CN112701160A - 氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法，属于半导体技术领域。所述氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片包括衬底以及层叠在所述衬底上的缓冲层、高阻缓冲层、沟道层、AlGaN势垒层和帽层，所述帽层包括依次层叠的第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层为P型掺杂的InxGa1‑xN/MgN超晶格结构，0＜x＜1，所述第二半导体层为P型掺杂的AlyGa1‑yN/InzGa1‑zN超晶格结构，0＜y＜1，0＜z＜1。该外延片可以提高帽层中Mg的掺杂浓度，形成增强型HEMT，同时提高增强型HEMT外延片的晶体质量。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基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(High Electron MobilityTransistor，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。氮化镓外延片的结构一般包括衬底和依次层叠在衬底上的缓冲层、高阻缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层以及帽层。常见的实现增强型GaN HEMT异质结生长工艺通常包括生长非极化面异质结、薄势垒层和P型GaN帽层等结构，其中以P型GaN帽层实现最为简便，难点是P型掺杂浓度较低的问题。
P型GaN帽层目前主要采用的是Mg掺杂，但掺Mg存在易被H钝化导致激活能较高的问题，Mg的离化率很低，需要较高的掺杂浓度才能实现P型。同时由于GaN层与碳化硅衬底、蓝宝石衬底或单晶硅衬底之间均存在较大的晶格失配，易产生应力，从而使得最终生长得到的氮化镓基外延片的晶体质量较差，而外延片的晶体质量较差，同样也会影响P型GaN帽层中Mg的掺杂。
发明内容
本公开实施例提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法，可以提高帽层中Mg的掺杂浓度，形成增强型HEMT，同时提高增强型HEMT外延片的晶体质量。所述技术方案如下：
第一方面，提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，所述氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片包括衬底以及层叠在所述衬底上的缓冲层、高阻缓冲层、沟道层、AlGaN势垒层和帽层，
所述帽层包括依次层叠的第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层为P型掺杂的InxGa1-xN/MgN超晶格结构，0＜x＜1，所述第二半导体层为P型掺杂的AlyGa1-yN/InzGa1-zN超晶格结构，0＜y＜1，0＜z＜1。
可选地，所述帽层的厚度为4nm～1um。
可选地，所述第一半导体层中的InxGa1-xN层的厚度为1nm～100nm，所述第一半导体层中的MgN层的厚度为1nm～50nm。
可选地，所述第二半导体层中的AlyGa1-yN层的厚度为1nm～100nm，所述第二半导体层中的InzGa1-zN层的厚度为1nm～100nm。
第二方面，提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、高阻缓冲层、沟道层、AlGaN势垒层和帽层；
所述帽层包括依次层叠的第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层为P型掺杂的InxGa1-xN/MgN超晶格结构，0＜x＜1，所述第二半导体层为P型掺杂的AlyGa1-yN/InzGa1-zN超晶格结构，0＜y＜1，0＜z＜1。
可选地，生长所述帽层，包括：
向反应腔内通入氮气，停止通入氢气，生长所述第一半导体层；
向反应腔内通入氢气，停止通入氮气，生长所述第二半导体层中的AlyGa1-yN层；
向反应腔内通入氮气，停止通入氢气，生长所述第二半导体层中的InzGa1-zN层。
可选地，所述第一半导体层的生长温度低于所述AlGaN势垒层的生长温度。
可选地，所述InxGa1-xN层的生长温度与所述MgN层的生长温度相等。
可选地，所述第二半导体层的生长温度为960℃～1000℃
