一種采用AlGaN溝道層的異質(zhì)結(jié)材料的生長(zhǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種采用AIGaN溝道層的異質(zhì)結(jié)材料結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)方法，屬于半導(dǎo) 體器件生產(chǎn)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 功率半導(dǎo)體是節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)，被大量應(yīng)用于消費(fèi)類電子、新能 源汽車、光伏發(fā)電、風(fēng)電、工業(yè)控制等。近年來我國(guó)大部分地區(qū)霧霾天氣頻發(fā)，在這種背景 下，大規(guī)模使用功率半導(dǎo)體技術(shù)來提高能源效率、促進(jìn)節(jié)能減排，成為半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的重 要方向。
[0003] 目前功率半導(dǎo)體的主流材料還是硅，作為下一代材料，能夠?qū)崿F(xiàn)比硅元件損耗更 低的SiC和GaN功率元件倍受關(guān)注。傳統(tǒng)的GaN基功率器件是采用以GaN材料作為溝道層 的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料制作。與AlGaN/GaN相比，InAlN/AlGaN異質(zhì)結(jié)界面帶隙差更大， 可以產(chǎn)生更高的二維電子氣濃度，非常有利于制作大功率器件；同時(shí)，AIGaN溝道與GaN溝 道相比，禁帶寬度更大、擊穿電壓更高，更適合耐壓更高的功率半導(dǎo)體器件的研制。結(jié)合圖 1所示，InAlN/AlGaN異質(zhì)結(jié)材料結(jié)構(gòu)包括襯底1、GaN成核層2、AIGaN溝道層3、A1N插入 層4和InAIN勢(shì)皇層5。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出的是一種采用AIGaN溝道層的異質(zhì)結(jié)材料的生長(zhǎng)方法，其目的旨在克 服現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種更適用于大電流、高耐壓的功率半導(dǎo)體器件研制的采用AIGaN 溝道層的異質(zhì)結(jié)材料，并進(jìn)一步提供該材料的生長(zhǎng)方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：采用AIGaN溝道層的異質(zhì)結(jié)材料的生長(zhǎng)方法，包括如 下工藝步驟： 1) 選?。?001)面藍(lán)寶石（1)襯底，并在氫氣氣氛下對(duì)所述襯底進(jìn)行表面預(yù)處理； 2) 在所述襯底上依次生長(zhǎng)GaN成核層、AlxGai_xN溝道層、AIN插入層和IriyAl^N勢(shì)皇 層，其中 〇 <x< 0? 1、0 <y< 0? 2。
[0006] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：制備的InAlN/AlGaN異質(zhì)結(jié)材料室溫二維電子氣迀移率達(dá)到551 cm2v4s'二維電子氣濃度1.94X1013cnT2,適合于大電流、大功率、高擊穿半導(dǎo)體器件的研 制，且該工藝方法重復(fù)性好，符合工業(yè)應(yīng)用要求。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單易行，與現(xiàn)有MOCVD(金屬 有機(jī)物化學(xué)氣相沉淀)方法生長(zhǎng)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料工藝兼容，且對(duì)MOCVD系統(tǒng)不會(huì)造成 任何污染。
[0007] 本發(fā)明以上各方面中的特征可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)自由組合，而并不受其順序的 限制一一只要組合后的技術(shù)方案落在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神內(nèi)。
【附圖說明】
