半導體異質結構、其制備方法及應用
【專利摘要】本發明公開了一種半導體異質結構、其制備方法及應用。該半導體異質結構包括第一半導體材料和第二半導體材料，該第一半導體材料與該第二半導體材料相互接合且形成實質上的晶格匹配，其中該第一半導體材料為AlxInyGa1?x?yN，其中4.72≤x/y≤5.10，0≤x≤1，0<y<1，而該第二半導體材料為GaN。優選的，0.2<(1?x?y)≤0.6。該制備方法可以包括：在生長形成GaN層后，通過向外延生長設備的反應腔室內同時和/或脈沖通入鋁源、銦源、鎵源及氮源的方式生長形成AlxInyGa1?x?yN層。利用本發明的半導體異質結構，可以有效簡化半導體器件的生產工藝及提高優化半導體器件的可靠性，特別是可以從根本上消除HEMT等器件因應力而導致的可靠性問題，并使其勢壘層與GaN層之間保持更為理想的自發極化強度。
【專利說明】
半導體異質結構、其制備方法及應用
技術領域
[0001]本發明特別涉及一種半導體異質結構、其制備方法及應用，屬于半導體材料科學領域。
【背景技術】
[0002]近二十年來，隨著人們對II1-V族氮化物半導體材料體系的深入研究，各類氮化物半導體電子器件、光子器件迅速發展。其中，基于異質結的高電子迀移率晶體管(HighElectron Mobility Transistor，HEMT)在電力系統、無線通信等領域具有廣闊應用前景。
[0003]目前，高電子迀移率晶體管普遍基于AlGaN/GaN異質結。在該結構中，AlGaN勢皇層中Al組分保持在0.20左右(如圖1所示)，因此共格生長在GaN溝道層上，由此產生壓電極化效應，并最終通過AlGaN勢皇層的自發極化、壓電極化以及GaN溝道層的自發極化三者共同作用而在異質結界面處形成二維電子氣(2DEG)。理論計算表明，二維電子氣濃度可以達到 1.2 X 11Vcm2O
[0004]最近，AlInN三元合金體系日益受到人們的關注。AlInN的顯著優點在于通過調控AlInN中Al組分含量，可以實現與GaN的近晶格匹配生長(Al組分含量約為0.83，如圖1所示)，從而使得AlInN/GaN異質結中幾乎不存在應力，因此器件的可靠性有望獲得改善。并且，AlInN具有很強的自發極化強度，確保了其即使在近晶格匹配生長而幾乎沒有壓電極化效應的情況下，僅借助于自發極化效應，異質結界面仍能形成高濃度的二維電子氣。理論計算表明，二維電子氣濃度可以達到2.7X1013/cm2。
[0005]在高電子迀移率晶體管中，異質結扮演著至關重要的角色。由于AlGaN三元合金材料的外延生長相對容易，因此，AlGaN/GaN是在高電子迀移率晶體管中被廣泛采用的異質結。然而，由于AlGaN與GaN之間存在不可避免的晶格失配問題，由此導致產生的應力會給器件帶來一系列可靠性隱患，尤其器件在大功率輸出工作時，產生的熱量和外加電場很可能會引起材料與器件中的應力變化。為克服因應力而導致的器件可靠性問題，將近晶格匹配的AlInN/GaN異質結應用于高電子迀移率晶體管，正在成為另一個重要的發展趨勢。然而，從材料生長角度來看，AlInN的生長存在很大困難:極易出現的相分離會導致In組分波動，從而引起材料組分不均勻，極大影響AlInN的晶體質量以及器件性能(如擊穿電壓低)。
[0006]此外，使用金屬有機物化學氣相沉積(Metal-Organic Chemical VapourDeposit1n, M0CVD)技術進行外延生長時，AlN與InN的生長條件也截然不同，前者需要IlOO0C以上的高溫，后者的生長溫度則約為500?600°C，這使得具有高原子迀移率的In在富含Al的材料基體(Al-rich matrix)中很難均勾摻入。
【發明內容】
[0007]鑒于現有技術的不足，本發明的主要目的在于提供一種新型的半導體異質結構，其能有效提高半導體器件的可靠性。
[0008]本發明的另一目的在于提供所述半導體異質結構的制備方法。