可选地，所述AlyGa1-yN层的生长温度大于所述InzGa1-zN层的生长温度。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将帽层设置为包括依次层叠的第一半导体层和第二半导体层，其中第一半导体层为P型掺杂的InxGa1-xN/MgN超晶格结构。InxGa1-xN层的晶格常数大，MgN层的晶格常数小，两层交替设置，有利于应力的释放。第二半导体层为P型掺杂的AlyGa1-yN/InzGa1-zN超晶格结构。同样地，InxGa1-xN层的晶格常数大，MgN层的晶格常数小，两层交替设置，有利于应力的释放，从而可以将外延片底层聚集的应力进行释放，形成晶体质量较高的氮化镓基HEMT外延片，从而有利于帽层中Mg的掺杂。同时，第一半导体层和第二半导体中均含有In，In可以降低Mg的激活能，从而可以提高帽层中Mg的掺杂浓度，形成增强型HEMT。
附图说明
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。
图1是本公开实施例提供的一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的一种帽层的结构示意图；
图3是本公开实施例提供的一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法流程图；
图4是本公开实施例提供的另一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法流程图。
具体实施方式
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。
图1是本公开实施例提供的一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图，如图1所示，该氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片包括衬底1以及层叠在衬底1上的缓冲层2、高阻缓冲层3、沟道层4、AlGaN势垒层5和帽层6。
图2是本公开实施例提供的一种帽层的结构示意图，如图2所示，帽层6包括依次层叠的第一半导体层61和第二半导体层62。第一半导体层61为P型掺杂的InxGa1-xN/MgN超晶格结构，0＜x＜1，第二半导体层62为P型掺杂的AlyGa1-yN/InzGa1-zN超晶格结构，0＜y＜1，0＜z＜1。
本公开实施例通过将帽层设置为包括依次层叠的第一半导体层和第二半导体层，其中第一半导体层为P型掺杂的InxGa1-xN/MgN超晶格结构。InxGa1-xN层的晶格常数大，MgN层的晶格常数小，两层交替设置，有利于应力的释放。第二半导体层为P型掺杂的AlyGa1-yN/InzGa1-zN超晶格结构。同样地，InxGa1-xN层的晶格常数大，MgN层的晶格常数小，两层交替设置，有利于应力的释放，从而可以将外延片底层聚集的应力进行释放，形成晶体质量较高的氮化镓基HEMT外延片，从而有利于帽层中Mg的掺杂。同时，第一半导体层和第二半导体中均含有In，In可以降低Mg的激活能，从而可以提高帽层中Mg的掺杂浓度，形成增强型HEMT。
其中，第一半导体层61中的InxGa1-xN层与AlGaN势垒层5接触，有利于改善积聚在AlGaN势垒层上的应力，从而提高外延片生长的晶体质量。
可选地，第一半导体层61和第二半导体层62的超晶格数量大于2，以保证各半导体层能够起到较好的应力释放的效果。
可选地，帽层6的厚度为4nm～1um。
若帽层6的厚度小于4nm，则起不到实现GaN基增强型高电子迁移率晶体管器件的作用。若帽层6的厚度大于1um，则会由于帽层的过厚而影响GaN/AlGaN异质结界面二维电子气浓度。
可选地，第一半导体层61和第二半导体层62均为Mg掺杂。其中，第一半导体层61中Mg的掺杂浓度为1*1020cm-3～5*1020cm-3，第二半导体层62中Mg的掺杂浓度为1*1019cm-3～9*1019cm-3。
通过在帽层中掺Mg，可以获得高的掺杂浓度，从而获得较高的空穴浓度，实现增强型HEMT。
可选地，第一半导体层61中的InxGa1-xN层的厚度为1nm～100nm，第一半导体层61中的MgN层的厚度为1nm～50nm。
若InxGa1-xN层的厚度过厚，会导致第一半导体层61中产生较大的应力，从而影响帽层的晶体质量。若InxGa1-xN层的厚度过薄，则起不到降低Mg的激活能的作用。而MgN材料本身就不好生长，若MgN的厚度过厚，会产生较多缺陷，同时还会导致Mg的扩散从而影响器件的性能。
可选地，第二半导体层62中的AlyGa1-yN层的厚度为1nm～100nm，第二半导体层62中的InzGa1-zN层的厚度为1nm～100nm。
由于AlyGa1-yN层的压应变小，InzGa1-zN层的张应变大，因此，通过控制AlGaN子层和InGaN子层的厚度在上述取值范围内，可以进一步改善外延层的应力而提高外延片的生长质量。
