一种基于ScAlMgO4衬底的GaN基HEMT器件外延结构的制作方法

一种基于scalmgo4衬底的gan基hemt器件外延结构
技术领域
1.本发明属于hemt器件领域，具体涉及一种基于scalmgo4衬底的gan基hemt器件外延结构。


背景技术：

2.gan基hemt(高电子迁移率晶体管)器件是以algan/gan异质结为结构基础的氮化镓基器件，具有截止频率高、饱和电流高以及跨导高等优越性，能够适应大功率的工作环境。现有gan基hemt器件外延结构大多是利用si衬底外延生长的，但si衬底和gan材料存在20.4％的晶格失配和56％的热失配，导致gan外延膜在生长后薄膜内存在很大的张应力，导致生长的gan薄膜缺陷密度相当高。
3.与其它传统衬底材料相比，铝镁酸钪(scalmgo4)与氮化镓的晶格失配率约1.8％，热膨胀系数失配也比其它传统衬底材料低，是一种理想的氮化镓外延生长衬底，但现有以铝镁酸钪为衬底外延生长氮化镓薄膜的报道相对较少。如专利文献cn106158592a公开了一种生长在铝酸镁钪衬底上的gan薄膜的制备方法，其依次在铝酸镁钪衬底上生长gan缓冲层、gan形核层，gan非晶层和gan薄膜，获得高质量的gan薄膜。又如专利文献cn113035689a公开了一种氮化镓单结晶基板的制造方法，其通过mocvd方法在scalmgo4基板上低温生长gan系缓冲层，在作为第二阶段生长的gan系缓冲层上通过hvpe法高温生长gan单晶层，经过切片、研磨抛光、清洗，实现无位错、无结晶缺陷的高品质gan结晶基板。但采用上述现有技术在scalmgo4基板上生长的gan薄膜质量并不太理想，gan xrd(002)和(102)的半峰宽高达300arcsec以上。


