一种高线性AlGaN/GaN异质结的外延结构及外延方法与流程

一种高线性algan/gan异质结的外延结构及外延方法
技术领域
1.本发明涉及一种高线性algan/gan异质结的外延结构及外延方法，特别是一种借助高温及低速率gan沟道层生长工艺以降低异质结缺陷密度、借助gan/algan复合沟道层及极化调制algan势垒层结构以展宽电子气三维纵深的高线性algan/gan异质结的材料结构及外延方法，属于半导体外延材料技术领域。


背景技术：

2.gan高电子迁移率场效应管在射频领域中具有显著优势，在获得大输出功率的同时，能在各种恶劣环境中稳定工作，有力推动了以基站为典型应用的系统升级换代。与基站追求的饱和大功率不同，卫星通信要求屏蔽掉其它频段的电磁波干扰，即gan射频器件必须同时满足高增益和高线性以实现宽频段数据传输，确保通信的高信噪比。然而常规gan高电子迁移率场效应管的跨导曲线呈现典型的峰值特征，跨导自上升沿达到峰值后退化明显，即跨导平坦度低，造成高频率、输入功率下器件的增益迅速发生压缩、交调特性变差，进而导致信号放大的失真严重、线性度差，不能满足卫星通信的要求。
3.现有技术生长的常规algan/gan异质结材料，结构如图2所示，由下而上依次为碳化硅单晶衬底1、50nm厚aln成核层2、1.5μm厚gan缓冲层3、0.15μm厚gan沟道层4c、20nm厚al
0.3
ga
0.7
n势垒层5c，其外延方法包括以下步骤：
4.步骤一：选取4英寸碳化硅单晶衬底，置于mocvd设备内的基座上；
5.步骤二：反应室升温至1070℃，设定压力为100torr，在氢气氛围下烘烤衬底10min，去除衬底表面沾污；
6.步骤三：反应室升温至1150℃，设定压力为80torr，通入10slm氨气和300sccm三甲基铝，生长50nm厚aln成核层，关闭三甲基铝；
7.步骤四：在氨气氛围中将温度降至1030℃，将压力升至200torr，通入三甲基镓，并通过调整三甲基镓的流量使gan生长速率达到2.0μm/h，生长1.5μm厚gan缓冲层；
8.步骤五：保持反应室温度、压力及gan生长速率不变，生长0.15μm厚gan沟道层，关闭三甲基镓；
9.步骤六：在氨气氛围中设定温度为1000℃，设定压力为100torr，通入三甲基镓和三甲基铝，并通过调整三甲基镓和三甲基铝的流量生长20nm厚的al0.3ga0.7n势垒层，关闭三甲基镓和三甲基铝；
10.常规gan高电子迁移率场效应管跨导平坦度低的本质是algan/gan异质结界面处的二维电子气纵深较小～2nm，致使跨导仅能在沟道夹断前的较小栅压范围内维持高位，因此，提升跨导平坦度的关键是展宽电子气的三维纵深，从而实现跨导曲线在较大栅压范围内的高而平。目前提升跨导平坦度的主流方案包括多沟道和势垒层极化调制掺杂结构，其中多沟道结构基于沟道自上而下、层层耗尽的原理而实现多个跨导峰值，从而提升了跨导平坦度，但多沟道结构及外延工艺均较为复杂，且夹断电压过高，因此实现难度较大；而势垒层极化调制掺杂结构基于势垒层能带向下弯曲而使电子气朝向势垒层延伸，等效展宽了
电子气的三维纵深，从而提升了跨导平坦度，但势垒层极化调制掺杂结构的异质结界面净极化电荷密度较低，导致电子气面密度、跨导峰值及其它输出特性不佳。除gan射频器件及电路设计外，通过对algan/gan异质结外延材料工艺和结构进行设计，在不引起其它性能退化的基础上，实现跨导平坦度的显著提升，对gan射频器件在高频卫星、5g通信的应用具有重要的科学意义与实际价值。
11.此外，降低algan/gan异质结内的缺陷密度，有助于提高gan射频器件的可靠性，保障通信系统的稳定性。


技术实现要素：

12.本发明的目的，在于提供一种高线性algan/gan异质结的外延结构及外延方法，在维持较高的电子气面密度、输出电流密度及跨导峰值同时，降低了algan/gan异质结材料的缺陷密度，并显著展宽了电子气的三维纵深，有利于提升跨导平坦度，适用于高线性gan射频器件的研制。
