[发明专利]硅基AlGaN/GaN HEMT外延薄膜及其生长方法

权利要求书

1.硅基AlGaN/GaN HEMT外延薄膜，其特征在于：所述HEMT外延薄膜是在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；

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_0.3Ga_0.7N和1200-1500 nm的AlN/GaN超晶格。

2.根据权利要求1所述的硅基AlGaN/GaN HEMT外延薄膜，其特征在于：所述160nm-280nm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。

3.一种权利要求1~2中任意一项所述硅基AlGaN/GaN HEMT外延薄膜的生长方法，其特征在于，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5min，以去除氧杂质；

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的流量通入三甲基铝气体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，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、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70-80sccm的流量通入三甲基镓气体、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500-550sccm的流量通入三甲基铝气体、以100-120 sccm的流量通入三甲基镓气体，生长50-60min，从而在AlN/AlGaN超晶格上形成700-1000 nm厚的Al_0.3Ga_0.7N；

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、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、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_0.3Ga_0.7N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、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150Torr，同时以200-300 sccm的流量通入三甲基镓气体、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、以10-12 slm的流量通入NH₃，生长1min，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、以25-30 sccm的流量通入三甲基镓气体、以10-12slm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，生长30s，即在AlGaN势垒层上形成1-2 nm厚的GaN帽层。