高迁移率钪铝氮/氮化镓双沟道异质结及其退火方法

本技术涉及微电子，具体为高迁移率钪铝氮/氮化镓双沟道异质结及其退火方法。

背景技术：

1、宽禁带iii-v族氮化物半导体在射频通信与电力电子技术中具有广泛应用。随着高电子迁移率晶体管（hemt）的栅极尺寸向纳米尺度缩减以提升截止频率，传统的algan/gan异质结面临短沟道效应的限制。为了抑制短沟道效应，需要减薄势垒层厚度，但这会使得极化诱导的二维电子气面密度明显降低，进而影响器件的功率密度与频率特性。

2、scaln材料具有较高的自发极化与压电极化强度，在超薄势垒条件下能够维持较高的二维电子气浓度，常被用于替代传统势垒材料。然而，scaln/gan异质结的高极化特性往往伴随着界面质量退化的问题，表现为界面原子排列不规整、界面粗糙度偏大以及位错缺陷富集。这些微观结构问题会加剧界面粗糙度散射与位错散射，导致电子迁移率偏低。现有的改善手段多集中于调整外延生长条件或提高sc组分，但这容易加剧合金无序散射，引入复杂的多层结构也会提升工艺难度与成本，难以实现二维电子气浓度与电子迁移率的同步提升。

3、为了缓解单沟道结构中的高浓度与高散射之间的矛盾，研究人员提出了双沟道结构方案，即采用scaln顶层势垒与algan背势垒相结合的体系。该结构将载流子分摊在上下两个空间分离的沟道中，上沟道利用强极化效应维持高浓度，下沟道提供相对低散射的输运路径。尽管双沟道设计提供了结构上的优化基础，但现有的scaln/gan双沟道异质结依然受制于界面的缺陷累积。上下两个异质结界面普遍存在位错密度高、粗糙度大的问题，界面处的散射效应依然严重制约了整体电子迁移率的提升。同时，现有工艺中缺乏针对双异质结界面的后处理调控手段，无法对已完成外延生长的界面缺陷进行修复与优化，导致双沟道结构的输运性能优势无法充分释放。因此，本领域需要一种与半导体器件制备工艺兼容的结构设计及调控方法，以修复界面缺陷并降低位错密度，从而在维持高载流子浓度的同时提升电子迁移率。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本技术提供了高迁移率钪铝氮/氮化镓双沟道异质结及其退火方法，解决了现有scaln/gan双沟道异质结因界面缺陷富集且缺乏有效后处理修复手段，导致界面散射严重、难以兼顾高二维电子气浓度与高电子迁移率的技术的问题。

2、为实现以上目的，本技术通过以下技术方案予以实现：第一方面，本技术提供一种高迁移率scaln/gan双沟道异质结，采用如下的技术方案：

3、一种高迁移率钪铝氮/氮化镓双沟道异质结，自下而上依次包括衬底层、aln缓冲层、algan过渡层、第一gan层、algan势垒层、第二gan层以及scaln顶层势垒层；

4、所述scaln顶层势垒层的sc组分为0.05～0.20，所述scaln顶层势垒层与所述第二gan层的上表面形成上异质结界面，在所述第二gan层内靠近所述上异质结界面的位置具有诱导产生的上部二维电子气；

5、所述algan势垒层的al组分为0.25～0.35，所述algan势垒层与所述第一gan层的上表面形成下异质结界面，在所述第一gan层内靠近所述下异质结界面的位置具有诱导产生的下部二维电子气；

6、所述algan势垒层设于所述第一gan层和所述第二gan层之间起到空间隔离作用。

7、通过采用上述技术方案，本技术利用钪铝氮材料体系强自发极化与压电极化效应，在第二gan层内部诱导出高浓度的上部二维电子气。同时通过在第一gan层与第二gan层之间嵌入特定组分的algan势垒层，在下异质结界面处诱导出下部二维电子气。algan势垒层在物理空间上对上下两条导电沟道进行隔离，阻断两沟道电子波函数的相互重叠。该结构在实现双通道并联导电以成倍提升总载流子浓度的同时，有效抑制了层间库仑散射效应，维持了系统高水平的电子迁移率。

8、优选的，所述aln缓冲层的厚度为150～250nm；

9、algan过渡层的厚度为200～300nm；

10、第一gan层的厚度为1.2～2.0μm；

11、algan势垒层的厚度为3～5nm；

12、第二gan层的厚度为6～10nm；

13、scaln顶层势垒层的厚度为8～12nm。

14、通过采用上述技术方案，利用上述精确的膜层厚度配置，能够在保证势垒层厚度足以诱导充足极化电荷的同时，避免厚度超越临界弛豫厚度而诱发穿透位错。底部的缓冲层与过渡层厚度搭配能够实现晶格失配应变的逐层阶梯式释放，阻止底部缺陷向上部沟道延伸，保障整体外延晶格结构的完整性。

15、优选的，衬底层采用si（111）衬底。

16、通过采用上述技术方案，采用特定晶向的硅衬底，在提供良好外延生长平面的同时，具备制造成本低、晶圆尺寸大及与标准集成电路制造工艺相兼容的优势，便于后续器件的大规模流片制造。

17、优选的，algan过渡层的al组分为0.4～0.6。

18、通过采用上述技术方案，固定且特定组分的algan过渡层在aln缓冲层与第一gan层之间构建了稳定的晶格常数桥接区。通过该区间的晶格缓冲作用，有效吸收底部失配产生的位错能量，提高顶层异质结界面的晶体学质量。

