[发明专利]硅基AlGaN/GaN HEMT外延薄膜及其生长方法

说明书

本发明公开了硅基AlGaN/GaN HEMT外延薄膜及其生长方法，是在Si衬底上利用金属有机气相化学沉积的方法外延生长基于AlGaN/GaN异质结的HEMT外延薄膜。本发明通过在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）。

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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/GaNHEMT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）。

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。