可选地，0＜x＜0.5，0＜y＜0.4，0＜z＜0.5。
示例性地，第一半导体层61为P型掺杂的In0.1Ga0.9N/MgN超晶格结构，第二半导体层62为P型掺杂的Al0.25Ga0.75N/In0.2Ga0.8N超晶格结构。此时所得到的掺杂浓度及外延片晶体质量的效果最好。
可选地，缓冲层2为AlN/AlGaN层，其中，AlN层的厚度为30nm，AlGaN层的厚度为300nm。
可选地，高阻缓冲层3为掺C的GaN层。其中，高阻缓冲层3的厚度为1.2um。高阻缓冲层3可以实现位错过滤的有益效果，提升外延片的晶体质量。
可选地，沟道层4为GaN层，厚度为400nm。该沟道层4为二维电子气的输运通道，要求表面平整并且掺杂浓度很小，以减小对二维电子气的散射。
可选地，该氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片还包括设置在沟道层4和AlGaN势垒层5之间的AlN插入层7，AlN插入层7的厚度为2nm。通过设置AlN插入层7可以增加界面的极化效应，同时降低界面的散射，显著提高二维电子气浓度和迁移率。
可选地，AlGaN势垒层5的厚度为100nm。AlGaN势垒层5通过本身较大的自发极化或者压电极化作用，会在势垒层5与沟道层4的界面处产生大量的正的极化电荷，该极化正电荷可以吸引电子，从而形成二维电子气。
图3是本公开实施例提供的一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法流程图，如图3所示，该制备方法包括：
步骤301、提供一衬底。
步骤302、在衬底上依次生长缓冲层、高阻缓冲层、沟道层、AlGaN势垒层和帽层。
其中，帽层包括依次层叠的第一半导体层和第二半导体层。第一半导体层为P型掺杂的InxGa1-xN/MgN超晶格结构，0＜x＜1，第二半导体层为P型掺杂的AlyGa1-yN/InzGa1-zN超晶格结构，0＜y＜1，0＜z＜1。
本公开实施例通过将帽层设置为包括依次层叠的第一半导体层和第二半导体层，其中第一半导体层为P型掺杂的InxGa1-xN/MgN超晶格结构。InxGa1-xN层的晶格常数大，MgN层的晶格常数小，两层交替设置，有利于应力的释放。第二半导体层为P型掺杂的AlyGa1-yN/InzGa1-zN超晶格结构。同样地，InxGa1-xN层的晶格常数大，MgN层的晶格常数小，两层交替设置，有利于应力的释放，从而可以将外延片底层聚集的应力进行释放，形成晶体质量较高的氮化镓基HEMT外延片，从而有利于帽层中Mg的掺杂。同时，第一半导体层和第二半导体中均含有In，In可以降低Mg的激活能，从而可以提高帽层中Mg的掺杂浓度，形成增强型HEMT。
图4是本公开实施例提供的另一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法流程图，如图4所示，该制备方法包括：
步骤401、提供一衬底。
示例性地，衬底可以是蓝宝石、Si或SiC衬底。
需要说明的是，在本实施例中，可以采用MOCVD(Metal organic Chemic alVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀方法)在衬底上依次生长缓冲层、高阻缓冲层、沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层和帽层。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。
示例性地，采用高纯H2或者N2作为载气，采用TMGa、TMAl、TMIn和NH3分别作为Ga源、Al源、In源和N源，采用CCl4作为高阻缓冲层的C掺杂剂，采用Cp2Mg作为P型掺杂剂，采用金属有机化学气相沉积设备或者其他设备完成外延片生长。
示例性地，步骤401还可以包括：
对衬底进行高温H2化退火处理。
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1000～1300℃，反应室压力控制在200～500torr。
步骤402、在衬底上生长缓冲层。
其中，缓冲层为AlN/AlGaN层。
示例性地，在纯H2气氛、温度为600～900℃、反应室压力为25～300torr的条件下，通入TMAl作为III族源，NH3作为V族源，取V/III比为100～2000，生长厚度为30nm的AlN层。
示例性地，在纯H2气氛、温度950～1200℃、反应室压力25～200torr的条件下，通入TMAl/TMGa作为III族源，NH3作为V族源，取V/III比为100～2000，生长厚度为300nm的AlGaN层。
步骤403、在缓冲层上生长高阻缓冲层。
其中，高阻缓冲层为掺C的GaN层。
