硅基AlGaN/GaNHEMT外延薄膜及其生长方法

硅基algan/gan hemt外延薄膜及其生长方法
技术领域
1.本发明属于薄膜生长技术领域，具体涉及一种大尺寸高质量硅基algan/gan hemt外延薄膜及其生长方法。


背景技术：

2.当今社会最重要的挑战之一是世界能源消耗的稳定增长。在未来的20年里，全球的能源消耗预计将增加40%，届时电力将覆盖最大比例的能源使用(高达60%)。在这种背景下，电力电子学作为专用于电力控制和管理的技术，在优化电力电子器件特性上起到了至关重要的作用。发展至今，硅(si)材料在半导体市场中所占比重较大，在半导体科技的发展过程中承担着主要作用，目前成熟的si基产品约占电力电子器件市场份额的87%。由于si材料自身理论极限较低，无法满足当下低能耗的需求，人们逐渐将目光转向具有高热导率、高电子饱和速度、高击穿场强的第三代宽禁带半导体材料。以gan和sic为首的宽禁带半导体材料被认为是低损耗电力电子器件的最佳选择，相较于si基器件在降低导通电阻的同时提高击穿电压，从而全面降低功率损耗。因此，gan基器件可以在很多重要领域得以应用，包括各类电子产品、新能源汽车、工业应用、可再生能源、交通运输工具等。algan/gan高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor，hemt）由于具有以下优异特性，成为目前研究热点：（1）algan/gan hemt异质结界面处二维电子气（2deg）浓度高，并且由于gan层作为沟道层而algan层作为势垒层提供电子，在空间上保证了电子与提供电子的杂质互相分离，使得电子迁移率免于杂质散射的影响而大幅度提高。（2）由于gan基器件宽禁带、耐高温的特性，algan/gan hemt能在高温、高电场、大功率状态下工作且直流特性不发生显著退化。
3.gan外延生长常用的衬底有氮化镓（gan）、碳化硅(sic)、蓝宝石（al2o3）和硅（si）。si衬底价格低廉，大尺寸制备技术成熟，容易获得不同尺寸(2-12英寸）不同类型（n型/p型/高阻）的衬底，并且gan-on-si外延片后续器件工艺可与传统的硅器件工艺兼容，大幅降低了工艺研发成本。基于以上这些优点，硅衬底上gan基hemt外延迅速成为国内外企业高校的研究热点。
4.然而，虽然在硅衬底上外延gan基hemt外延薄膜有着诸多优势，但是gan-on-si的难度很大，面临很多技术问题，比如gan和si之间的晶格失配（17%）和热失配（56%）导致厚层gan龟裂、大尺寸外延片的翘曲控制、ga原子扩散到si衬底时发生的回熔腐蚀现象等。


技术实现要素：

5.基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种大尺寸高质量硅基algan/gan hemt外延薄膜及其生长方法，是在硅（111）衬底上利用有机金属化学气相沉积的方法生长hemt外延薄膜，旨在通过合理的薄膜结构设计和工艺参数设计生长出si衬底gan基hemt无裂痕高均匀高质量的外延薄膜，通过应力控制层生长高质量高均匀性的algan/gan异质结获得高浓度高迁移率的二维电子气（2deg）。
6.本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：一种大尺寸高质量硅基algan/gan hemt外延薄膜，其特点在于：所述hemt是在si衬底上从下至上依次形成有2500-3000 nm厚的应力控制层、1200-1500 nm厚的gan高阻层、250-300 nm厚的gan沟道层、1-2 nm厚的aln插入层、20 nm厚的algan势垒层和1-2 nm厚的gan帽层。
7.进一步地，所述应力控制层从下至上依次包括160nm-280 nm厚的aln缓冲层、350-450 nm厚的aln/algan超晶格、700-1000 nm厚的al
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0.7
n和1200-1500 nm的aln/gan超晶格。
8.进一步地，所述160nm-280 nm厚的aln缓冲层从下至上依次包括10-30 nm厚的低温aln缓冲层、150-250 nm厚的高温aln缓冲层。
