提高高电子迁移率晶体管外延片的质量的制备方法与流程

1.本公开涉及到了半导体器件技术领域，特别涉及到一种提高高电子迁移率晶体管外延片的质量的制备方法。


背景技术：

2.hemt(high electron mobility transistor，高电子迁移率晶体管)是一种异质结场效应晶体管，其广泛应用于各种电器内。hemt外延片是制备hemt器件的基础，hemt外延片包括衬底与依次层叠在衬底上的aln层、algan缓冲层、gan沟道层、algan势垒层与gan盖层。
3.aln层在衬底上进行生长时，由于al原子具有较高的表面黏附系数，因此，在aln层或高al组分的algan层生长过程中al原子的表面迁移能力比较弱，如果al原子没有足够的能量迁移至台阶或扭折等能量最低的成核位置，则会在初始位置作为成核点，并且会成长为岛，形成三维生长模式。在岛状生长过程中，岛周围会产生高密度的位错和晶粒界面等缺陷。继续生长并合并的相邻的两个三维岛屿会产生张应力，可能导致外延层表面粗错甚至产生裂纹。导致衬底上直接生长的aln层及algan缓冲层的质量较差，底层质量较差会导致最终得到的高电子迁移率晶体管外延片的质量。


技术实现要素：

4.本公开实施例提供了一种提高高电子迁移率晶体管外延片的质量的制备方法，可以提高aln层与algan缓冲层的晶体质量以提高高电子迁移率晶体管外延片的质量。所述技术方案如下：
5.本公开实施例提供了一种高电子迁移率晶体管外延片，所述提高高电子迁移率晶体管外延片的质量的制备方法包括：
6.提供一衬底；
7.在所述衬底上依次生长第一aln层与第二aln层，所述第二aln层的生长温度比所述第一aln层的生长温度高100～300℃；
8.在所述第二aln层上依次生长algan缓冲层、gan沟道层、algan势垒层及gan盖帽层；
9.生长所述第二aln层，包括：
10.以氩气作为载气向反应腔通入al源与反应气体以生长aln膜层；
11.关闭al源与反应气体；
12.在温度为1050～1250℃的条件下向所述反应腔通入氢气处理所述aln膜层；
13.重复以上步骤直至得到所述第二aln层。
14.可选地，每个所述aln膜层的厚度为5～10nm。
15.可选地，在温度为1050～1250℃的条件下向所述反应腔通入氢气处理所述aln膜层的时长为5～10s。
16.可选地，所述第二aln层的厚度为100～200nm。
17.可选地，生长所述algan缓冲层，包括：
18.以氩气作为载气向所述反应腔通入al源、ga源与反应气体以生长algan膜层；
19.关闭al源、ga源与反应气体；
20.在温度为1050～1250℃的条件下向所述反应腔通入氢气处理所述algan膜层；
21.重复以上步骤直至得到所述algan层。
22.可选地，所述algan膜层的厚度为20～50nm。
23.可选地，所述以氩气作为载气向反应腔通入al源、ga源与反应气体以生长algan膜层，还包括：
24.以氩气作为载气向所述反应腔通入al源、ga源、fe源与反应气体以生长algan膜层。
25.可选地，所述fe源的流量为50-200sccm。
26.可选地，所述第一aln层的生长温度为800～1000℃，所述第二aln层的生长温度为1050～1250℃，所述第一aln层的厚度为50～100nm。
27.可选地，所述制备方法还包括：
28.在所述衬底上依次生长第一aln层与第二aln层之前，在所述衬底预铺一层al原子。
29.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：
30.在衬底上依次生长第一aln层与第二aln层，第二aln层的生长温度比第一aln层的生长温度高100～300℃，第一aln层作为基础，后续生长温度较高的第二aln层，释放一定的应力并保证第一aln层与第二aln层的质量较好，可以通过第一aln层过渡到第二aln层，建立较好的底层结构基础。在生长第二aln层的过程中，用ar作为载气生长相对于常用的n2或h2载气而言，ar具有更大的原子质量，能提供更高的动量，可以提高al原子的表面迁移能力，促进al原子的平面移动，以使得第一aln层与第二aln层整体可以呈膜状生长，整体晶体质量生长可以更为均匀，表面的平整度也较高。而对生长第二aln层过程中形成的aln膜层，关闭al源与反应气体再在温度为1050～1250℃的条件下向反应腔通入氢气处理，高温条件下h2具有一定的刻蚀性，可以对外延层表面进行刻蚀处理后重结晶，可以降低由于氩气作为载气之后，aln生长过程中会形成的刃位错密度，从而提高外延层晶体质量。第一aln层与第二aln层的质量提高，在第一aln层与第二aln层与生长的algan缓冲层的质量也会得到提高，底层结构的质量提高可以提高最终在底层结构上延续生长得到的高电子迁移率晶体管外延片的质量。
附图说明
31.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。
32.图1是本公开实施例提供的一种提高高电子迁移率晶体管外延片的质量的制备方法流程图；