示例性地，在纯H2气氛、温度为950～1200℃、反应室压力为25～200torr的条件下，通入TMGa作为III族源，NH3作为V族源，取V/III比为100～2000，生长厚度为1.2um的高阻缓冲层。
步骤404、在高阻缓冲层上生长沟道层。
示例性地，在N2、H2气氛、温度为1000℃～1200℃、反应室压力为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，生长厚度为400nm的GaN沟道层。
步骤405、在沟道层上生长AlN插入层。
示例性地，在纯N2气氛、温度为800℃～1010℃、反应室压力为50～200torr的条件下，通入TMAl作为III族源，NH3作为V族源，取V/III比为100～2000，生长厚度为2nm的AlN插入层。
步骤406、在AlN插入层上生长AlGaN势垒层。
示例性地，在纯H2气氛、温度为950℃～1200℃、反应室压力为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，生长厚度为100nm的AlGaN势垒层。
步骤407、在AlGaN势垒层上生长帽层。
其中，帽层包括依次层叠的第一半导体层和第二半导体层。第一半导体层为P型掺杂的InxGa1-xN/MgN超晶格结构，0＜x＜1，第二半导体层为P型掺杂的AlyGa1-yN/InzGa1-zN超晶格结构，0＜y＜1，0＜z＜1。
可选地，第一半导体层和第二半导体层的超晶格数量大于2，以保证各半导体层能够起到较好的应力释放的效果。
可选地，帽层的厚度为4nm～1um。
若帽层的厚度小于4nm，则起不到实现GaN基增强型高电子迁移率晶体管器件的作用。若帽层的厚度大于1um，则会由于帽层的过厚而影响GaN/AlGaN异质结界面二维电子气浓度。
可选地，第一半导体层和第二半导体层均为Mg掺杂。其中，第一半导体层中Mg的掺杂浓度为1*1020cm-3～5*1020cm-3，第二半导体层中Mg的掺杂浓度为1*1019cm-3～9*1019cm-3。
通过在帽层中掺Mg，可以获得高的掺杂浓度，从而获得较高的空穴浓度，实现增强型HEMT。
可选地，第一半导体层中的InxGa1-xN层的厚度为1nm～100nm，第一半导体层中的MgN层的厚度为1nm～50nm。
若InxGa1-xN层的厚度过厚，会导致第一半导体层中产生较大的应力，从而影响帽层的晶体质量。若InxGa1-xN层的厚度过薄，则起不到减少氮化镓材料中的补充效应。而MgN材料本身就不好生长，若MgN的厚度过厚，会产生较多缺陷，同时还会导致Mg的扩散从而影响器件的性能。
可选地，第二半导体层中的AlyGa1-yN层的厚度为1nm～100nm，第二半导体层中的InzGa1-zN层的厚度为1nm～100nm。
由于AlyGa1-yN层的压应变小，InzGa1-zN层的张应变大，因此，通过控制AlGaN子层和InGaN子层的厚度在上述取值范围内，可以进一步改善外延层的应力而提高外延片的生长质量。
可选地，0＜x＜0.5，0＜y＜0.4，0＜z＜0.5。
示例性地，第一半导体层为P型掺杂的In0.1Ga0.9N/MgN超晶格结构，第二半导体层为P型掺杂的Al0.25Ga0.75N/In0.2Ga0.8N超晶格结构。此时所得到的掺杂浓度及外延片晶体质量的效果最好。
示例性地，步骤407可以包括：
向反应腔内通入氮气，停止通入氢气，生长第一半导体层；
向反应腔内通入氢气，停止通入氮气，生长第二半导体层中的AlyGa1-yN层；
向反应腔内通入氮气，停止通入氢气，生长第二半导体层中的InzGa1-zN层。
其中，在纯氮气气氛中生长第一半导体层，有利于第一半导体层中In原子和Mg原子的掺杂。而在生长第二半导体层时，只在生长AlyGa1-yN层时通入氢气，可以减少氢气的通入，降低帽层中的Mg被H钝化的概率，进而进一步提高Mg的掺杂。同时，AlGaN子层在纯氢气氛下生长，氢气是强还原气体可以带走杂质，从而可以获得较高晶体质量的帽层。
可选地，第一半导体层的生长温度低于AlGaN势垒层的生长温度。
在本公开实施例中，第一半导体层的生长温度为950℃～980℃。
由于AlGaN势垒层的生长温度为950℃～1200℃，因此在势垒层上先生长第一半导体层，第一半导体层的生长温度低于势垒层温度，可以缓解Mg快速扩散到沟道层而导致对器件的影响。若第一半导体层的生长温度过高，则会破坏势垒层晶体，严重时还会导致外延片破裂。若第一半导体层的生长温度过低，又会导致生长出的第一半导体层的晶体质量较差。
可选地，InxGa1-xN层的生长温度与MgN层的生长温度相等，以便于生长控制。
可选地，第二半导体层的生长温度为960℃～1000℃。
若第二半导体层的生长温度过高，会破坏前面生长的外延层的晶体质量。若第二半导体层的生长温度过低，又会导致生长出的第一半导体层的晶体质量较差。
