[发明专利]一种高均匀性氮化镓异质结材料结构及外延生长方法

说明书

一种高均匀性氮化镓异质结材料结构及外延生长方法，涉及半导体单晶薄膜技术领域。所述材料结构自下而上包括：SiC衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、InAlGaN插入层、AlGaN势垒层；所述材料采用金属有机物化学气相沉积方法在衬底上外延制备。InAlGaN插入层能够增强异质结量子阱中载流子的限域性，提高二维电子气迁移率。与常规的AlN插入层相比，InAlGaN插入层与GaN缓冲层的晶格失配度较小，不易发生晶格驰豫，厚度的选择窗口较大，工艺容易控制，插入层原子层数增加有利于提高氮化镓高电子迁移率晶体管材料电学特性的均匀性、一致性。采用渐变升温的工艺生长InAlGaN插入层，能够有效提高插入层表面质量，避免升温对材料性能的影响。

技术领域

本发明涉及半导体单晶薄膜技术领域，具体涉及一种高均匀性氮化镓异质结材料结构及外延生长方法。

背景技术

氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）是一种新型电子器件，采用铝镓氮（AlGaN）作势垒，与GaN缓冲层形成AlGaN/GaN异质结是当前较为常用的材料体系，得益于AlGaN/GaN异质结较强的极化特性和带隙差，在异质结量子阱中形成高密度二维电子气（2DEG），通过肖特基栅压控制沟道电子实现工作。GaN HEMT器件具有高频、大功率的优异特性，广泛应用于无线通信基站、电力电子器件等信息收发、能量转换等领域，符合当前节能环保、绿色低碳的发展理念。

AlGaN/GaN异质结二维电子气迁移率是影响器件功率特性的关键因素之一，较高的载流子迁移率有利于提高器件的工作电流。AlGaN/GaN异质结中二维电子气迁移率受多种散射机制的制约，主要包括：晶格散射（又称声子散射）、界面散射以及合金无序散射等。室温下，AlGaN/GaN异质结二维电子气迁移率一般在1300-1600 cm²/Vs，与Al组分及二维电子气浓度有关。通过在AlGaN/GaN异质结之间插入一层1nm左右的氮化铝（AlN）薄层，二维电子气迁移率可提高至2000-2200 cm²/Vs，二维电子气浓度也会提升，提升的幅度与AlN插入层的厚度密切相关。

AlN插入层虽然可以带来材料及器件性能的提升，但是由于与上方的AlGaN势垒层和下方的GaN缓冲层具有较大的晶格失配，使得其厚度一般不能超过2nm，否则将发生应变弛豫、表面质量恶化等问题，达不到改善沟道电子输运特性的效果。目前采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）方法生长1nm（两层原子）左右的AlN插入层工艺难度较大，很难精确控制其厚度并保证整个圆片的均匀性。因此，对于微波功率器件用AlGaN/GaN异质结材料，如何有效提高沟道二维电子气迁移率，同时实现外延工艺的精确可控以及片内的均匀性是一个重要课题。

发明内容

解决的技术问题：针对现有技术中无AlN插入层AlGaN/GaN异质结外延材料沟道二维电子气迁移率低，有AlN插入层AlGaN/GaN异质结外延材料存在内应力大、均匀性控制难度高的问题，本发明提供一种高均匀性氮化镓异质结材料结构及外延生长方法，采用InAlGaN作为插入层能有效提高沟道二维电子气浓度和迁移率。与AlN插入层相比，InAlGaN插入层与GaN之间的晶格失配度较小，插入层发生应变弛豫的临界厚度较大，插入层厚度的选择窗口增大，降低了外延工艺的难度，原子层数增加有利于提高材料的均匀性和一致性。同时，采用渐变升温的工艺生长InAlGaN插入层，能够有效提高插入层表面质量，避免升温对材料性能的影响。