[0009]本發明的再一目的在于提供所述半導體異質結構的應用，例如在高電子迀移率晶體管等半導體器件內的應用。
[0010]為實現前述發明目的，本發明采用的技術方案包括:
[0011]—種半導體異質結構，包括第一半導體材料和第二半導體材料，該第一半導體材料與該第二半導體材料相互接合且形成實質上的晶格匹配，其中該第一半導體材料為AlxInyGa1 xyN，其中 4.72 ( x/y ( 5.10，0〈x〈l，0〈y〈l，而該第二半導體材料為 GaN。
[0012]作為較佳實施方案之一，0.2< (1-x-y) ^ 0.6。
[0013]尤為優選的，x/y= 4.88。
[0014]前述“實質上”是指某一作用、特征、性質、狀態、結構、物品或結果的完全或接近完全的范圍或程度，其與絕對完全性的確切可容許的偏差度可在一些情況下視特定情形而定。
[0015]前述任一種半導體異質結構的制備方法，包括:
[0016]在外延生長設備的反應腔室內通入鎵源及氮源，生長形成GaN層；
[0017]以及，在GaN層上繼續生長AlInN三元合金，并在該AlInN三元合金內摻入Ga，從而在所述GaN層上形成AlxInyGa1 x yN層。
[0018]進一步的，該方法包括:
[0019]通過向外延生長設備的反應腔室內同時和/或脈沖通入鋁源、銦源、鎵源及氮源、或兩者相結合的方式生長形成AlxInyGa1 x yN層。
[0020]一種半導體器件，其特征在于該半導體器件的有源區包含異質結構，該異質結構包括第一半導體材料和第二半導體材料，該第一半導體材料與該第二半導體材料相互接合且形成實質上的晶格匹配，其中該第一半導體材料為AlxInyGalxyN,其中4.72彡x/y ^ 5.10，0〈x〈l，0〈y〈l，而該第二半導體材料為GaN。
[0021]作為較佳實施方案之一，0.2< (1-x-y) ^ 0.6。
[0022]尤為優選的，x/y= 4.88。
[0023]—種高電子迀移率晶體管，其有源區包含AlxInyGa1 x yN/GaN異質結，其中
4.72 ( x/y ( 5.10，0〈x〈l，0〈y〈l，且 0.2〈(l_x-y) ( 0.6。
[0024]尤為優選的，x/y= 4.88。
[0025]進一步的，AlxInyGa1 xyN/GaN異質結內的二維電子氣濃度為9 X 112-1.2 X 113/
2
cm ο
[0026]與現有技術相比，本發明的優點包括:
[0027](I)相比于AlInN/GaN等異質結技術，本發明則通過在AlInN三元合金中故意摻入Ga，可以緩和Α1Ν、ΙηΝ的不互溶性并適當提高生長溫度，克服了 AlInN在材料生長方面的困難，從而實現AlInGaN四元合金的高質量外延生長，獲得高質量晶體；
[0028](2)相比于AlGaN/GaN等異質結技術，本發明采用近晶格匹配、幾乎無應力的AlInGaN/GaN異質結，可以從根本上消除因應力而導致的半導體器件可靠性問題；
[0029](3)本發明在四元合金AlInGaN生長過程中，通過保持Al、In組分比x/y在一定范圍內(4.72 ^ x/y ^ 5.10)的同時，調控Ga組分在合適范圍內(0.2〈l_x-y彡0.6)，從而使得AlInGaN與GaN之間仍能保持較大的自發極化強度，可以替代AlGaN/GaN、AlInN/GaN 異質結等作為高電子迀移率晶體管等器件的核心部分，并大幅提升器件的綜合工作性能。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發明一典型實施方案之中同時通入源進行AlxInyGa1 x 0生長的工藝原理圖；
[0031]圖2a是本發明一典型實施方案之中脈沖形式I進行AlxInyGa1 x yN生長的工藝原理圖；
[0032]圖2b是本發明一典型實施方案之中脈沖形式I進行AlxInyGa1 x yN生長的時序圖；
[0033]圖3a是本發明一典型實施方案之中脈沖形式2進行AlxInyGa1 x yN生長的工藝原理圖；