33.图2是本公开实施例提供的一种高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图；
34.图3是本公开实施例提供的另一种提高高电子迁移率晶体管外延片的质量的制备方法流程图；
35.图4是本公开实施例提供的另一种高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图。
具体实施方式
36.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。
37.图1是本公开实施例提供的一种提高高电子迁移率晶体管外延片的质量的制备方法流程图，如图1所示，提高高电子迁移率晶体管外延片的质量的制备方法包括：
38.s101：提供一衬底。
39.s102：在衬底上依次生长第一aln层与第二aln层，第二aln层的生长温度比第一aln层的生长温度高100～300℃。生长第二aln层，包括：以氩气作为载气向反应腔通入al源与反应气体以生长aln膜层；关闭al源与反应气体在温度为1050～1250℃的条件下向反应腔通入氢气处理aln膜层；重复以上步骤直至得到第二aln层。
40.s103：在第二aln层上依次生长algan缓冲层、gan沟道层、algan势垒层及gan盖帽层。
41.在衬底上依次生长第一aln层与第二aln层，第二aln层的生长温度比第一aln层的生长温度高100～300℃，第一aln层作为基础，后续生长温度较高的第二aln层，释放一定的应力并保证第一aln层与第二aln层的质量较好，可以通过第一aln层过渡到第二aln层，建立较好的底层结构基础。在生长第二aln层的过程中，用ar作为载气生长相对于常用的n2或h2载气而言，ar具有更大的原子质量，能提供更高的动量，可以提高al原子的表面迁移能力，促进al原子的平面移动，以使得第一aln层与第二aln层整体可以呈膜状生长，整体晶体质量生长可以更为均匀，表面的平整度也较高。而对生长第二aln层过程中形成的aln膜层，关闭al源与反应气体再在温度为1050～1250℃的条件下向反应腔通入氢气处理，高温条件下h2具有一定的刻蚀性，可以对外延层表面进行刻蚀处理后重结晶，可以降低由于氩气作为载气之后，aln生长过程中会形成的刃位错密度，从而提高外延层晶体质量。第一aln层与第二aln层的质量提高，在第一aln层与第二aln层与生长的algan缓冲层的质量也会得到提高，底层结构的质量提高可以提高最终在底层结构上延续生长得到的高电子迁移率晶体管外延片的质量。
42.需要说明的是，采用常规的n2或h2作为载气时，由于al原子无法获得足够的能量迁移至成核位置，导致aln层(同algan缓冲层)为三维生长模式，三维生长模式的情况下会形成三维岛屿，二维平面生长是横向均匀生长，三维岛屿在合并时会产生张应力，可能导致外延层表面粗糙甚至产生裂纹。本公开采用氩气作为载气，第二aln层的生长状态较为靠近二维生长的状态，可以有效提高生长均匀度与平面度，降低由三维生长引发的张应力的出现以及裂纹的密度，第二aln层的质量可以得到有效提高。
43.可选地，第一aln层的生长温度为800～1000℃，第二aln层的生长温度为1050～1250℃，第一aln层的厚度为50～100nm。
44.第一aln层的生长温度与第二aln层的生长温度分别在以上范围内，第一aln层可
以在衬底上缓慢沉积以保证得到的第一aln层的表面平整度以及第一aln层的晶体质量，第一aln层的厚度为50～100nm则可以保证基础结构的稳定并过渡至第二aln层。第二aln层则可以在第一aln层上稳定生长，且释放一定的应力，提高最终得到的第一aln层与第二aln层的整体质量。另一方面，第二aln层的生长温度在以上范围内，也可以便于第二aln层生长过程中氢气的处理，不需要频繁调节温度，也可以有效控制第二aln层的生长成本。提高第一aln层与第二aln层的质量的同时，也不会过分提高第一aln层与第二aln层的制备成本。
45.可选地，第一aln层与第二aln层的生长压力均为40～70mbar。可以保证第一aln层与第二aln层的稳定生长。
46.可选地，每个aln膜层的厚度为5～10nm。
47.每个aln膜层的厚度在以上范围内，可以使得aln膜层的生长较为均匀，且aln膜层的表面平整度较高，再配合后续的氢气处理，可以有效减小aln膜层的表面位错密度，提高最终得到的第二aln层的晶体质量。
48.可选地，在温度为1050～1250℃的条件下向反应腔通入氢气处理aln膜层的时长为5～10s。
49.氢气处理的时长在以上范围内，可以保证氢气对aln膜层的表面进行了较为充分的处理，且aln膜层在这一时间内，也经历了充分的退火，aln膜层的晶体质量可以得到进一步的提高。
50.可选地，第二aln层的厚度为100～200nm。
51.第二aln层的厚度在以上范围内，第二aln层的质量较好，也可以提供algan缓冲层良好的生长基础，提高algan缓冲层的质量。