9.本发明所述大尺寸高质量硅基algan/gan hemt外延薄膜的生长方法，是按如下步骤进行：步骤1、预处理将（111）晶向的轻掺杂硅晶圆片放置在石墨托盘上，然后放入mocvd系统的反应腔中；设置反应腔压力为50 torr、石墨托盘转速为1000 rpm，将石墨托盘升温至1000-1050℃，以90-120 slm（slm表示标况下（0℃，1 atm）升每分钟）的流量向反应腔中通过h2气对si衬底表面的sio2进行还原反应，时间为5 min，以去除氧杂质，打开表面悬浮键，使表面充满活性；步骤2、应力控制层的生长步骤21、维持反应腔压力为40 torr、石墨托盘转速为1150 rpm；降温到700-800℃，以200-250 sccm（sccm表示标况下（0℃，1 atm ）毫升每分钟）的流量通入三甲基铝气体（tmal）5-10 s，进行al的预铺；然后保持三甲基铝流量和温度不变，以3-4 slm的流量通入nh3气25-35 s，从而在si衬底表面生长一层10-30 nm厚的低温aln缓冲层；随后升温到1050-1120℃，以150-200 sccm的流量通入三甲基铝气体（tmal），同时以3-4 slm的流量通入nh3，生长50-60 min，使低温aln缓冲层上生长一层150-250 nm厚的高温aln缓冲层；步骤22、维持反应腔压力为40 torr、石墨托盘转速为1150 rpm；设置温度为1020-1070℃并保持恒温，进行aln/algan超晶格的生长，即单层aln超晶格和单层algan超晶格的交替生长；所述单层aln超晶格的生长方法为：同时以480-550 sccm的流量通入三甲基铝气体（tmal）、以3-3.5 slm的流量通入nh3，生长28 s；所述单层algan超晶格的生长方法为：同时以300-350 sccm的流量通入tmal、以70-80 sccm的流量通入三甲基镓气体（tmga）、以5-5.5 slm的流量通入nh3、以50-70 sccm的流量通入c3h8，生长20 s；交替生长单层aln超晶格和单层algan超晶格，直至在aln缓冲层上形成总厚度为350-450 nm aln/algan超晶格；步骤23、维持反应腔压力为40 torr、石墨托盘转速为1150 rpm；设置温度为1010-1060℃并保持恒温，同时以10-12 slm的流量通入nh3、以80-85 sccm的流量通入c3h8、以500-550 sccm的流量通入三甲基铝气体（tmal）、以100-120 sccm的流量通入三甲基镓气体
（tmga），生长50-60 min，从而在aln/algan超晶格上形成700-1000 nm厚的al
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n；步骤24、维持反应腔压力为40 torr、石墨托盘转速为1150 rpm；设置温度为1000-1050℃并保持恒温，进行aln/gan超晶格的生长，即单层aln超晶格和单层gan超晶格的交替生长；所述单层aln超晶格的生长方法为：同时以500-550 sccm的流量通入三甲基铝气体（tmal）、以4.5-5 slm的流量通入nh3，生长33 s；所述单层gan超晶格的生长方法为：同时以250-350 sccm的流量通入三甲基镓气体（tmga）、以16-20 slm的流量通入nh3、以150-200 sccm的流量通入c3h8气，生长30 s；交替生长单层aln超晶格和单层gan超晶格，直至在al
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n上形成1200-1500 nm 厚的aln/gan超晶格；步骤3、gan高阻层和gan沟道层的生长维持反应腔压力为50 torr、石墨托盘转速为1150 rpm；设置温度为1020-1090℃并保持恒温，以450-550 sccm的流量通入三甲基镓气体（tmga）、以30-40 slm的流量通入nh3、以750-900 sccm的流量通入c3h8，生长14-15 min，从而在aln/gan超晶格上形成1200-1500 nm厚的gan高阻层；继续维持石墨托盘转速为1150 rpm、温度为1020-1090℃，反应腔压力升高到150 torr，同时以200-300 sccm的流量通入三甲基镓气体（tmga）、以55-65 slm的流量通入nh3，生长5-7 min，从而在gan高阻层上形成250-300 nm厚的gan沟道层；步骤4、aln插入层和algan势垒层的生长维持反应腔压力为75 torr、石墨托盘转速为1150 rpm；设置温度为980-1050 ℃并保持恒温，同时以35-40 sccm的流量通入三甲基铝气体（tmal）、以10-12 slm的流量通入nh3，生长1 min，即在gan沟道层上形成1-2 nm厚的aln插入层；继续维持反应腔压力为75 torr、石墨托盘转速为1150 rpm、温度为980-1050℃，同时以35-40 sccm的流量通入三甲基铝气体（tmal）、以25-30 sccm的流量通入三甲基镓气体（tmga）、以10-12 slm的流量通入nh3，生长5 min，即在aln插入层上形成20 nm厚的algan势垒层；步骤5、gan帽层的生长维持反应腔压力为75 torr、石墨托盘转速为1150 rpm；设置温度为980-1050℃并保持恒温，同时以10-12 slm的流量通入nh3、以25-30 sccm的流量通入三甲基镓气体（tmga），生长30s，即在algan势垒层上形成1-2 nm厚的gan帽层。