13.为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
14.一种高线性algan/gan异质结的外延方法，包括如下步骤：
15.步骤一，选取单晶衬底，置于mocvd等气相外延生长的设备内基座上；
16.步骤二，反应室升温至1000～1100℃，设定压力为50～150torr，在氢气氛围下烘烤衬底5～15min，去除衬底表面沾污；
17.步骤三，反应室升温至1100～1250℃，设定压力为30～150torr，通入氨气和铝源，生长30～200nm厚aln成核层，关闭铝源；
18.步骤四，在氨气氛围中将温度降至930～1080℃，将压力升至150～500torr，通入镓源，并通过调整镓源流量使gan生长速率达到1.3～3.0μm/h，生长0.2～3.0μm厚gan缓冲层，关闭镓源；
19.步骤五，在氨气氛围中将温度升至t，设定压力为150～500torr，通入镓源，并通过调整镓源流量使gan生长速率达到v，生长0.05～0.5μm厚gan沟道层，关闭镓源；
20.步骤六，在氨气氛围中设定温度为950～1100℃，设定压力为30～150torr，通入镓源和铝源，并通过调整镓源和铝源流量生长铝组分为x1、厚度为t1的al
x1
ga
1-x1
n沟道层；
21.步骤七，在氨气氛围中保持温度、压力不变，通过固定镓源流量并线性增加铝源流量，或者固定铝源流量并线性减小镓源流量，生长铝组分为x2、厚度为t2的第一al
x2
ga
1-x2
n势垒层，关闭镓源和铝源；
22.步骤八，在氨气氛围中保持温度、压力不变，通入镓源和铝源，并通过调整镓源和铝源流量生长al组分为x3、厚度为t3的第二al
x3
ga
1-x3
n势垒层，关闭镓源和铝源。
23.步骤九，在氨气保护下降至室温，取出外延片。
24.上述步骤五中的gan沟道层生长完成后，继续生长所述步骤六中的al
x1
ga
1-x1
n沟道层，构成了gan/al
x1
ga
1-x1
n复合沟道层结构；
25.在本发明中，步骤五中的gan沟道层，其生长温度t要高于gan缓冲层，范围为1080～1130℃，其生长速率v要低于gan缓冲层，范围为0.2～1.2μm/h。gan沟道层采用1080～1130℃高温生长工艺，能够提升镓原子的横向迁移速率，促进二维层状生长模式，改善材料表面平整度，同时能够提高氨气的分解效率从而产生富氨气氛，有利于降低点缺陷密度，提
升材料的结晶质量；采用0.2～1.2μm/h低速率外延工艺，能够促进生长界面的镓原子迁移至理想格点处再与n原子结合，有利于抑制晶格缺陷的形成，为后续algan沟道层、势垒层高质量生长提供理想基板。
26.在本发明中，步骤六中的al
x1
ga
1-x1
n沟道层，其铝组分x1范围为3％～10％，其厚度t1范围为3～15nm。为实现电子气在gan/al
x1
ga
1-x1
n复合沟道层的三维分布，al
x1
ga
1-x1
n沟道层/gan沟道层界面的导带阶不宜过小且alx1ga
1-x1
n沟道层厚度t1不宜过小，因此铝组分x1不小于3％，厚度t1不小于3nm；为实现电子气较为均匀地分布在gan/al
x1
ga
1-x1
n复合沟道层内，algan沟道层/gan沟道层界面的导带阶不宜过大且algan沟道层厚度t1不宜过大，因此铝组分x1不大于10％，厚度t1不大于15nm。
27.在本发明中，步骤七中的第一al
x2
ga
1-x2
n势垒层，其铝组分x2是沿外延方向从第一al
x2
ga
1-x2
n势垒层背面到顶部逐渐增大，构成极化调制掺杂的势垒层结构，x2最小值不低于所述步骤六中的al
x1
ga
1-x1
n沟道层铝组分x1、不高于15％，最大值范围为20％～45％；其厚度t2范围为15～40nm。为保证第一al
x2
ga