52.为便于理解，此处可提供图2，图2是本公开实施例提供的一种高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图，参考图2可知，高电子迁移率晶体管外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的第一aln层2、第二aln层3、algan缓冲层4、gan沟道层5、algan势垒层6与gan盖层7。
53.图3是本公开实施例提供的另一种提高高电子迁移率晶体管外延片的质量的制备方法流程图，参考图3可知，提高高电子迁移率晶体管外延片的质量的制备方法可包括：
54.s201：提供一衬底。
55.s202在衬底上依次生长第一aln层与第二aln层之前，在衬底预铺一层al原子。
56.由于al原子的横向迁移率比较低，预铺al原子层有利于提高后续第一aln层的平整度，进而提高整个外延层的均匀性。有利于提高hemt外延片的整体质量。
57.可选地，在温度为1000～1100℃的条件下向反应腔预通入10s～100s的流量为50～200sccm的al源，以在衬底上层铺al原子层。
58.在以上温度条件下，向反应腔内通入一定时长的流量为50～200sccm的al源，可以在衬底上层叠一层较为稳定且厚度适中的al原子层，保证后续aln层的稳定均匀生长。
59.s203：在衬底上依次生长第一aln层与第二aln层，第二aln层的生长温度比第一aln层的生长温度高100～300℃。生长第二aln层，包括：以氩气作为载气向反应腔通入al源与反应气体以生长aln膜层；关闭al源与反应气体在温度为1050～1250℃的条件下向反应腔通入氢气处理aln膜层；重复以上步骤直至得到第二aln层。
60.步骤s203可参考图1中的步骤s102，因此此处不再赘述。
61.s204：在第二aln层上生长algan缓冲层。
62.可选地，步骤s204，可包括：以氩气作为载气向反应腔通入al源、ga源与反应气体以生长algan膜层；关闭al源、ga源与反应气体；在温度为1050～1250℃的条件下向反应腔通入氢气处理algan膜层；重复以上步骤直至得到algan层。
63.algan缓冲层的生长过程中，同样采用上述类似第二aln层的生长方式，可以提高algan缓冲层的生长均匀度与表面平整度，algan缓冲层本身的晶体质量得到提高的同时，也可以提高以algan缓冲层的表面作为基础进行生长的氮化镓等结构。
64.可选地，algan膜层的厚度为20～50nm。
65.每个algan膜层的厚度在以上范围内，可以使得algan膜层的生长较为均匀，且algan膜层的表面平整度较高，再配合后续的氢气处理，可以有效减小algan膜层的表面位错密度，提高最终得到的第二algan层的晶体质量。
66.可选地，在温度为1050～1250℃的条件下向反应腔通入氢气处理algan膜层的时长为5～10s。
67.氢气处理的时长在以上范围内，可以保证氢气对algan膜层的表面进行了较为充分的处理，且algan膜层在这一时间内，也经历了充分的退火，algan膜层的晶体质量可以得到进一步的提高。
68.可选地，algan缓冲层的厚度为100～200nm。
69.algan缓冲层的厚度在以上范围内，algan缓冲层的质量较好，也可以为后续生长结构提供良好的生长基础。
70.可选地，以氩气作为载气向反应腔通入al源、ga源与反应气体以生长algan膜层，还包括：
71.以氩气作为载气向反应腔通入al源、ga源、fe源与反应气体以生长algan膜层。
72.algan膜层中fe元素的掺入，可以实现algan缓冲层的高阻，便于过渡至后续高阻氮化镓材料。
73.需要说明的是，氩气为载气通入al源、ga源、fe源与反应气体生长algan膜层的前提下，后续氢气处理algan膜层的过程中，也需要同时关闭al源、ga源、fe源与反应气体。
74.可选地，fe源的流量为50-200sccm。
75.fe源的流量在以上范围，可以得到质量较好的algan缓冲层。
76.示例性地，最终得到的algan缓冲层中fe掺杂浓度在10
18
～10
20
cm-3
之间。algan缓冲层质量较好，且可以实现与后续高阻氮化镓材料的良好过渡。
77.可选地，algan缓冲层的生长条件包括：生长温度在1050℃～1250℃，压力在40～70mbar之间。可以得到质量较好的algan缓冲层。
78.在本公开所提供的一种实现方式中，第二aln层的生长温度与algan缓冲层的生长温度可相等。在得到质量较好的第二aln层与algan缓冲层的同时，不需要调整温度的变化，可以控制第二aln层与algan缓冲层的制备成本。
79.s205：在algan缓冲层上生长gan高阻层。
80.可选地，gan高阻层的生长条件包括：生长温度在950℃～1050℃，压力在40～70mbar之间。可以得到质量较好的gan高阻层。
81.示例性地，gan高阻层的厚度在1.0～1.5微米之间，gan高阻层中掺杂有范围为