可选地，AlyGa1-yN层的生长温度大于InzGa1-zN层的生长温度。其中，AlyGa1-yN层的生长温度较高，有利于改善帽层的晶体质量，从而提高GaN基HEMT器件的晶体质量。而高温会影响In的掺杂，因此将InzGa1-zN层的生长温度设置的较低。
步骤408、将外延片进行炉内退火。
示例性地，外延生长结束后，将MOCVD设备的反应室内温度降低，在氮气气氛中进行退火处理，退火温度可为600～900℃，退火时间为5～15分钟，然后降至室温，完成外延生长。通过对外延片进行退火处理可以加强帽层中络合物的分解，从而有利于将原来被H钝化了的Mg受主激活，为P型电导提供载流子。
本公开实施例通过将帽层设置为包括依次层叠的第一半导体层和第二半导体层，其中第一半导体层为P型掺杂的InxGa1-xN/MgN超晶格结构。InxGa1-xN层的晶格常数大，MgN层的晶格常数小，两层交替设置，有利于应力的释放。第二半导体层为P型掺杂的AlyGa1-yN/InzGa1-zN超晶格结构。同样地，InxGa1-xN层的晶格常数大，MgN层的晶格常数小，两层交替设置，有利于应力的释放，从而可以将外延片底层聚集的应力进行释放，形成晶体质量较高的氮化镓基HEMT外延片，从而有利于帽层中Mg的掺杂。同时，第一半导体层和第二半导体中均含有In，In可以降低Mg的激活能，从而可以提高帽层中Mg的掺杂浓度，形成增强型HEMT。
以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，所述氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片包括衬底以及层叠在所述衬底上的缓冲层、高阻缓冲层、沟道层、AlGaN势垒层和帽层，其特征在于，
所述帽层包括依次层叠的第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层为P型掺杂的InxGa1-xN/MgN超晶格结构，0＜x＜1，所述第二半导体层为P型掺杂的AlyGa1-yN/InzGa1- zN超晶格结构，0＜y＜1，0＜z＜1。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其特征在于，所述帽层的厚度为4nm～1um。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其特征在于，所述第一半导体层中的InxGa1-xN层的厚度为1nm～100nm，所述第一半导体层中的MgN层的厚度为1nm～50nm。
4.根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其特征在于，所述第二半导体层中的AlyGa1-yN层的厚度为1nm～100nm，所述第二半导体层中的InzGa1-zN层的厚度为1nm～100nm。
5.一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、高阻缓冲层、沟道层、AlGaN势垒层和帽层；
其特征在于，
所述帽层包括依次层叠的第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层为P型掺杂的InxGa1-xN/MgN超晶格结构，0＜x＜1，所述第二半导体层为P型掺杂的AlyGa1-yN/InzGa1- zN超晶格结构，0＜y＜1，0＜z＜1。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，生长所述帽层，包括：
向反应腔内通入氮气，停止通入氢气，生长所述第一半导体层；
向反应腔内通入氢气，停止通入氮气，生长所述第二半导体层中的AlyGa1-yN层；
向反应腔内通入氮气，停止通入氢气，生长所述第二半导体层中的InzGa1-zN层。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一半导体层的生长温度低于所述AlGaN势垒层的生长温度。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述InxGa1-xN层的生长温度与所述MgN层的生长温度相等。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第二半导体层的生长温度为960℃～1000℃。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述AlyGa1-yN层的生长温度大于所述InzGa1-zN层的生长温度。
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