10.与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：1. 本发明的外延片是采用有机金属化学气相沉积的方法，通过在si衬底上生长缓冲层控制al组分渐变，并且加入algan/aln超晶格和aln/gan超晶格的双层超晶格缓冲层来降低晶格失配和热失配，实现大尺寸硅基algan/gan hemt外延薄膜的生长，得到高质量的algan/gan异质结，获得高浓度高迁移率的二维电子气（2deg）。
11.2. 本发明所得外延薄膜厚度均匀性（厚度标准偏差(std)与总膜厚的比值）《2%，衡量电子气高迁移率的algan势垒层中al组分最大和最小值之差《2%，远超过一般薄膜机台等常规方法生长的外延薄膜的均匀性指标。
12.3. 本发明适用于6-8英寸的大尺寸生长，成本低廉，很适合大面积投入生产，具有
强大的商业优势。
13.4. 本发明在硅（111）晶向的轻掺杂硅片上采取缓冲层技术，通过控制al的组分渐变在gan外延生长过程中引入一个压应力，进而抵消部分gan与si之间由于热膨胀系数差别大而产生的张应力，从而缓解外延层开裂的问题。同时加入了algan/aln和aln/gan双层超晶格结构，实现质量良好的al组分渐变，释放aln缓冲层和gan外延层之间的晶格失配和热失配应力，减小gan外延层中的张应力。同时，algan的晶格常数小于gan的晶格常数，上层al
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n过渡层也会给gan沟道层引入一个可观的压应力，可有效补偿gan层中的一部分生长张应力，这两方面都能有效的抑制裂纹的产生，更好地减少晶格失配带来的影响，更加精准主动控制组分和厚度，使得晶圆的裂纹水平、晶体质量、翘曲水平进一步达到理想结果。
14.5. 本发明加入aln插入层，在极化作用的影响下能够提高algan势垒层和gan沟道层的有效价带差，实现窄而深的三角形量子阱，抑制2deg渗透到algan合金中，降低合金散射提高迁移率。
附图说明
15.图1为本发明硅基algan/gan hemt外延薄膜的结构示意图。
16.图2为实施例1所生长的6英寸algan/gana hemt外延薄膜的照片。
17.图3为实施例1所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜中心区域和边缘区域的光学显微镜图片。
18.图4为实施例1所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜的原子力显微镜（afm）照片。
19.图5为实施例1所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜的总膜厚分布图。
20.图6为实施例1所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜的algan势垒层的al组分分布。
21.图7为实施例1所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜的外延翘曲值分布。
22.图8为实施例1所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜的algan势垒层的厚度，右侧表格对应左侧外延片各个位置的具体厚度。
23.图9为实施例1所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜的x射线衍射（xrd）图谱。
24.图10为实施例1所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜的关态下的电流-电压（i-v）特性曲线。
具体实施方式
25.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
26.实施例1参见图1，本实施例的硅基algan/gan hemt外延薄膜是在6英寸的硅（111）晶向的轻掺杂硅片上利用mocvd沉积形成的。在si衬底上从下至上依次生长有200 nm aln缓冲层，400 nm aln/algan超晶格，800 nm al
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n，1400 nm aln/gan超晶格，1300 nm gan高阻