[0008] 附圖1為InAlN/AlGaN異質(zhì)結(jié)材料結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0009] 附圖2為InAlN/AlGaN異質(zhì)結(jié)材料方塊電阻分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施方式僅用于 說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀本發(fā)明之后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明 的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)的權(quán)利要求所限定的范圍。
[0011] 對(duì)照?qǐng)D1，InAlN/AlGaN異質(zhì)結(jié)材料，其結(jié)構(gòu)五層，由下往上依次為襯底l、GaN成核 層2、AlGaN溝道層3、AIN插入層4和InAIN勢(shì)皇層5。
[0012] 其生長(zhǎng)方法，包括如下工藝步驟： 1) 選?。?001)面藍(lán)寶石（1)襯底，并在氫氣氣氛下對(duì)所述襯底進(jìn)行表面預(yù)處理； 2) 在所述襯底上依次生長(zhǎng)GaN成核層、AlxGai_xN溝道層、AIN插入層和IriyAl^N勢(shì)皇 層，其中 〇 <x< 0? 1、0 <y< 0? 2。
[0013] 所述生長(zhǎng)GaN成核層生長(zhǎng)溫度為520?560°C，生長(zhǎng)氣壓為450~550毫米汞柱，生 長(zhǎng)源為氨氣、三甲基鎵，生長(zhǎng)厚度為20?30nm。
[0014] 所述生長(zhǎng)AlGaN溝道層的生長(zhǎng)溫度為1000?1100°C，生長(zhǎng)氣壓為50?100毫米 汞柱，生長(zhǎng)源為氨氣、三甲基鎵、三甲基鋁，生長(zhǎng)厚度為1?3ym。
[0015] 所述生長(zhǎng)A1N插入層的生長(zhǎng)溫度為1000?1100°C，生長(zhǎng)氣壓為50?100毫米汞 柱，生長(zhǎng)源為氨氣、三甲基鋁，生長(zhǎng)厚度為1?2nm。
[0016] 所述生長(zhǎng)InyAlpyN勢(shì)皇層的生長(zhǎng)溫度為750?800°C，生長(zhǎng)氣壓為50~150毫米汞 柱，生長(zhǎng)源為氨氣、三甲基銦及三甲基鋁，生長(zhǎng)厚度為3?20nm、0 <y< 0. 2。
[0017] 實(shí)施例1 本實(shí)施例1提供的在（0001)面藍(lán)寶石襯底外延生長(zhǎng)InAlN/AlGaN異質(zhì)結(jié)材料的方法 包括以下步驟： S1、使用MOCVD設(shè)備（19X2"ThomasSwanCloseCoupledShowerhead)，選取（0001) 面的藍(lán)寶石襯底，將襯底置于有SiC涂層的石墨基座上。
[0018] S2、系統(tǒng)升溫至1100°C，設(shè)置氣壓為50毫米汞柱，在H2 (流量40L/min)氣氛下對(duì) 藍(lán)寶石襯底進(jìn)行表面預(yù)處理，去除表面沾污，處理時(shí)間為5分鐘。
[0019] S3、降溫至550°C，通入氨氣（NH3)、三甲基鎵（TMGa)，生長(zhǎng)厚度為25nm的低溫 GaN成核層，生長(zhǎng)氣壓為500毫米汞柱，使用在線反射率測(cè)試儀監(jiān)控低溫GaN成核層厚度。
[0020] S4、升溫至1050°C，通入氨氣（NH3)、三甲基鎵（TMGa)、三甲基鋁（TMA1)，生長(zhǎng)厚度 為2ym的95N溝道層，生長(zhǎng)氣壓為100毫米汞柱。
[0021] S5、保持1050°C的生長(zhǎng)溫度，通入氨氣（NH3)、三甲基鋁（TMA1)，生長(zhǎng)厚度為1nm 的A1N插入層，生長(zhǎng)氣壓為100毫米汞柱。
[0022] S6、降溫至770°C，通入氨氣（順3)、三甲基銦（TMIn)及三甲基鋁（TMA1)，生長(zhǎng)厚度 為7nm的1% 17Ala83N勢(shì)皇層，生長(zhǎng)氣壓為50毫米采柱。
[0023] S7、關(guān)閉生長(zhǎng)源，降溫。
[0024] 利用Lehighton1500C非接觸方阻測(cè)試儀測(cè)試材料的的方塊電阻Mapping分布， 如圖2所示。利用范德堡法由Bio-Rad5900+霍爾測(cè)試儀測(cè)試材料的室溫二維電子氣迀移 率及濃度。