19、第二方面，本技术提供一种高迁移率scaln/gan双沟道异质结的退火方法，采用如下的技术方案：

20、一种高迁移率scaln/gan双沟道异质结的退火方法，包括以下步骤：

21、提供高迁移率scaln/gan双沟道异质结，并将所述高迁移率scaln/gan双沟道异质结置于快速热退火炉中；

22、对置有所述高迁移率scaln/gan双沟道异质结的所述快速热退火炉进行抽真空处理，随后向所述快速热退火炉内通入保护气体，营造保护性氛围；

23、在所述保护性氛围下，设定工艺参数，对所述高迁移率scaln/gan双沟道异质结进行快速热退火处理，得到热处理后的高迁移率scaln/gan双沟道异质结；

24、所述快速热退火处理结束后，使所述热处理后的高迁移率scaln/gan双沟道异质结降温至室温，最终得到完成退火的高迁移率scaln/gan双沟道异质结。

25、通过采用上述技术方案，本技术的退火改性机制在于：

26、利用退火炉提供的外部热场能量，激活异质结界面处原子的热力学运动。界面晶格中的点缺陷与微小晶格畸变在热能驱动下发生短程扩散并重组排列；

27、晶体生长过程中累积的残余内应力驱动刃位错与螺位错发生滑移，促使相反符号的位错相互湮灭。经过热激活的原子有序重排与应力弛豫过程，双沟道异质界面的粗糙度降低，周期性晶格排列更加规整。该改性过程从物理底层减少了界面粗糙度对电子的散射概率，从而提升二维电子气的输运迁移率。

28、优选的，所述提供所述高迁移率scaln/gan双沟道异质结的具体过程包括：提供衬底层；

29、利用金属有机化学气相沉积工艺，在所述衬底层的表面自下而上依次外延生长所述aln缓冲层、algan过渡层、第一gan层和algan势垒层，得到下部结构；

30、将所述下部结构转移至分子束外延工艺设备中，在所述下部结构中的所述algan势垒层的表面继续外延生长第二gan层和scaln顶层势垒层，得到所述高迁移率scaln/gan双沟道异质结。

31、通过采用上述技术方案，整合两种外延技术的物理生长优势。下部结构生长采用沉积速率高、成膜质量稳定的金属有机化学气相沉积工艺，以建立结实且平滑的基础晶格骨架；

32、上部极化层生长切换至具有超高真空度的分子束外延工艺，利用其逐层原子的慢速生长机制，实现对几纳米厚度的钪铝氮势垒层组分与界面原子阶梯的极高精度控制，从而获得原子级平坦的上异质结界面。

33、优选的，在对所述高迁移率scaln/gan双沟道异质结进行所述快速热退火处理之前，所述高迁移率scaln/gan双沟道异质结的原始表面均方根粗糙度不高于0.800nm。

34、通过采用上述技术方案，界定初始样品的平整度阈值。初始粗糙度满足该要求能够确保热退火提供的能量集中作用于晶格内部的原子错位修复与缺陷重组，而不会被过度消耗于宏观表面台阶与岛状突起的平整化重构，确保退火改性效果的稳定触发。

35、优选的，所述保护气体为高纯度氮气。

36、通过采用上述技术方案，向高温炉腔内提供充足的氮分压。在高温热处理环境下，高浓度的外部氮气能够动态抑制氮化镓与钪铝氮晶格内氮原子的热分解与逸出，阻断氮空位点缺陷的产生路径，保证晶体化学配比的稳定。

37、优选的，所述快速热退火处理的工艺参数为：退火温度控制为600～800℃，升温速率为150℃/s，退火保温时间为3min。

38、通过采用上述技术方案，设定了严苛的热学改性边界条件。150℃/s的快速升温机制促使样品快速越过低温缺陷增殖区；

39、600至800℃的靶向温度区间与3分钟的短时保温相配合，正好为原子扩散重排提供了必须的激活势垒，同时规避了长时间高温保温所引发的异质结组分互扩散以及合金相分离现象，保证了异质结界面的陡峭度不变。

40、优选的，所述热处理后的高迁移率scaln/gan双沟道异质结降温至室温的方式为随炉快速降温。

41、通过采用上述技术方案，通过快速切断热源使原子温度迅速下降。该过程能够将高温热驱动下形成的低缺陷密度、有序排列的晶格结构快速冻结，防止在缓慢冷却过程中杂质原子发生重新偏析或次生缺陷的形核，锁定热退火的修复效果。

42、本技术提供了高迁移率钪铝氮/氮化镓双沟道异质结及其退火方法。具备以下有益效果：

43、1、本技术通过设置第一gan层、algan势垒层、第二gan层和scaln顶层势垒层形成双沟道结构，利用scaln顶层势垒的强极化特性提供较高的二维电子气浓度，并利用algan势垒层的空间隔离作用将载流子分摊至上下两个空间分离的沟道中，有效降低了单沟道内的库仑散射，使下部沟道能够作为低散射的输运通道，从而在物理结构层面解决了单一沟道中高载流子浓度与高电子迁移率相互制约的问题。

44、2、本技术采用保护性氛围下的快速热退火方法对双沟道异质结进行后处理，通过热场诱导驱动上异质结界面与下异质结界面的原子进行有序重排，促使界面位错发生滑移与湮灭，能够直接修复已完成外延生长的界面缺陷，提升界面平整度并释放层间残余应变，在无需引入复杂多层插入层的前提下，有效降低了界面粗糙度散射与位错散射中心。

45、3、本技术将双沟道结构设计与退火界面工程相协同，在避免势垒层发生相变、分解或元素深度扩散的前提下，优化了双异质结界面的晶体质量，通过两者的协同作用，本技术的异质结能够在维持较高二维电子气浓度且方块电阻保持稳定的状态下，提升体系整体的室温电子迁移率，符合短沟道高频电子器件对材料电学输运性能的设计需求。