层和第三子层的生长厚度均小于第二子层的生长厚度，提升了第二子层在盖帽层中的比例，可以极大化的减少整个盖帽层的功函数，从而进一步的降低与电极的欧姆接触电阻，第二子层的生长温度低于第一子层和第三子层的生长温度，在低温生长条件下，防止第二子层的in组分析出，保障第二子层降低整个盖帽层功函数的能力，最终达到降低外延片中欧姆接触电阻的目的，降低了导通电阻和功耗，从而提高外延片的电流承载能力。
附图说明
17.图1为本发明一实施例当中的外延片的结构示意图。
18.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
19.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
20.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
21.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的
技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
22.本发明针对目前外延片欧姆接触电阻高而导致电流承载能力差的问题，提出了一种外延片、外延片制备方法及高电子迁移率晶体管，其中：请参阅图1，所示为本发明一实施例当中提出的外延片，包括衬底1、以及依次层叠于衬底1上的成核层3、高阻缓冲层4、沟道层5、插入层6、势垒层7以及盖帽层8。
23.具体的，盖帽层8包括依次层叠在势垒层7上的第一子层81、第二子层82以及第三子层83，第一子层81与第三子层83均为gan层，第二子层82为ingan层；其中，第一子层81的生长厚度与第三子层83的生长厚度均小于或等于第二子层82的生长厚度，第一子层81的生长温度与第三子层83的生长温度均高于或等于第二子层82的生长温度。
24.可以理解的，通过将盖帽层8设置为依次层叠的第一子层81、第二子层82以及第三子层83的结构，同时第一子层81和第三子层83均为层gan层，第二子层82为ingan层，第二子层82的功函数较小，可以降低盖帽层8整体的接触电阻，而第一子层81与第三子层83可以分别隔离势垒层7和第二子层82与空气接触，避免势垒层7中的al组分、第二子层82中的in组分被氧化，从而可以提高势垒层7的有效势垒高度，进而降低栅极漏电，而第一子层81和第三子层83的生长厚度均小于第二子层82的生长厚度，提升了第二子层82在盖帽层8中的比例，可以极大化的减少整个盖帽层8的功函数，从而进一步的降低与电极的欧姆接触电阻，第二子层82的生长温度低于第一子层81和第三子层83的生长温度，在低温生长条件下，防止第二子层82的in组分析出，保障第二子层82降低整个盖帽层8功函数的能力，最终达到降低外延片中欧姆接触电阻的目的，降低了导通电阻和功耗，从而提高外延片的电流承载能力。
25.进一步的，在本发明一些较佳的实施例当中，第一子层81的生长厚度与所述第三子层83的生长厚度相同，且第一子层81的生长温度与第三子层83的生长温度相同，具体的，第一子层81的生长厚度与第三子层83的生长厚度均为1~2 nm，第一子层81和第三子层83的生长温度均为1000℃-1100℃。
26.需要说明的是，在厚度和温度相同时使得第一子层81和第三子层83在结构上完全相同，可以减少因厚度或者生长条件不一致形成的晶体质量差异导致的势垒差异，进一步的降低整个盖帽层8的功函数，从而降低欧姆接触电阻，提高电流承载能力。
27.在本发明一些可选的实施例当中，第一子层81与第三子层83的生长压力均为50~150 mbar，例如，50 mbar、100 mbar以及150 mbar等，第二子层82的生长压力为100~200 mbar，例如，100 mbar、150 mbar以及200 mbar等。
28.示例而非限定，在本实施例当中，衬底1为p型掺杂si衬底1，成核层3为aln层，高阻缓冲层4为algan，沟道层5为gan层，插入层6为aln层，势垒层7为algan。
29.另外，在衬底1与成核层3之间还设有预铺al层2，通过预铺al层2可以有效抑制衬底1与外延结构之间的界面反应。
30.另一方面，本发明提出的外延片制备方法，用于制备上述的外延片，所述制备方法包括如下步骤：
步骤s10，提供衬底，将衬底置于mocvd系统中，腔体温度升至1000~1200℃之间，腔体压力在50~100 mbar之间，在h2气氛下高温处理5~10 min，除去衬底表面的氧化物。
31.其中，衬底优选为p型掺杂的si衬底。
32.步骤s11，衬底在高温处理后生长厚度为1~5nm的预铺al层，生长温度为1000~1100℃，压力为40~70 mbar，通入al源流量为50~200 sccm。
33.步骤s12，在预铺al层生长结束后，温度调节至1100℃-1200℃，生长厚度在100~300 nm的aln成核层，生长压力为40~70 mbar。
34.步骤s13，在aln成核层上生长一层碳（c）掺杂的algan高阻缓冲层，生长温度为1000℃-1200℃，压力为40~70 mbar。
35.其中，algan高阻缓冲层的厚度为2.0~4.0 微米之间，c掺杂浓度为1*10
19
cm-3-1*10
20
cm-3
，al组分范围为0.2~0.8。
36.步骤s14，在 c掺杂的algan高阻缓冲层上生长gan沟道层，生长温度为1000℃-1150℃，压力为100~300 mbar之间。
37.其中，gan沟道层厚度为300~600 nm。
38.步骤s15，在gan沟道层上生长aln插入层，生长温度为1050℃-1150℃，压力为40~70 mbar。
