带有包裹埋层的Si基AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及制备方法与流程

带有包裹埋层的si基algan/gan高电子迁移率晶体管及制备方法
技术领域
1.本发明属于半导体，具体涉及一种带有包裹埋层的si基algan/gan高电子迁移率晶体管及制备方法。


背景技术：

2.gan作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，由于其禁带宽度较大(3.4ev)、大的击穿电场强度、抗辐射能力强等优势，被广泛应用于射频器件、发光二极管和功率电子器件中。algan/gan高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor，hemt)作为常用的gan结构，由于具有高的二维电子气迁移率、二维电子气密度而被广泛应用于新兴的5g通讯、雷达和太空探索等多个领域，但这也对algan/gan hemt器件的射频性能提出了很高的要求。
3.常规的algan/gan hent异质外延的衬底由sic、蓝宝石和si衬底。虽然sic性能最好，但是由于大尺寸衬底较为昂贵，故而限制了其大规模商业化应用；而蓝宝石衬底则因为热导率较差，应用也受到限制。相比之下si的衬底便宜且热导率更高，并且可以与si传统工艺相兼容，得到了广泛关注。但是硅基algan/gan hemt的射频损耗较大，其中一个射频损耗的来源是al扩散进入硅衬底形成的p型导电沟道造成的，这一导电沟道会增加额外射频损耗，同时使得衬底的电阻率降低，射频损耗提高。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种带有包裹埋层的si基algan/gan高电子迁移率晶体管及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.本发明实施例提供了一种带有包裹埋层的si基algan/gan高电子迁移率晶体管，包括依次层叠的si衬底、aln成核层、algan阶变层、gan缓冲层和algan势垒层，其中，
6.所述si衬底中设置有n型埋层和隔离层，所述隔离层设置在所述si衬底和所述n型埋层之间且包裹所述n型埋层。
7.在本发明的一个实施例中，所述n型埋层的掺杂元素包括p和as；当掺杂元素为p时，掺杂浓度为10
13-10
14
cm-3
；当掺杂元素为as时，掺杂浓度为10
14-10
16
cm-3
。
8.在本发明的一个实施例中，所述隔离层的材料包括sio2，厚度为1.5-2nm。
9.在本发明的一个实施例中，所述n型埋层四周的所述隔离层的厚度均相等。
10.在本发明的一个实施例中，所述aln成核层包括第一aln成核层和第二aln成核层，其中，所述第二aln成核层位于所述第一aln成核层上，所述第二aln成核层的成核温度大于所述第一aln成核层的成核温度。
11.在本发明的一个实施例中，所述algan阶变层包括第一algan层和第二algan层，其中，所述第二algan层位于所述第一algan层上，所述第二algan层的al组分质量分数大于所
述第一algan层的al组分质量分数。
12.在本发明的一个实施例中，还包括预铺铝层，其中，所述预铺铝层位于所述si衬底和所述aln成核层之间。
13.在本发明的一个实施例中，所述预铺铝层的厚度为小于10nm。
14.本发明的另一个实施例提供了一种带有包裹埋层的si基algan/gan高电子迁移率晶体管的制备方法，包括步骤：
15.s1、在si片中制备第一隔离子层；
16.s2、对所述第一隔离子层的表层进行离子注入，形成n型埋层；
17.s3、在所述第一隔离子层和所述n型埋层上生长第二隔离子层，形成隔离层；
18.s4、在所述si片、所述第二隔离子层上生长单晶硅，形成si衬底；
19.s5、在所述si衬底上依次制备aln成核层、algan阶变层、gan缓冲层、algan势垒层。
20.在本发明的一个实施例中，步骤s4和s5之间还包括步骤：
21.在所述si衬底上制备预铺铝层。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果：
