一种采用AlGaN沟道层的异质结材料的生长方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种采用AIGaN沟道层的异质结材料结构及生长方法，属于半导 体器件生产领域。
【背景技术】
[0002] 功率半导体是节能减排的关键技术和基础技术，被大量应用于消费类电子、新能 源汽车、光伏发电、风电、工业控制等。近年来我国大部分地区雾霾天气频发，在这种背景 下，大规模使用功率半导体技术来提高能源效率、促进节能减排，成为半导体行业发展的重 要方向。
[0003] 目前功率半导体的主流材料还是硅，作为下一代材料，能够实现比硅元件损耗更 低的SiC和GaN功率元件倍受关注。传统的GaN基功率器件是采用以GaN材料作为沟道层 的AlGaN/GaN异质结材料制作。与AlGaN/GaN相比，InAlN/AlGaN异质结界面带隙差更大， 可以产生更高的二维电子气浓度，非常有利于制作大功率器件；同时，AIGaN沟道与GaN沟 道相比，禁带宽度更大、击穿电压更高，更适合耐压更高的功率半导体器件的研制。结合图 1所示，InAlN/AlGaN异质结材料结构包括衬底1、GaN成核层2、AIGaN沟道层3、A1N插入 层4和InAIN势皇层5。
【发明内容】
[0004] 本发明提出的是一种采用AIGaN沟道层的异质结材料的生长方法，其目的旨在克 服现有技术的不足，设计一种更适用于大电流、高耐压的功率半导体器件研制的采用AIGaN 沟道层的异质结材料，并进一步提供该材料的生长方法。
[0005] 本发明的技术解决方案是：采用AIGaN沟道层的异质结材料的生长方法，包括如 下工艺步骤： 1) 选取（0001)面蓝宝石（1)衬底，并在氢气气氛下对所述衬底进行表面预处理； 2) 在所述衬底上依次生长GaN成核层、AlxGai_xN沟道层、AIN插入层和IriyAl^N势皇 层，其中 〇 <x< 0? 1、0 <y< 0? 2。
[0006] 本发明的优点：制备的InAlN/AlGaN异质结材料室温二维电子气迀移率达到551 cm2v4s'二维电子气浓度1.94X1013cnT2,适合于大电流、大功率、高击穿半导体器件的研 制，且该工艺方法重复性好，符合工业应用要求。本发明方法简单易行，与现有MOCVD(金属 有机物化学气相沉淀)方法生长AlGaN/GaN异质结材料工艺兼容，且对MOCVD系统不会造成 任何污染。
[0007] 本发明以上各方面中的特征可以在本发明的范围内自由组合，而并不受其顺序的 限制一一只要组合后的技术方案落在本发明的实质精神内。
【附图说明】
[0008] 附图1为InAlN/AlGaN异质结材料结构的剖面图。
[0009] 附图2为InAlN/AlGaN异质结材料方块电阻分布图。
【具体实施方式】
[0010] 下面结合附图和【具体实施方式】，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于 说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域的技术人员对本发明 的各种等价形式的修改均落于本申请的权利要求所限定的范围。
[0011] 对照图1，InAlN/AlGaN异质结材料，其结构五层，由下往上依次为衬底l、GaN成核 层2、AlGaN沟道层3、AIN插入层4和InAIN势皇层5。
[0012] 其生长方法，包括如下工艺步骤： 1) 选取（0001)面蓝宝石（1)衬底，并在氢气气氛下对所述衬底进行表面预处理； 2) 在所述衬底上依次生长GaN成核层、AlxGai_xN沟道层、AIN插入层和IriyAl^N势皇 层，其中 〇 <x< 0? 1、0 <y< 0? 2。
[0013] 所述生长GaN成核层生长温度为520?560°C，生长气压为450~550毫米汞柱，生 长源为氨气、三甲基镓，生长厚度为20?30nm。
[0014] 所述生长AlGaN沟道层的生长温度为1000?1100°C，生长气压为50?100毫米 汞柱，生长源为氨气、三甲基镓、三甲基铝，生长厚度为1?3ym。
[0015] 所述生长A1N插入层的生长温度为1000?1100°C，生长气压为50?100毫米汞 柱，生长源为氨气、三甲基铝，生长厚度为1?2nm。
[0016] 所述生长InyAlpyN势皇层的生长温度为750?800°C，生长气压为50~150毫米汞 柱，生长源为氨气、三甲基铟及三甲基铝，生长厚度为3?20nm、0 <y< 0. 2。
[0017] 实施例1 本实施例1提供的在（0001)面蓝宝石衬底外延生长InAlN/AlGaN异质结材料的方法 包括以下步骤： S1、使用MOCVD设备（19X2"ThomasSwanCloseCoupledShowerhead)，选取（0001) 面的蓝宝石衬底，将衬底置于有SiC涂层的石墨基座上。