[0034]圖3b是本發明一典型實施方案之中脈沖形式2進行AlxInyGa1 x yN生長的時序圖；
[0035]圖4a是本發明一典型實施方案之中一種基于AlxInyGa1 x yN勢皇層的高電子迀移率晶體管的結構不意圖；
[0036]圖4b是本發明一典型實施方案之中一種基于AlxInyGa1 x yN勢皇層的高電子迀移率晶體管的二維電子氣濃度測試圖；
[0037]圖5是在室溫和600°C下，基于傳統異質結Ala26Gaas4N/GaN的高電子迀移率晶體管的輸出特性曲線；
[0038]圖6是在室溫和600°C下，基于異質結Ala33InawGaaJVGaN的高電子迀移率晶體管的輸出特性曲線；
[0039]圖7是在室溫和600 °C下，基于異質結Al。._Inai399Gaa 2QN/GaN的高電子迀移率晶體管的輸出特性曲線；
[0040]圖8是在室溫和600 °C下，基于異質結Ala3344InaM56GaaMN/GaN的高電子迀移率晶體管的輸出特性曲線；
[0041]圖9是在室溫和600°C下，基于異質結Ala66S9InQ.1311Gaa2QN/GaN的高電子迀移率晶體管的輸出特性曲線。
【具體實施方式】
[0042]如前所述，鑒于現有技術的不足，例如AlGaN/GaN、AlInN/GaN異質結等于應用時的諸多缺陷，本案發明人基于大量研究和實踐，提出了將四元合金AlxInyGa1 x yN應用于半導體器件，例如高電子迀移率晶體管的技術方案。
[0043]本發明的一個方面是通過在Al InN三元合金中故意摻入Ga，用以緩和A1N、InN的不互溶性并適當提高生長溫度，從而實現AlInGaN四元合金的高質量外延生長。
[0044]其原理在于:在進行AlInGaN生長時，故意摻入Ga，其在四元合金體系中可以有效起到“橋梁”的作用，緩和了 AlN與InN的不互溶性，相比于AlInN材料，有效降低了材料的生長難度。而且，Ga的摻入可以有效拓寬生長窗口，尤其是可以適當提高生長溫度(一般來說，溫度越高，晶體質量越好)，四元合金AlInGaN中Ga組分越高，生長溫度可相應提高，越容易獲得好的晶體質量。
[0045]因此，若采用AlInGaN作為高電子迀移率晶體管的勢皇層，相比于AlInN勢皇層，其更好的晶體質量可以改善界面平整度和組分均勻性等，減少對二維電子氣的散射，降低缺陷密度，進而提高電子迀移率和擊穿電壓等器件性能。
[0046]在此基礎上，本發明進一步通過保持Al、In組分比例x/y在晶格匹配點(x/y =4.88)附近的一定范圍內(優選為4.72<x/y<5.10)，最終獲得近晶格匹配、幾乎無應力的AlInGaN/GaN的異質結，以提高器件可靠性。其中，若x/y過小，則AlInGaN/GaN異質結中的AlInGaN是處于較大的壓應力狀態，一方面不利于器件可靠性，一方面壓應力狀態會減小二維電子氣濃度，而若x/y過大，則AlInGaN會處于張應力狀態，使弛豫的臨界厚度降低，加重組分不均勻現象。
[0047]更進一步的，通過調控Ga組分在合適的范圍內(0.2〈 (Ι-χ-y)彡0.6)，使得AlInGaN與GaN之間仍能保持較大的自發極化強度差異，從而保持較高的二維電子氣濃度(相應的2DEG濃度范圍為9 X 112 - 1.2 X 1013/cm2)。其中，在近晶格匹配條件下，當(l-x-y)大于0.6時，則帶階差則小于0.3eV，從而影響二維電子氣的空間限域特性，影響器件性能；若(1-x-y)過小，則會影響AlInGaN生長質量，特別是在沒有Ga摻入情形下，AlInN極其難生長。
[0048]本發明的另一個方面提供一種制備AlxInyGa1 x yN/GaN異質結的方法，其可以通過同時通入源、以不同脈沖形式通入源的方法而實現。
[0049]本發明的又一個方面還提供了一種基于前述AlxInyGa1 xyN/GaN異質結的半導體器件，特別是一種高電子迀移率晶體管，其有源層包含所述AlxInyGa1 x yN/GaN異質結，其中，AlxInyGa1 x yN系作為勢皇層。