23.本发明的高电子迁移率晶体管在si衬底中设置n型埋层和隔离层，隔离层不会将n型埋层中的n型杂质完全掩蔽，n型杂质可以扩散进入si衬底，从而抵消上层结构中al扩散引入si衬底的p型沟道浓度，从而提高衬底电阻率，降低器件的射频损耗。
附图说明
24.图1为本发明实施例提供的一种带有包裹埋层的si基algan/gan高电子迁移率晶体管的结构示意图；
25.图2为本发明实施例提供的另一种带有包裹埋层的si基algan/gan高电子迁移率晶体管的结构示意图；
26.图3a-图3f为本发明实施例提供的一种带有包裹埋层的si基algan/gan高电子迁移率晶体管的制备方法的过程示意图。
具体实施方式
27.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
28.实施例一
29.请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种带有包裹埋层的si基algan/gan高电子迁移率晶体管的结构示意图。
30.该algan/gan高电子迁移率晶体管包括依次层叠的si衬底1、aln成核层3、algan阶变层4、gan缓冲层5和algan势垒层6，其中，si衬底1中设置有n型埋层11和隔离层12，隔离层12设置在si衬底1和n型埋层11之间且包裹n型埋层。
31.本实施例中，n型埋层11和隔离层12均设置在si衬底1中，即在n型埋层11的四周包裹有隔离层12，在隔离层12的四周包裹有si衬底1，隔离层12的设置满足以下条件：隔离层12不会将n型埋层中的n型杂质完全掩蔽，部分n型杂质还可以通过隔离层12扩散进入si衬底1，从而扩散进入si衬底1的n型杂质可以抵消上层结构中al扩散进入si衬底1的p型沟道
180nm。例如，第一aln成核层31的成核温度为900℃，厚度为30nm；第二aln成核层32的成核温度为1210℃，其厚度为170nm。
44.在一个具体实施例中，algan阶变层4包括第一algan层41和第二algan层42，其中，第二algan层42位于第一algan层41上，第二algan层42的al组分质量分数大于第一algan层41的al组分质量分数。
45.具体地，第一algan层41的厚度为340-360nm，al组分质量分数为30-40％，生长温度为1140-1160℃；第二algan层42的厚度为390-410nm，al组分质量分数为70-80％，生长温度为1145-1155℃。例如，第一algan层41的厚度为350nm，al组分质量分数为35％，生长温度为1150℃；第二algan层42的厚度为400nm，al组分质量分数为75％，生长温度为1150℃。
46.在一个具体实施例中，gan缓冲层5的厚度为900-1100nm，生长温度为1140-1160℃；例如，gan缓冲层5的厚度为1000nm，生长温度为1150℃。algan势垒层6的厚度为200-300nm，生长温度为1185-1195℃；例如，algan势垒层6的厚度为250nm，生长温度为1190℃。
47.请参见图2，图2为本发明实施例提供的另一种带有包裹埋层的si基algan/gan高电子迁移率晶体管的结构示意图。
48.该高电子迁移率晶体管包括依次层叠的si衬底1、预铺铝层2、aln成核层3、algan阶变层4、gan缓冲层5和algan势垒层6。
49.具体地，si衬底1、aln成核层3、algan阶变层4、gan缓冲层5和algan势垒层6具体结构请参见上述描述，此处不再赘述。预铺铝层2的厚度小于10nm，生长温度为1080-1090℃；例如，预铺铝层2的厚度为5nm，生长温度1085℃。
50.本实施例在si衬底和aln成核层之间设置预铺铝层，不仅可以提高成核层的生长效果，而且可以改善gan的晶体质量，进而提高高电子迁移率晶体管的性能。
51.本实施例中，在si衬底中设置n型埋层和隔离层，隔离层不会将n型埋层中的n型杂质完全掩蔽，n型杂质可以通过隔离层扩散进入si衬底，从而抵消上层结构中al扩散引入si衬底的p型沟道浓度，从而提高衬底电阻率，降低器件的射频损耗。
52.实施例二
53.在实施例一的基础上，请参见图3a-图3f，图3a-图3f为本发明实施例提供的一种带有包裹埋层的si基algan/gan高电子迁移率晶体管的制备方法的过程示意图，该制备方法包括步骤：