[0018] S2、系统升温至1100°C，设置气压为50毫米汞柱，在H2 (流量40L/min)气氛下对 蓝宝石衬底进行表面预处理，去除表面沾污，处理时间为5分钟。
[0019] S3、降温至550°C，通入氨气（NH3)、三甲基镓（TMGa)，生长厚度为25nm的低温 GaN成核层，生长气压为500毫米汞柱，使用在线反射率测试仪监控低温GaN成核层厚度。
[0020] S4、升温至1050°C，通入氨气（NH3)、三甲基镓（TMGa)、三甲基铝（TMA1)，生长厚度 为2ym的95N沟道层，生长气压为100毫米汞柱。
[0021] S5、保持1050°C的生长温度，通入氨气（NH3)、三甲基铝（TMA1)，生长厚度为1nm 的A1N插入层，生长气压为100毫米汞柱。
[0022] S6、降温至770°C，通入氨气（順3)、三甲基铟（TMIn)及三甲基铝（TMA1)，生长厚度 为7nm的1% 17Ala83N势皇层，生长气压为50毫米采柱。
[0023] S7、关闭生长源，降温。
[0024] 利用Lehighton1500C非接触方阻测试仪测试材料的的方块电阻Mapping分布， 如图2所示。利用范德堡法由Bio-Rad5900+霍尔测试仪测试材料的室温二维电子气迀移 率及浓度。
[0025] 实施例2 与实施例1不同的是： 在S4步骤中，升温至1050°C，通入氨气（順3)、三甲基镓（TMGa)、三甲基铝（TMA1)，生长 厚度为2ym的AUa^N沟道层，生长气压为100毫米汞柱。
[0026] 实施例3 与实施例1不同的是： 在S6步骤中，降温至770 °C，通入氨气（NH3)、三甲基铟（TMIn)及三甲基铝（TMA1)，生长 厚度为5 nm Inai7Ala83N势皇层，生长气压为50毫米采柱。
[0027] 实验数据总结：
【主权项】
1. 采用AlGaN沟道层的异质结材料的生长方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤： 1) 选取（0001)面藍宝石（1)衬底，并在氨气气氛下对所述衬底进行表面预处理； 2) 在所述衬底上依次生长GaN成核层、Al,Gai_,N沟道层、AIN插入层和InyAli_yN势垒 层，其中 0 < X < 0. 1、0 < y < 0. 2。
2. 根据权利要求1所述的InAlN/AlGaN异质结材料的生长方法，其特征在于；所述生 长GaN成核层生长温度为520?560°C，生长气压为450?550毫米隶柱，生长源为氨气、S 甲基嫁，生长厚度为20?30皿。
3. 根据权利要求1所述的InAlN/AlGaN异质结材料的生长方法，其特征在于；所述生 长AlGaN沟道层的生长温度为1000?llOOC，生长气压为50?100毫米隶柱，生长源为氨 气、S甲基嫁、S甲基侣，生长厚度为1?3ym。
4. 根据权利要求1所述的InAlN/AlGaN异质结材料的生长方法，其特征在于；所述生 长A1N插入层的生长温度为1000?llOOC，生长气压为50?100毫米隶柱，生长源为氨 气、S甲基侣，生长厚度为1?2皿。
5. 根据权利要求1所述的InAlN/AlGaN异质结材料的生长方法，其特征在于；所述生 长InyAli_yN势垒层的生长温度为750?800°C，生长气压为50?150毫米隶柱，生长源为氨 气、=甲基铜及=甲基侣，生长厚度为3?20 nm、0 < y < 0. 2。
【专利摘要】本发明是一种采用AlGaN沟道层的异质结材料的生长方法，包括：1）选取(0001)面蓝宝石衬底衬底，在氢气气氛下对衬底表面预处理；2）在衬底上依次生长GaN成核层、AlxGa1-xN沟道层、AIN插入层和InyAl1-yN势垒层，其中0＜x＜0.1、0＜y＜0.2。优点：制备的InAlN/AlGaN异质结材料室温二维电子气迁移率达551？cm2？v-1？s-1，二维电子气浓度1.94×1013cm-2，适合于大电流、大功率、高击穿半导体器件的研制，且该方法重复性好，符合工业应用要求；方法简单易行，与现有MOCVD方法生长AlGaN/GaN异质结材料工艺兼容，且对MOCVD系统不会造成任何污染。
【IPC分类】H01L21-02, H01L21-335
【公开号】CN104576317
【申请号】CN201410769404
【发明人】董逊
【申请人】中国电子科技集团公司第五十五研究所
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月15日