技术实现要素：

4.为了解决现有gan基hemt器件处延结构生长中存在的上述问题，本发明提供一种基于scalmgo4衬底的gan基hemt器件外延结构。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种基于scalmgo4衬底的gan基hemt器件外延结构，包括依次层叠的scalmgo4衬底，i-al
x
ga
1-x
n/i-gan超晶格层，i-gan层，i-aln层，i-alyga
1-y
n层，以及gan或p型gan层。
7.优选地，所述i-al
x
ga
1-x
n/i-gan超晶格层的总厚度为200nm～4000nm，超晶格层厚度超出该范围会影响器件质量。其中，循环次数为2～200，各i-al
x
ga
1-x
n层的厚度为10nm～1990nm，各i-gan层的厚度为10nm～1990nm。
8.更优选地，所述x为0.01～0.6。
9.优选地，所述i-gan层的厚度为500nm～5000nm，超出该厚度范围会影响器件质量，该层太薄所起到的作用有限，太厚会导致反应腔室的颗粒(particle)会增多，影响器件质量。
10.优选地，所述i-aln层的厚度为0.1nm～10nm，超出该厚度范围会影响器件质量。
11.优选地，所述i-alyga
1-y
n层的厚度为5nm～500nm，超出该厚度范围会影响器件质
量。
12.更优选地，所述y为0.01～0.6。
13.优选地，所述gan或p型gan层的厚度为1nm～150nm。
14.优选地，所述scalmgo4衬底以(001)面偏(110)面0～0.3度为外延面。
15.一种基于scalmgo4衬底的gan基hemt器件外延结构的制备方法，包括：
16.(1)在scalmgo4衬底上外延生长i-al
x
ga
1-x
n/i-gan超晶格层；
17.(2)在i-al
x
ga
1-x
n/i-gan超晶格层上外延生长i-gan层；
18.(3)在i-gan层上外延生长i-aln层；
19.(4)在i-aln层上外延生长i-alyga
1-y
n层；
20.(5)在i-al
x
gayn层上外延生长gan或p型gan层。
21.优选地，步骤(1)中，外延生长i-al
x
ga
1-x
n/i-gan超晶格层时，i-al
x
ga
1-x
n的生长速率为0.1～1μm/h，i-gan的生长速率为0.2～2μm/h。
22.优选地，步骤(2)中，外延生长i-gan层的生长速率为0.5～5μm/h。
23.优选地，步骤(3)中，外延生长i-aln层的生长速率为0.05～0.5μm/h。
24.优选地，步骤(4)中，外延生长i-alyga
1-y
n层的生长速率为0.2～2μm/h。
25.优选地，步骤(5)中，外延生长gan或p型gan层的生长速率为0.2～2μm/h，其中，p型gan为掺mg的gan，掺杂浓度为1e15cm-3
～3e19cm-3
。
26.有益效果
27.与现有技术相比，本发明可以有效降低gan薄膜缺陷密度，使gan xrd(002)和(102)的半峰宽降至200arcsec以下，从而得到大尺寸高质量gan hemt器件。
附图说明
28.图1是本发明基于scalmgo4衬底的gan基hemt器件外延结构的示意图。
29.图2是本发明基于scalmgo4衬底的gan基hemt器件外延结构的生产工艺流程图。
具体实施方式
30.以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
31.本发明基于scalmgo4衬底的gan基hemt器件外延结构如图1所示，包括scalmgo4(sam)衬底p0，在衬底p0的表面上依次层叠的i-al
x
ga
1-x
n/i-gan超晶格层p1，i-gan层p2，i-aln层p3，i-alyga
1-y
n层p4，以及gan或p型gan层p5。
32.所述scalmgo4衬底以(001)面偏(110)面0～0.3度为外延面。
33.所述i-al
x
ga
1-x
n/i-gan超晶格层p1为i-al
x
ga
1-x
n层与i-gan层相互交替循环的结构，i-al
x
ga
1-x
n层与i-gan层交替循环的次数为2～200。具体的循环次数有2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、15、20、30、40、50、80、100、120、150、180或200等。
34.i-al
x
ga
1-x
n层与i-gan层交替循环(loop)次数的计算如下：
35.loop＝1:i-al
x
ga
1-x
n/i-gan，
36.loop＝2:i-al
x
ga
1-x
n/i-gan/i-al
x
ga
1-x
n/i-gan,
37.loop＝3:i-al
x
ga
1-x
n/i-gan/i-al
x
ga
1-x
n/i-gan/i-al
x
ga
1-x
n/i-gan，
38.其余loop依此类推。
39.所述i-al
x
ga
1-x
n的x为0.01～0.6。具体的x值有0.01、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6等。
40.所述i-al
x
ga
1-x
n/i-gan超晶格层p1的总厚度为200nm～4000nm。具体的总厚度有200nm、400nm、600nm、800nm、1000nm、1200nm、1400nm、1600nm、1800nm、2000nm、2600nm、3200nm或4000nm等。
41.在超晶格层中，各i-al
x
ga
1-x
n层的厚度为10nm～1990nm，各i-gan层的厚度为10nm～1990nm。
42.所述i-gan层p2的厚度为500nm～5000nm。具体的厚度有500nm、600nm、800nm、1000nm、1500nm、2000nm、2500nm、3000nm、3500nm、4000nm、4500nm或5000nm等。
43.所述i-aln层p3起到提升二维电子浓度的作用，其厚度为0.1nm～10nm。具体的厚度有0.1nm、0.2nm、0.4nm、0.8nm、1nm、1.2nm、1.5nm、2nm、2.5nm、3nm、3.5nm、4nm、5nm、5.5nm、6nm、6.5nm、7nm、7.5nm、8nm、8.5nm、9nm、9.5nm或10nm等。
44.所述i-alyga
1-y
n层p4的厚度为5nm～500nm。具体的厚度有50nm、60nm、70nm、80nm、100nm、120nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm等。
45.所述i-alyga
1-y
n的y为0.01～0.6。具体的y值有0.01、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6等。
46.所述gan或p型gan层p5的厚度为1nm～150nm。具体的厚度有1nm、10nm、20nm、40nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、120nm或150nm等。
47.所述p型gan为掺mg的pgan，掺杂浓度为1e15cm-3
～3e19cm-3
。
48.1e15＝1.0
×
10
15
，3e19＝3.0
×
10
19
。
49.本发明gan hemt器件外延结构的各外延层可以选用传统的mocvd(金属有机化学气相沉积)方法、cvd(化学气相沉积)方法、pecvd(等离子体增强化学气相沉积)方法、mbe(分子束外延)方法等生长，优选mocvd方法。
50.本实施例中，选用mocvd法在sam的(001)面制备gan hemt器件外延结构的工艺流程如图2所示，具体过程如下：
51.(1)提供sam衬底p0。
52.(2)第一外延层的生长：在衬底表面外延生长i-al
x
ga
1-x
n/i-gan超晶格层p1，生长温度在500～1100℃范围，所需气体流量n2为0～80l/min，h2流量为0～220l/min，nh3为0.1～60l/min，铝源为三甲基铝，镓源为三甲基镓，未掺杂的i-al
x
ga
1-x
n层的生长速率为0.1～1μm/h，未掺杂的i-gan层的生长速率为0.2～2μm/h(loop＝10，各i-al
x
ga
1-x
n层厚度为100nm，各i-gan层厚度为100nm，超晶格层总厚度2000nm)。
53.(3)第二外延层的生长：在超晶格层p1上外延生长未掺杂的i-gan层p2，生长温度在1000～1100℃范围，所需气体流量n2为0～80l/min，h2流量为0～220l/min，nh3为0.1～60l/min，镓源为三甲基镓，生长速率为0.5～5μm/h。
54.(4)第三外延层的生长：在i-gan层p2上外延生长未掺杂的i-aln层p3，生长温度在900～1100℃范围，所需气体流量n2为0～80l/min，h2流量为0～220l/min，nh3为0.1～70l/min，铝源为三甲基铝，生长速率为0.05～0.5μm/h。
55.(5)第四外延层的生长：在i-aln层p3上外延生长未掺杂的i-alyga
1-y
n层p4，生长温度在900～1120℃范围，所需气体流量n2为0～80l/min，h2流量为0～220l/min，nh3为0.1
～70l/min，铝源为三甲基铝，镓源为三甲基镓，生长速率为0.2～2μm/h。
56.(6)第五外延层的生长：在i-alyga
1-y
n层p4上外延生长不掺杂的gan或者为高掺mg的pgan层p5，生长温度在1000～1120℃范围，所需气体流量n2为0～80l/min，h2流量为0～220l/min，nh3为0.1～70l/min，镓源为三甲基镓，生长速率为0.2～2μm/h。
57.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。