39.其中，aln插入层的厚度为1nm。
40.步骤s16，在aln插入层上生长algan势垒层，生长温度为1050℃-1150℃，压力为40~70 mbar。
41.其中，algan势垒层的厚度为20~25 nm，al组分为0.20~0.25。
42.步骤s17，在algan势垒层上生长盖帽层，在生长所述盖帽层时，所述制备方法包括：以h2和n2做载气并通入生长对应所需的源，生长gan层，以制备所述盖帽层的第一子层；在所述第一子层上，外延生长ingan层，以制备所述盖帽层的第二子层；在所述第二子层上，外延生长gan层，以制备所述盖帽层的第三子层。
43.其中，第一子层和第二子层的生长厚度均为1~2 nm，生长温度均为1000℃-1100℃，生长压力均为50~150 mbar；第二子层生长厚度为2~4 nm，生长温度为800℃-1000℃，生长压力为100~200 mbar。
44.步骤s18，外延结构生长结束后，将反应腔温度降低，在氮气气氛中降至室温外延生长结束。
45.进一步的，在上述外延片的制备过程中，三甲基铝（tmal）、三甲基镓或三乙基镓（tmga或tega）、nh3分别作为ⅲ族源和
ⅴ
族源的前驱体，四溴化碳（cbr4）作为碳（c）源的前驱体，n2和h2作为载气。
46.为了便于理解本发明，下面将参照相关实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
47.实施例1提供衬底；
在所述衬底上依次外延生长预铺al层、aln成核层、algan高阻缓冲层、gan沟道层、aln插入层、以及algan势垒层。
48.在生长温度为1000℃，生长压力为100mbar的条件下在algan势垒层生长gan的第一子层，接着在生长温度为1000℃，生长压力为100mbar的条件下在gan的第一子层上生长ingan的第二子层，最后在生长温度为1000℃，生长压力为100mbar的条件下生长gan的第三子层。
49.其中，第一子层、第二子层以及第三子层的厚度均为2nm。
50.实施例2本发明实施例2也提出一种外延片及其制备方法，本实施例当中的外延片及其制备方法与实施例1当中的外延片及其制备方法的不同之处在于：第一子层和第三子层的厚度均为1nm，第二子层的厚度为4nm。
51.实施例3本发明实施例3也提出一种外延片及其制备方法，本实施例当中的外延片及其制备方法与实施例1当中的外延片及其制备方法的不同之处在于：第一子层和第三子层的厚度均为1nm，第二子层的厚度为4nm，第一子层和第三子层的生长温度均为1000℃，第二子层的生长温度为900℃。
52.实施例4本发明实施例4也提出一种外延片及其制备方法，本实施例当中的外延片及其制备方法与实施例1当中的外延片及其制备方法的不同之处在于：第一子层和第三子层的厚度均为1nm，第二子层的厚度为4nm，第一子层和第三子层的生长温度均为1000℃，第二子层的生长温度为800℃。
53.为了与本发明上述实施例进行对比，本发明实施例还提出以下对比例。
54.对照例1其中，本发明对照例一也提出一种外延片及其制备方法，本实施例当中的外延片及其制备方法与实施例一当中的外延片及其制备方法的不同之处在于：对照例一当中的盖帽层为单独的gan层，gan层的生长压力为100mbar，生长温度为1000℃，厚度为6nm。
55.请参阅下表 1，所示为本发明上述实施例 1~4及对照例1对应的参数。
56.表1
上表1中，第一子层与第三子层均为gan层，第二子层为ingan层。
57.在实际应用当中，分别采用本发明上述实施例 1-4、及对照例 1 所对应的制备方法及参数制备得到对应的外延片，并对各实例制备得到的外延片进行接触电阻以及输出功率的测试，测试数据如下表 2 所示。需要说明的是，为了保证验证结果的可靠性，本发明上述实施例 1-4、及对照例 1 对应制备外延片时除上述参数不同以外、其它都应当相同，例如盖帽层的其他层的制备工艺及参数都应当保持一致。
58.表2结合上述表 1 和表 2 的数据可以明显看出，本发明实施例采用第一子层第二子层以及第三子层形成盖帽层，同时第一子层和第三子层均为gan层，第二子层为ingan层，明显降低了所制备得到的外延片的接触电阻，提升了电流承载能力，最终提高输出功率。
59.另外，结合实施例1和实施例2可以明显看出，当第一子层与第三子层的厚度均明显低于第二子层厚度时，接触电阻降低效果比较明显，那是因为，用于降低盖帽层功函数的第二子层占比增大，使得整个盖帽层的整体功函数降低明显，从而降低接触电阻；结合实施例2和实施例4可以明显看出，当第一子层和第三子层的温度均明显高于第二子层时，接触电阻降低效果又进一步提升，那是因为，第二子层的生长温度低于第一子
层和第三子层的生长温度，在低温生长条件下，防止第二子层的in组分析出，保障第二子层降低整个盖帽层功函数的能力，最终达到降低外延片中欧姆接触电阻的目的。
60.对照例1中，盖帽层虽然设置为gan层，但也仅有gan层，但是gan层的功函数比较大，导致与电极之间的欧姆接触电阻比较高，而在设置了gan层，与ingan层后，电阻得以降低，那是因为，第二子层的功函数较小，可以降低盖帽层的整体功函数，并且第一子层与第三子层可以分别隔离势垒层和第二子层与空气接触，避免势垒层中的al组分、第二子层中的in组分被氧化，从而可以提高势垒层的有效势垒高度，进而降低栅极漏电，并保障第二子层降低盖帽层整体功函数的性能，最终降低接触电阻。
61.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。