[0050]其中，在4.72彡x/y彡5.10，0.2〈l_x-y彡0.6時，可在保證器件性能的同時，獲得幾乎無應力的AlInGaN/GaN異質結，從而極大提高器件的可靠性。
[0051]顯然的，本發明的高電子迀移率晶體管的有源區結構不僅僅局限于AlInGaN/GaN異質結，也可以適用于具有其他有源區結構的高電子迀移率晶體管，如有源區結構中具有AlN插入層的高電子迀移率晶體管、基于雙溝道異質結的高電子迀移率晶體管、具有背勢皇層的高電子迀移率晶體管等。
[0052]以下以組分范圍4.72彡x/y彡5.10,0.2〈l_x-y彡0.6的四個邊界點為實施例，結合高電子迀移率晶體管中異質結AlxInyGa1 x yN/GaN的外延生長對本發明的技術方案作進一步的說明。
[0053]實施例1本實施例器件所含AlxInyGa1 x yN/GaN異質結可以通過如下方式制備，其中AlxInyGa1 x yN的具體組成為:招組分x = 33%，銦組分y = 7%，鎵組分l_x_y = 60%。
[0054]1、非脈沖生長模式
[0055](I)GaN溝道層生長(假設已經完成成核層、應力控制層、緩沖層的外延生長)。載氣為氫氣，生長溫度較高，900 - 12000C ;反應腔室壓力相對較高，100 - 350mbar。GaN溝道層厚度為20nm以上，生長速率0.1 - 3 μ m/hr。
[0056](2)調整反應腔室條件至AlInGaN勢皇層生長條件。在氨氣(氮源)不關掉的環境下，載氣由氫氣切換為氮氣(或者含少量氫氣)，總流量保持在72000sccm。溫度降至850 °C。生長AlInGaN四元合金勢皇層，同時通入鋁源、銦源、鎵源，如圖1所示。鋁源、銦源、鎵源的流量分別為:50 μ mol/min、20 μ mol/min、150 μ mol/min。氨氣的流量為:100_500mmol/min。生長時間為:100-500s。AlxInyGa1 x yN 勢皇層厚度為 5 - lOOnm。
[0057]I1、脈沖生長模式I
[0058](I)GaN溝道層生長(假設已經完成成核層、應力控制層、緩沖層的外延生長)。載氣為氫氣，生長溫度較高，900 - 12000C ;反應腔室壓力相對較高，100 - 350mbar。GaN溝道層厚度為20nm以上，生長速率0.1 - 3 μ m/hr。
[0059](2)調整反應腔室條件至AlInGaN勢皇層生長條件。在氨氣(氮源)不關掉的環境下，載氣由氫氣切換為氮氣(或者含少量氫氣)，總流量保持在72000sccm。溫度降至800 °C。生長AlInGaN四元合金勢皇層，鋁源、銦源、鎵源三種金屬源單次單獨通入腔室(三種金屬源通入順序可隨意組合)，其間采用氮氣(或者含少量氫氣)進行吹掃，實現單層原子沉積，如圖2(a)所示。招源、銦源、鎵源的流量分別為:80 μ mol/min, 35 μ mol/min, 200 μ mol/min。氨氣的流量為:40-500mmol/min。脈沖序列為鋁源、銦源、鎵源，持續時間分別為8s、20s、10s，其間有停頓，通金屬源的間隔通氨氣，時間均為30s，重復100 - 500次。脈沖順序如圖2(b)顯示。AlxInyGa1 x yN勢皇層厚度為5 - lOOnm。
[0060]II1、脈沖生長模式2
[0061](I)GaN溝道層生長(假設已經完成成核層、應力控制層、緩沖層的外延生長)。載氣為氫氣，生長溫度較高，900 - 12000C ;反應腔室壓力相對較高，100 - 350mbar。GaN溝道層厚度為20nm以上，生長速率0.1 - 3 μ m/hr。