1-x2
n势垒层能带向下发生显著弯曲而使电子气有效渗入至第一al
x2
ga
1-x2
n势垒层，其铝组分x2从第一al
x2
ga
1-x2
n势垒层背面到顶部的变化梯度应较大，因此x2最小值不高于15％，最大值不低于20％，t2不高于40nm；为保证第一al
x2
ga
1-x2
n势垒层较低的张应力，x2最大值不高于45％；为保证电子气在第一al
x2
ga
1-x2
n势垒层内分布的三维纵深较宽，则t2不低于15nm；为保持第一al
x2
ga
1-x2
n势垒层/al
x1
ga
1-x1
n沟道层界面较好的电子连通性，x2最小值不低于所述步骤六中的al
x1
ga
1-x1
n沟道层的铝组分x1。
28.在本发明中，步骤八中的第二al
x3
ga
1-x3
n势垒层，其铝组分x3不低于所述步骤七中的第一al
x2
ga
1-x2
n势垒层铝组分x2的最大值，不高于100％，其厚度t3范围为3～10nm。为显著提升异质结电子气面密度及电流密度，铝组分x3不低于所述步骤七中的第一al
x2
ga
1-x2
n势垒层铝组分x2的最大值，厚度t3不低于3nm；为保持跨导峰值处于高位并控制异质结整体应力处于较低水平，t3不高于10nm。
29.一种高线性algan/gan异质结的外延结构，基于上述外延方法制成，外延结构由下而上依次为单晶衬底、aln成核层、gan缓冲层、gan沟道层、algan沟道层、第一algan势垒层和第二algan势垒层。
30.采用上述方案后，本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明通过设计新的外延结构及外延工艺，在不降低跨导峰值及电流密度等性能的基础上，通过对gan沟道层采用高温、低速率工艺，提升gan沟道层结晶质量及表面形貌，降低后续algan沟道层、势垒层的缺陷密度；引入gan/algan复合沟道层及极化调制掺杂的第一algan势垒层结构，显著展宽电子气的三维纵深；利用强极化的第二algan势垒层提升电子气面密度及跨导峰值。在降低algan/gan异质结材料缺陷密度的同时，显著展宽电子气的三维纵深，改善跨导平坦度，提升gan射频器件在高频卫星通信领域的功用。
附图说明
31.图1是本发明的高线性algan/gan异质结材料示意图；
32.图2是现有技术的常规algan/gan异质结材料示意图；
33.图3是本发明提供的高线性algan/gan异质结材料和现有技术生长的常规algan/
gan异质结材料在室温下黄带光致发光强度曲线对比图；
34.图4是本发明提供的高线性algan/gan异质结材料和现有技术生长的常规algan/gan异质结材料的电子气纵向分布曲线对比图；
35.图5是本发明提供的高线性algan/gan异质结材料和现有技术生长的常规algan/gan异质结材料的跨导特性曲线对比图；
36.图6是本发明提供的高线性algan/gan异质结材料和现有技术生长的常规algan/gan异质结材料的i-v特性曲线对比图。
具体实施方式
37.下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
38.如图1所示，本发明基于高线性algan/gan异质结的外延结构及外延方法，提出的高线性algan/gan异质结外延结构由下而上依次为碳化硅单晶衬底1、aln成核层2、gan缓冲层3、gan沟道层4a、algan沟道层4b、第一algan势垒层5a和第二algan势垒层5b。
39.本发明实施例提出的高线性algan/gan异质结的外延方法，包括以下步骤：
40.步骤一：选取4英寸碳化硅单晶衬底，置于mocvd设备内的基座上；
41.步骤二：反应室升温至1070℃，设定压力为100torr，在氢气氛围下烘烤衬底10min，去除衬底表面沾污；