1019cm-3
～1020cm-3
之间的碳元素。提高最终得到的hemt外延片的质量。
82.s206：在gan高阻层上生长gan沟道层。
83.可选地，gan沟道层的生长条件包括：生长温度在1050℃～1150℃，压力在150～250mbar之间。可以得到质量较好的gan沟道层。
84.示例性地，gan沟道层的厚度在1.0～1.5微米之间。提高最终得到的hemt外延片的质量。得到的gan沟道层的质量较好。
85.s207：在gan沟道层上生长aln插入层。
86.可选地，aln插入层的生长温度为1050℃～1150℃，aln插入层的生长压力为40～70mbar。能够得到质量较好的aln插入层。
87.s208：在aln插入层上生长algan势垒层。
88.可选地，algan势垒层的生长温度为1050℃～1150℃，algan势垒层的生长压力为40～70mbar。得到的algan势垒层的质量较好。
89.在本公开所提供的一种实现方式中，algan势垒层的生长温度可为1020℃。本公开对此不做限制。
90.s209：在algan势垒层上生长gan盖层。
91.可选地，gan盖层的生长温度为1050℃～1150℃，algan势垒层的生长压力为40～70mbar。得到的gan盖层的质量较好。
92.s210：将反应腔温度降低，在氮气气氛中降至室温外延生长结束。
93.步骤s210可以一定程度释放hemt外延片内部的热应力，提高最终得到的hemt外延片的质量。
94.需要说明的是，在本公开实施例中，采用veecok 465i or c4 or rb mocvd(metal organic chemical vapor deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现led的生长方法。采用高纯h2(氢气)或高纯n2(氮气)或高纯h2和高纯n2的混合气体作为载气，高纯nh3作为n源，三甲基镓(tmga)及三乙基镓(tega)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，硅烷(sih4)作为n型掺杂剂，三甲基铝(tmal)作为铝源，二茂镁(cp2mg)作为p型掺杂剂，二茂铁(cp2fe)作为铁(fe)源的前驱体。
95.图4是本公开实施例提供的另一种高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图，参考图4可知，高电子迁移率晶体管外延片可包括衬底1与依次层叠在衬底1上的第一aln层2、第二aln层3、algan缓冲层4、gan高阻层8、gan沟道层5、aln插入层9、algan势垒层6与gan盖层7。
96.可选地，第二aln层3的厚度为150～300nm。可以保证第二aln层3的质量较好，为hemt外延片提供一个良好的生长基础。
97.示例性地，algan缓冲层4的厚度为1～1.5微米。得到的algan缓冲层4的质量较好。
98.示例性地，gan高阻层8的厚度为300～600nm。可以起到良好的缓冲效果。
99.可选地，gan沟道层5的厚度可为100～400nm。
100.gan沟道层5的厚度较为恰当，成本较为合理的同时可以有效提高高电子迁移率晶体管外延片的质量。
101.在本公开所提供的一种实现方式中，gan沟道层5的厚度可为400nm。本公开对此不做限制。
102.图4中相对图1中hemt外延片的结构，增加了algan缓冲层4、gan高阻层8与aln插入层9，一方面底层的晶格失配带来的负面影响较小。另一方面，aln插入层9与gan沟道层5接触的界面，以及aln插入层9与algan势垒层6之间的界面形成二维电子气，通过二维电子气增加载流子在界面处的积累，能够保证高电子迁移率晶体管外延片的使用效果。
103.可选地，aln插入层9的厚度为0.5～2nm。
104.aln插入层9的厚度在以上范围内能够有效行程二维电子气，且不会过多地增加成本。
105.在本公开所提供的一种实现方式中，aln插入层9的厚度可为2nm。本公开对此不做限制。
106.可选地，algan势垒层6的厚度可在15～40nm。能够保证高电子迁移率晶体管外延片的质量。
107.在本公开所提供的一种实现方式中，algan势垒层6的厚度可为100nm。本公开对此不做限制。
108.示例性地，gan盖层7可为p型gan层。便于制备与获取。
109.可选地，gan盖层7的厚度为3～10nm。得到的gan盖层7整体的质量较好。
110.示例性地，gan盖层7内的杂质为mg。便于制备与获取。
111.需要说明的是，图4仅为本公开实施例提供的高电子迁移率晶体管外延片的一种实现方式，在本公开所提供的其他实现方式中，高电子迁移率晶体管外延片也可为包括有反射层的其他形式的高电子迁移率晶体管外延片，本公开对此不做限制。
112.以上，并非对本公开作任何形式上的限制，虽然本公开已通过实施例揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。