[发明专利]一种III族氮化物层结构及其制备方法、晶体管

说明书

本发明公开了一种III族氮化物层结构及其制备方法、晶体管，其中所述方法包括：⑴提供异质生长衬底；⑵在所述异质生长衬底的上表面上依次生长第一成核层和III极性III族氮化物层；⑶除去所述异质生长衬底、所述第一成核层，并暴露出所述III极性III族氮化物的氮极性面得到氮极性衬底；⑷在所述氮极性衬底的上表面上，生长氮极性III族氮化物层结构，所述氮极性III族氮化物层结构包括二维电子气。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种III族氮化物层结构及其制备方法、晶体管。

背景技术

毫米波及太赫兹波在5G/6G通讯，自动驾驶测距和安检成像等方面有着广泛的应用。但是由于频率高，及空气对信号的吸收增加，所以必须提高信号强度，要求RF(即射频)微波功放管可以处理较高的功率密度。这为宽禁带半导体GaN及其晶体管提供了新的机遇。

III族氮化物是极性材料，如GaN，AlN，AlGaN和InAlN等，即它们有自发极化，自发极化与它们的C方向平行。所以，一个与C方向相互垂直的薄晶片，其上下两个表面不相同。习惯上，当一个C切晶片或薄膜的上表面的法线方向与自发极化方向相反(反向平行)时，该晶片或薄膜称作III极性的(如果是GaN或AlN，则被分别称为Ga极性或Al极性)。反之，当法线方向与自发极化方向一致时，该晶片或薄膜称作氮极性的。III族氮化物是通常通过外延生长的，所以区分上表面的极性很重要。但现在为止，已经对氮极性III族氮化物进行了广泛的研究。

在镓极性的表面上，二维电子气(2DEG)可以形成在AlGaN/GaN的界面，AlGaN势垒层的厚度在20-35纳米，可以形成晶体管，晶体管上表面有三个电极，中间的叫做栅极，它两侧的两个电极分别叫源极和漏极。在栅极上加上电压，可以控制电子在源极和漏极之间的传输，用于微波信号放大。通常为了提高晶体管的工作频率，需要降低栅极的宽度，但是这样不仅增加成本，同时也很难把工作频率提高到毫米波及太赫兹波波段，因为受制于栅极和2DEG之间的间距，通常20-35纳米的间距，与上表面AlGaN势垒层的厚度一致；如果用蚀刻法减少上表面AlGaN势垒层的厚度，将很难形成高质量的栅极。因此，要解决这个问题，要使用氮极性III族氮化物材料，把栅极和2DEG之间有的间距减少到5-15纳米。但是，这里面有一系列技术问题，最突出的包括：

目前技术基于高阻SiC衬底，这种衬底十分昂贵(大约2000USD/片，100mm直晶)。并且碳面抛光问题还没有很好的解决。需要寻找新的技术替代途径。

由于在生长过程中，氧离子容易通过氮极性面，对III族氮化物实现掺杂，造成材料的电阻低，晶体管漏电，所以还需要避免生长厚的氮极性GaN。

利用斜切，即使表面法线方向与C方向有一个小的夹角，从而避免六角型缺陷。但斜切会造成生长台阶，很难形成理想的2DEG。

目前整体来讲。氮化物以及所用的衬底有大量的缺陷(衬底的缺陷可以被III族外延层继承)。缺陷最常见的有两种：位错和晶界，位错仅有几个纳米的尺寸，对晶体管的负面影响通常是微观的，但是晶界的负面影响将是宏观，可以造成晶体管失效，降低成品率。在外延生长过程中，通常会在外延层-衬底界面形成高浓度的位错等缺陷。随着外延层厚度增加，这些位错缺陷有些相互复合而消失，有些相互复合而形成晶界。类似的，随着外延层厚度增加，有的晶界相互复合而消失，有的相互复合而形成大角度晶界。这些大角度晶界将造成表面粗糙，使晶体管失效。这是目前HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延)技术所面临的问题。

本发明试图解决上述问题中一些问题。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术存在的问题，提供一种III族氮化物层结构的制备方法，从而用于制作可靠性高的、低成本半导体晶体管。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种III族氮化物层结构。