42.步骤三：反应室升温至1150℃，设定压力为80torr，通入10slm氨气和300sccm三甲基铝，生长50nm厚aln成核层，关闭三甲基铝；
43.步骤四：在氨气氛围中将温度降至1030℃，将压力升至200torr，通入三甲基镓，并通过调整三甲基镓的流量使gan生长速率达到2.0μm/h，生长1.5μm厚gan缓冲层，关闭三甲基镓；
44.步骤五：在氨气氛围中将温度升至1100℃，设定压力为300torr，通入三甲基镓，并通过调整三甲基镓的流量使gan生长速率达到0.6μm/h，生长0.15μm厚gan沟道层，关闭三甲基镓；
45.步骤六：在氨气氛围中设定温度为1000℃，设定压力为100torr，通入三甲基镓和三甲基铝，并通过调整三甲基镓和三甲基铝的流量生长8nm厚的al
0.05
ga
0.95
n沟道层；
46.步骤七：在氨气氛围中保持温度、压力不变，通过固定三甲基镓流量并线性增加三甲基铝流量，生长30nm厚的第一al
x2
ga
1-x2
n势垒层，其中铝组分x2从第一al
x2
ga
1-x2
n势垒层背面的0.05逐渐增大至顶部的0.35，关闭镓源和铝源；
47.步骤八：在氨气氛围中保持温度、压力不变，通入三甲基镓和三甲基铝，并通过调整三甲基镓和三甲基铝的流量生长7nm厚的第二al
0.50
ga
0.50
n势垒层，关闭三甲基镓和三甲基铝；
48.步骤九：在氨气保护下降至室温，取出外延片。
49.本发明提供的实施例中采用高温低速率gan沟道层生长工艺、引入gan/algan复合沟道层及极化调制掺杂的第一algan势垒层结构、引入强极化第二algan势垒层结构的高线性algan/gan异质结材料，与现有技术生长的常规algan/gan异质结材料相比，室温下黄带光致发光的信号强度下降了60％，如附图3所示，表明采用高温低速率工艺生长的高质量
gan沟道层，能够有效降低后续algan沟道层、势垒层的缺陷密度，从而抑制势垒层缺陷能级的陷阱效应。
50.本发明实施例中提供的高线性algan/gan异质结材料的电子气面密度为1.35*10
13
cm-2
，而现有技术生长的常规algan/gan异质结材料的电子气面密度为1.06*10
13
cm-2
，表明利用强极化第二algan势垒层有效增加了电子气面密度；上述两种异质结材料的电子气纵向分布如图4所示，高线性algan/gan异质结材料的电子气纵向分布明显宽于现有技术生长的常规algan/gan异质结材料，表明引入gan/algan复合沟道层及极化调制掺杂的第一algan势垒层结构能够显著展宽电子气的三维纵深；上述两种异质结材料的跨导曲线如图5所示，高线性algan/gan异质结材料的跨导曲线在栅源电压-7v～ 2v范围内高而平，跨导平坦度优于现有技术生长的常规algan/gan异质结材料，表明电子气三维纵深的展宽提升了跨导平坦度；此外，高线性algan/gan异质结材料的跨导峰值为～0.47s/mm，略高于现有技术生长的常规algan/gan异质结材料～0.41s/mm；上述两种异质结材料的i-v特性曲线如图6所示，两者电流密度无明显差异，且均达到～1a/mm，表明本发明提供的高线性algan/gan异质结材料保持了较高的电流密度。
51.与现有技术生长的常规algan/gan异质结材料相比，本发明提供的实施例中的高线性algan/gan异质结材料在保持较高的输出电流密度、电子气面密度及跨导峰值的同时，有效降低了algan/gan异质结材料的缺陷密度，保障了gan射频器件的高可靠性，同时显著展宽了电子气的三维纵深，提升了跨导平坦度，提升了gan射频器件的线性度。
52.上述实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，制作方法上实际可采用的制作方案是很多的，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与装饰，均属于本发明的涵盖范围。