[0062](2)調整反應腔室條件至AlInGaN勢皇層生長條件。在氨氣(氮源)不關掉的環境下，載氣由氫氣切換為氮氣(或者含少量氫氣)，總流量保持在72000sccm。溫度降至800°C。生長AlInGaN四元合金勢皇層，銦源、鎵源兩種金屬源同時通入腔室，流量分別為35 μ mol/min, 180 μ mol/min,持續時間為15s。然后通入招源，流量為75 μ mol/min,持續時間25s，其間采用氮氣(或者含少量氫氣)進行吹掃，實現單層原子沉積，如圖3a所示。氨氣的流量為:40-500mmol/min，持續時間為30s，重復100 - 500次。脈沖順序如圖3b顯示。AlxInyGa1 x yN 勢皇層厚度為 5 -1OOnm0
[0063]實施例2本實施例器件所含AlxInyGa1 x yN/GaN異質結可以通過如下方式制備，其中AlxInyGa1 x yN的具體組成為:招組分x = 66.01%，銦組分y = 13.99%，鎵組分1-x-y=20%
[0064]1、非脈沖生長模式
[0065](I)GaN溝道層生長(假設已經完成成核層、應力控制層、緩沖層的外延生長)。載氣為氫氣，生長溫度較高，900 - 12000C ;反應腔室壓力相對較高，100 - 350mbar。GaN溝道層厚度為20nm以上，生長速率0.1 - 3 μ m/hr。
[0066](2)調整反應腔室條件至AlInGaN勢皇層生長條件。在氨氣(氮源)不關掉的環境下，載氣由氫氣切換為氮氣(或者含少量氫氣)，總流量保持在72000sccm。溫度降至750°C。生長AlInGaN四元合金勢皇層。招源、銦源、鎵源的流量分別為:80 μ mol/min、50 μ mol/min、50 μ mol/min0 氨氣的流量為:40 - 250mmol/min。生長時間為:100_500s。AlxInyGa1 x yN勢皇層厚度為5 -1OOnm0
[0067]I1、脈沖生長模式I
[0068](I)GaN溝道層生長(假設已經完成成核層、應力控制層、緩沖層的外延生長)。載氣為氫氣，生長溫度較高，900 - 12000C ;反應腔室壓力相對較高，100 - 350mbar。GaN溝道層厚度為20nm以上，生長速率0.1 - 3 μ m/hr。
[0069](2)調整反應腔室條件至AlInGaN勢皇層生長條件。在氨氣(氮源)不關掉的環境下，載氣由氫氣切換為氮氣(或者含少量氫氣)，總流量保持在72000sccm。溫度降至700°C。生長AlInGaN四元合金勢皇層，鋁源、銦源、鎵源三種金屬源單次單獨通入腔室(三種金屬源通入順序可隨意組合)，其間采用氮氣(或者含少量氫氣)進行吹掃，實現單層原子沉積。招源、銦源、鎵源的流量分別為:90 ymol/min，100 ymol/min，80 ymol/min。氨氣的流量為:40-250mmol/min。脈沖序列為鋁源、銦源、鎵源，持續時間分別為8s、30s、10s，其間有停頓，通金屬源的間隔通氨氣，時間均為50s，重復100 - 500次。AlxInyGa1 x yN勢皇層厚度為5 - lOOnm。
[0070]II1、脈沖生長模式2
[0071](I)GaN溝道層生長(假設已經完成成核層、應力控制層、緩沖層的外延生長)。載氣為氫氣，生長溫度較高，900 - 12000C ;反應腔室壓力相對較高，100 - 350mbar。GaN溝道層厚度為20nm以上，生長速率0.1 - 3 μ m/hr。
[0072](2)調整反應腔室條件至AlInGaN勢皇層生長條件。在氨氣(氮源)不關掉的環境下，載氣由氫氣切換為氮氣(或者含少量氫氣)，總流量保持在72000sccm。溫度降至700 °C。生長AlInGaN四元合金勢皇層，銦源、鎵源兩種金屬源同時通入腔室，流量分別為90 μ mol/min, 95 μ mol/min,持續時間為20s。然后通入招源，流量為85 μ mol/min,持續時間8s，其間采用氮氣(或者含少量氫氣)進行吹掃，實現單層原子沉積。氨氣的流量為:40-250mmol/min,持續時間為 50s，重復 100 - 500 次。AlxInyGa1 x yN勢皇層厚度為 5 - lOOnm。