54.s1、在si片13中制备第一隔离子层121，请参见图3a和图3b。
55.首先，将si片13放入20％的hf酸溶液中浸泡60s，再用h2o2、酒精和丙酮清洗，最后使用流动的去离子水冲洗60s。
56.然后，将清洗后的衬底放入低压mocvd反应室中，通入氢气，温度升高至950-1010℃，反应室压力控制为40torr，将衬底在氢气氛围下热处理3min。
57.接着，热清洁阶段结束后，将反应室温度降低至室温，取出si片13，在si片13表面涂抹光刻胶并光刻出刻蚀窗口，之后通过刻蚀窗口在si片13中刻蚀出凹槽。
58.最后，采用lpcvd在凹槽中淀积1.5-2nm厚的sio2作为第一隔离子层121并去除光刻胶，其中淀积条件为：正硅酸乙酯teos作为源，温度为680-750℃，时间为19-24s。在一个具体实施例中，第一隔离子层121的淀积温度为700℃，时间为19s，厚度为1.6nm。
59.s2、对第一隔离子层121的表层进行离子注入，形成n型埋层11，请参见图3c。
60.首先，在第一隔离子层121的表面涂抹光刻胶并光刻出注入窗口；然后，采用as或p作为n型掺杂的杂质，通过注入窗口在第一隔离子层121的表层中进行离子注入，当掺杂元素为p时，掺杂浓度为10
13-10
14
cm-3
；当掺杂元素为as时，掺杂浓度为10
14-10
16
cm-3
；最后，去除光刻胶。
61.s3、在第一隔离子层121和n型埋层11上生长第二隔离子层122，形成隔离层12，请参见图3d。
62.首先，在第一隔离子层121和n型埋层11上涂抹光刻胶并光刻出生长窗口；然后，通过生长窗口在第一隔离子层121和n型埋层11上淀积1.5-2nm厚的sio2，形成第二隔离子层122；第一隔离子层121和第二隔离子层122共同形成隔离层12，隔离层12的厚度与步骤s1中刻蚀形成凹槽的厚度相等；最后，去除光刻胶。
63.在一个具体实施例中，第二隔离子层122的厚度为1.6nm。
64.优选的，n型埋层11两侧的第一隔离子层121的宽度、n型埋层11底部的第一隔离子层121的厚度与第二隔离子层122的厚度均相等，即n型埋层11位于隔离层12的正中央，n型埋层11四周的隔离层12的厚度均相等，均为1.5-2nm。
65.本实施例中，将n型埋层11四周的隔离层12的厚度均设置为相等，可以使得n型杂质从隔离层扩散进入衬底的浓度都相等，从而保证衬底的电阻率，提高衬底的性能。
66.s4、在si片13、第二隔离子层122上生长单晶硅14，形成si衬底1，请参见图3e。
67.具体地，用sih4作为源，在si片13、第二隔离子层122上用mocvd方法外延生长1-2μm厚的单晶硅14，从而形成si衬底1。
68.可以理解的是，si衬底1由si片13和单晶硅14形成，在si片13中形成有第一隔离子层121和第二隔离子层122，第一隔离子层121和第二隔离子层122共同形成隔离层12，在第一隔离子层121中形成有n型埋层11。
69.s5、在si衬底1上依次制备aln成核层3、algan阶变层4、gan缓冲层5、algan势垒层6，请参见图3f。
70.s51、在si衬底1外延生长第一aln成核层31。
71.具体的，利用mocvd方法，同时打开三甲基铝(trimethylaluminium,tmal)和nh3气路，调整tmal流量为240-260sccm，nh3流量为3800-4200sccm，生长温度为895-905℃，生长时间为60min，生长20-40nm厚的低温aln成核层，形成第一aln成核层31。
72.在一个具体实施例中，第一aln成核层31的生长条件为：tmal流量为260sccm，nh3流量为4000sccm，生长温度为900℃，生长时间为60min，形成的第一aln成核层31的厚度为30nm。
73.s52、在第一aln成核层31上外延生长第二aln成核层32。
74.具体的，将反应室温度升高至1200-1220℃，调整tmal流量为190-200sccm，氨气流量为1350-1650sccm，生长160-180nm厚的高温aln的成核层，形成第二aln成核层32。
75.在一个具体实施例中，第二aln成核层32的生长条件为：tmal流量为190sccm，nh3流量为1400sccm，生长温度为1210℃，形成的第二aln成核层32的厚度为170nm。