层，270 nm gan沟道层，2 nm aln插入层，20 nm algan势垒层和1 nm gan帽层。其中270 nm gan沟道层、2 nm aln插入层、20 nm algan势垒层形成异质结，获得迁移率为1980 cm-2
、载流子浓度为8.9
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12 cm2/vs的二维电子气（2deg）。
27.本实施例的大尺寸高质量硅基algan/gan hemt外延薄膜按如下步骤制得：步骤1、预处理将（111）晶向的轻掺杂硅晶圆片放置在石墨托盘上，然后放入mocvd系统的反应腔中；设置反应腔压力为50 torr、石墨托盘转速为1000 rpm，将石墨托盘升温至1050℃，以100 slm的流量向反应腔中通过h2气对si衬底表面的sio2进行还原反应，时间为5 min，以去除氧杂质，打开表面悬浮键，使表面充满活性。
28.步骤2、应力控制层的生长步骤21、维持反应腔压力为40 torr、石墨托盘转速为1150 rpm；降温到750℃，以205 sccm的流量通入tmal 6 s，进行al的预铺；然后保持tmal流量和温度不变，以3.9 slm的流量通入nh3气30 s，从而在si衬底表面生长一层10nm厚的低温aln缓冲层；随后升温到1090℃，以160 sccm的流量通入tmal，同时以3 slm的流量通入nh3，生长50 min，使低温aln缓冲层上生长一层190 nm厚的高温aln缓冲层。
29.步骤22、维持反应腔压力为40 torr、石墨托盘转速为1150 rpm；设置温度为1070℃并保持恒温，进行aln/algan超晶格的生长，即单层aln超晶格和单层algan超晶格的交替生长。
30.单层aln超晶格的生长方法为：同时以500 sccm的流量通入tmal、以3.2 slm的流量通入nh3，生长28 s；单层algan超晶格的生长方法为：同时以320 sccm的流量通入tmal、以75 sccm的流量通入tmga、以5.45 slm的流量通入nh3、以60 sccm的流量通入c3h8，生长20 s；交替生长单层aln超晶格和单层algan超晶格，直至在aln缓冲层上形成总厚度为400 nm aln/algan超晶格。
31.步骤23、维持反应腔压力为40 torr、石墨托盘转速为1150 rpm；设置温度为1060℃并保持恒温，同时以10.8 slm的流量通入nh3、以84 sccm的流量通入c3h8、以500 sccm的流量通入tmal、以100 sccm的流量通入tmga，生长55 min，从而在aln/algan超晶格上形成900 nm厚的al
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n。
32.步骤24、维持反应腔压力为40 torr、石墨托盘转速为1150 rpm；设置温度为1050℃并保持恒温，进行aln/gan超晶格的生长，即单层aln超晶格和单层gan超晶格的交替生长。
33.单层aln超晶格的生长方法为：同时以540 sccm的流量通入tmal、以4.7 slm的流量通入nh3，生长33 s；单层gan超晶格的生长方法为：同时以300 sccm的流量通入tmga、以16.2 slm的流量通入nh3、以180 sccm的流量通入c3h8气，生长30 s；交替生长单层aln超晶格和单层gan超晶格，直至在al
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n上形成1400 nm厚的aln/gan超晶格。
34.步骤3、gan高阻层和gan沟道层的生长
维持反应腔压力为50 torr、石墨托盘转速为1150 rpm；设置温度为1085℃并保持恒温，以500 sccm的流量通入tmga、以35 slm的流量通入nh3、以850 sccm的流量通入c3h8，生长15 min，从而在aln/gan超晶格上形成1300 nm厚的gan高阻层。
35.继续维持石墨托盘转速为1150 rpm、温度为1090℃，反应腔压力升高到150 torr，同时以240 sccm的流量通入tmga、以62.4 slm的流量通入nh3，生长6 min，从而在gan高阻层上形成270 nm厚的gan沟道层。
36.步骤4、aln插入层和algan势垒层的生长维持反应腔压力为75 torr、石墨托盘转速为1150 rpm；设置温度为1045℃并保持恒温，同时以39 sccm的流量通入tmal、以10.5 slm的流量通入nh3，生长1 min，即在gan沟道层上形成2 nm厚的aln插入层；继续维持反应腔压力为75 torr、石墨托盘转速为1150 rpm、温度为1045℃；同时以39 sccm的流量通入tmal、以26 sccm的流量通入tmga、以10.5 slm的流量通入nh3，生长5 min，即在aln插入层上形成20 nm厚的algan势垒层。