[0025] 實(shí)施例2 與實(shí)施例1不同的是： 在S4步驟中，升溫至1050°C，通入氨氣（順3)、三甲基鎵（TMGa)、三甲基鋁（TMA1)，生長(zhǎng) 厚度為2ym的AUa^N溝道層，生長(zhǎng)氣壓為100毫米汞柱。
[0026] 實(shí)施例3 與實(shí)施例1不同的是： 在S6步驟中，降溫至770 °C，通入氨氣（NH3)、三甲基銦（TMIn)及三甲基鋁（TMA1)，生長(zhǎng) 厚度為5 nm Inai7Ala83N勢(shì)皇層，生長(zhǎng)氣壓為50毫米采柱。
[0027] 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 采用AlGaN溝道層的異質(zhì)結(jié)材料的生長(zhǎng)方法，其特征是該方法包括如下工藝步驟： 1) 選?。?001)面藍(lán)寶石（1)襯底，并在氨氣氣氛下對(duì)所述襯底進(jìn)行表面預(yù)處理； 2) 在所述襯底上依次生長(zhǎng)GaN成核層、Al,Gai_,N溝道層、AIN插入層和InyAli_yN勢(shì)壘 層，其中 0 < X < 0. 1、0 < y < 0. 2。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的InAlN/AlGaN異質(zhì)結(jié)材料的生長(zhǎng)方法，其特征在于；所述生 長(zhǎng)GaN成核層生長(zhǎng)溫度為520?560°C，生長(zhǎng)氣壓為450?550毫米隸柱，生長(zhǎng)源為氨氣、S 甲基嫁，生長(zhǎng)厚度為20?30皿。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的InAlN/AlGaN異質(zhì)結(jié)材料的生長(zhǎng)方法，其特征在于；所述生 長(zhǎng)AlGaN溝道層的生長(zhǎng)溫度為1000?llOOC，生長(zhǎng)氣壓為50?100毫米隸柱，生長(zhǎng)源為氨 氣、S甲基嫁、S甲基侶，生長(zhǎng)厚度為1?3ym。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的InAlN/AlGaN異質(zhì)結(jié)材料的生長(zhǎng)方法，其特征在于；所述生 長(zhǎng)A1N插入層的生長(zhǎng)溫度為1000?llOOC，生長(zhǎng)氣壓為50?100毫米隸柱，生長(zhǎng)源為氨 氣、S甲基侶，生長(zhǎng)厚度為1?2皿。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的InAlN/AlGaN異質(zhì)結(jié)材料的生長(zhǎng)方法，其特征在于；所述生 長(zhǎng)InyAli_yN勢(shì)壘層的生長(zhǎng)溫度為750?800°C，生長(zhǎng)氣壓為50?150毫米隸柱，生長(zhǎng)源為氨 氣、=甲基銅及=甲基侶，生長(zhǎng)厚度為3?20 nm、0 < y < 0. 2。
【專利摘要】本發(fā)明是一種采用AlGaN溝道層的異質(zhì)結(jié)材料的生長(zhǎng)方法，包括：1）選取(0001)面藍(lán)寶石襯底襯底，在氫氣氣氛下對(duì)襯底表面預(yù)處理；2）在襯底上依次生長(zhǎng)GaN成核層、AlxGa1-xN溝道層、AIN插入層和InyAl1-yN勢(shì)壘層，其中0＜x＜0.1、0＜y＜0.2。優(yōu)點(diǎn)：制備的InAlN/AlGaN異質(zhì)結(jié)材料室溫二維電子氣遷移率達(dá)551？cm2？v-1？s-1，二維電子氣濃度1.94×1013cm-2，適合于大電流、大功率、高擊穿半導(dǎo)體器件的研制，且該方法重復(fù)性好，符合工業(yè)應(yīng)用要求；方法簡(jiǎn)單易行，與現(xiàn)有MOCVD方法生長(zhǎng)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料工藝兼容，且對(duì)MOCVD系統(tǒng)不會(huì)造成任何污染。
【IPC分類】H01L21-02, H01L21-335
【公開號(hào)】CN104576317
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410769404
【發(fā)明人】董遜
【申請(qǐng)人】中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月15日