76.s53、在第二aln成核层32上制备第一algan层41。
77.具体的，将反应室温度降低至1140-1160℃，此时调整tmal、三甲基镓(trimethylgallium，tmga)、nh3流量分别为190-200sccm、10sccm、,2650-3250sccm，生长
340-360nm厚的algan，形成第一algan层41。
78.在一个具体实施例中，第一algan层41的生长条件为反应室温度为1150℃，tmal、tmga、nh3流量分别为190sccm、10sccm、2700sccm，生长形成的第一algan层41的厚度为350nm。
79.s54、在第一algan层41上制备第二algan层42。
80.具体的，保持反应室温度为1140-1160℃，调整tmal、tmga、nh3流量分别为160-170sccm、20sccm、2920sccm-3580sccm，生长390-410nm厚的algan，形成第二algan层42。
81.在一个具体实施例中，第二algan层42的生长条件为：反应室温度为1150℃，tmal、tmga、nh3流量分别为162sccm、20sccm、3000sccm，生长形成的第二algan层42的厚度为400nm。
82.s55、在第二algan层42上制备gan缓冲层5。
83.具体的，保持反应室温度不变，关闭tmal源，调整tmga、nh3流量分别为190-200sccm、8800-10100sccm，继续外延生长厚度为900-1100nm的gan层，形成gan缓冲层5。
84.在一个具体实施例中，gan缓冲层5的生长条件为：反应室温度为1150℃，tmga流量为192sccm，nh3流量为9000sccm，形成的gan缓冲层5厚度为1μm。
85.s56、在gan缓冲层5上制备algan势垒层6。
86.具体的，将反应室温度升高至1190℃，打开tmal源，此时调整tmal、tmga、nh3流量分别为70-90sccm、35-50sccm和10000-24000sccm，淀积200-300nm的algan层，形成algan势垒层6。
87.在一个具体实施例中，algan势垒层6的生长条件为反应室温度为1190℃，tmal流量为80sccm，tmga流量为43sccm，nh3流量为20000sccm，形成的algan势垒层6厚度为250nm。
88.本实施例中，在si片中依次制备第一隔离子层、n型埋层、第二隔离子层，并继续生长单晶硅，从而在si衬底中形成n型埋层和隔离层，同时由于形成的隔离层厚度较薄，隔离层不会将n型埋层中的n型杂质完全掩蔽，n型杂质可以通过隔离层扩散进入si衬底，从而抵消上层结构中al扩散引入si衬底的p型沟道浓度，从而提高衬底电阻率，降低器件的射频损耗。
89.实施例三
90.在实施例二的基础上，请结合图2，本实施例提供了另一种带有包裹埋层的si基algan/gan高电子迁移率晶体管的制备方法，该制备方法包括步骤：
91.s1、在si片13中制备第一隔离子层121。
92.s2、对第一隔离子层121的表层进行离子注入，形成n型埋层11。
93.s3、在第一隔离子层121和n型埋层11上生长第二隔离子层122，形成隔离层12。
94.s4、在si片13、第二隔离子层122上生长单晶硅14，形成si衬底1。
95.s5、在si衬底1上制备预铺铝层2。
96.具体的，将反应室温度升高至1080-1090℃，打开tmal气路，调整tmal流量为10-30sccm，进行预铺铝层2的制备，形成的预铺铝层2的厚度小于10nm。
97.在一个具体实施例中，预铺铝层2的制备条件为反应室温度为1085℃，tmal流量为20sccm。
98.s6、在预铺铝层2上依次制备aln成核层3、algan阶变层4、gan缓冲层5、algan势垒
层6。
99.步骤s1～s4、s6的具体实施请参见实施例二，本实施例不再赘述。制备得到的器件结构请参见图2。
100.本实施例在si衬底和aln成核层之间设置预铺铝层，不仅可以提高成核层的生长效果，而且可以改善gan的晶体质量，进而提高高电子迁移率晶体管的性能。
101.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。