37.步骤5、gan帽层的生长维持反应腔压力为75 torr、石墨托盘转速为1150 rpm；设置温度为1045℃并保持恒温，同时以10.5 slm的流量通入nh3、以26 sccm的流量通入tmga，生长30s，即在algan势垒层上形成1 nm厚的gan帽层。
38.图2为本实施例所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜的照片，薄膜整体表面光滑平整，没有明显的裂纹。
39.图3为本实施例所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜的光学显微镜照片。左侧是薄膜中心区域的光学显微镜图像，右侧是薄膜边缘的光学显微镜图像。薄膜中心区域未观察到明显的裂纹和瑕疵，在外延片的边缘300 μm范围以内，有少量垂直边沿的裂纹。
40.图4为本实施例所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜的原子力显微镜（afm）照片，扫描区域为5 μm
×
5 μm，薄膜表面方均根粗糙度为0.146 nm，从图中可看到表面有清晰的原子台阶，这就说明algan势垒层是在台阶流动模式下获得的，表明所得薄膜表面平整、形貌良好。
41.图5为本实施例所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜的总膜厚分布图。测试6英寸的algan/gan异质结hemt的外延薄膜平均膜厚为4.53 μm，膜厚标准偏差为0.05 μm，片内膜厚均匀性为1.10%。
42.图6为本实施例所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜的algan势垒层的al组分分布。片内al的平均组分在23.2%，从分布图上看出片内al组分最大-最小值之差在0.69%，远小于2%业内水平，6英寸al组分均匀性好。
43.图7为本实施例所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜的衬底弯曲度（bow值）分布。hemt外延片的翘曲均值bow在22 μm，满足集成电路制程对晶圆片的翘曲度50 μm的要求，主要原因是引入超晶格作为algan的应力控制层。
44.图8为本实施例所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜的algan势垒层的厚度。左侧在外延片上取了13个不同位置进行测量，右侧是不同位置的具体数值，其中algan势垒层的厚度均值为23.29 nm，厚度均匀性在1.40%。
45.图9为本实施例所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜的x射线衍射（xrd）图谱。
测得gan（002）面和（102）面摇摆曲线半高宽分别是590 arcsec和893 aresec，gan晶体质量比较好，位错密度得到有效控制。
46.图10为本实施例所生长的6英寸algan/gan hemt外延薄膜的关态下的i-v曲线。肖特基接触尺寸（pad size）为0.5 mm2时，关态状态下，源漏端加正向电压为810v时的漏极电流为1 μa/mm2，源漏端加反向电压为880 v时的漏极电流为1 μa/mm2，即电压》800 v时的漏极电流仅为1 μa/mm2，漏电性能好，大大增强algan/gan hemt器件的稳定性。漏电性能表现好主要原因是外延生长引入aln、双层超晶格结构作为algan等多种缓冲层，缩小硅衬底与gan晶格失配效应，多层缓冲层更有效降低界面位错缺陷，特别是刃位错缺陷密度，利于提高algan/gan外延薄膜的晶体质量，更有效阻挡界面的位错密度，有利于gan表面合并，改善硅基algan/gan hemt漏电性能。从关态iv曲线看，击穿耐压值接近950 v。硅基algan/gan hemt耐压性能好主要原因是双层超晶格、al
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n等缓冲层。特别的，高阻率gan结构中主动通入c3h8气体作为c源技术的主动掺c技术，相对于被动掺c技术，能够不降低晶体质量前提下，大幅提高掺c浓度，增强硅基algan/gan hemt器件背压的耐压性能。
47.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。