[0073]實施例3本實施例器件所含AlxInyGa1 x yN/GaN異質結可以通過如下方式制備，其中AlxInyGa1 x yN的具體組成為:招組分x = 33.44%，銦組分y = 6.56%，鎵組分l_x_y =60%。
[0074]1、非脈沖生長模式
[0075](I)GaN溝道層生長(假設已經完成成核層、應力控制層、緩沖層的外延生長)。載氣為氫氣，生長溫度較高，900 - 12000C ;反應腔室壓力相對較高，100 - 350mbar。GaN溝道層厚度為20nm以上，生長速率0.1 - 3 μ m/hr。
[0076](2)調整反應腔室條件至AlInGaN勢皇層生長條件。在氨氣(氮源)不關掉的環境下，載氣由氫氣切換為氮氣(或者含少量氫氣)，總流量保持在72000sccm。溫度降至850°C。生長AlInGaN四元合金勢皇層，同時通入鋁源、銦源、鎵源。鋁源、銦源、鎵源的流量分別為:60 μ mol/min、18 μ mol/min、150 μ mol/min。氨氣的流量為:100-500mmol/min。生長時間為:100-500s。AlxInyGa1 x yN勢皇層厚度為5 - lOOnm。
[0077]I1、脈沖生長模式I
[0078](I)GaN溝道層生長(假設已經完成成核層、應力控制層、緩沖層的外延生長)。載氣為氫氣，生長溫度較高，900 - 12000C ;反應腔室壓力相對較高，100 - 350mbar。GaN溝道層厚度為20nm以上，生長速率0.1 - 3 μ m/hr。
[0079](2)調整反應腔室條件至AlInGaN勢皇層生長條件。在氨氣(氮源)不關掉的環境下，載氣由氫氣切換為氮氣(或者含少量氫氣)，總流量保持在72000sccm。溫度降至800°C。生長AlInGaN四元合金勢皇層，鋁源、銦源、鎵源三種金屬源單次單獨通入腔室(三種金屬源通入順序可隨意組合)，其間采用氮氣(或者含少量氫氣)進行吹掃，實現單層原子沉積。招源、銦源、鎵源的流量分別為:85 ymol/min，30 ymol/min，200 ymol/min。氨氣的流量為:40-500mmol/min。脈沖序列為鋁源、銦源、鎵源，持續時間分別為8s、20s、10s，其間有停頓，通金屬源的間隔通氨氣，時間均為30s，重復100 - 500次。AlxInyGa1 x yN勢皇層厚度為5 - lOOnm。
[0080]II1、脈沖生長模式2
[0081](I)GaN溝道層生長(假設已經完成成核層、應力控制層、緩沖層的外延生長)。載氣為氫氣，生長溫度較高，900 - 12000C ;反應腔室壓力相對較高，100 - 350mbar。GaN溝道層厚度為20nm以上，生長速率0.1 - 3 μ m/hr。
[0082](2)調整反應腔室條件至AlInGaN勢皇層生長條件。在氨氣(氮源)不關掉的環境下，載氣由氫氣切換為氮氣(或者含少量氫氣)，總流量保持在72000sccm。溫度降至800°C。生長AlInGaN四元合金勢皇層，銦源、鎵源兩種金屬源同時通入腔室，流量分別為30 μ mol/min, 180 μ mol/min,持續時間為15s。然后通入招源，流量為80 μ mol/min,持續時間25s，其間采用氮氣(或者含少量氫氣)進行吹掃，實現單層原子沉積。氨氣的流量為:40-500mmol/min,持續時間為30s，重復100 - 500次。脈沖順序如圖2b顯示。AlxInyGa1 x yN勢皇層厚度為5 -1OOnm0
[0083]實施例4本實施例器件所含AlxInyGa1 x yN/GaN異質結可以通過如下方式制備，其中AlxInyGa1 x yN的具體組成為:招組分x = 66.89%，銦組分y = 13.11%，鎵組分l_x_y=20%。
[0084]1、非脈沖生長模式
[0085](I)GaN溝道層生長(假設已經完成成核層、應力控制層、緩沖層的外延生長)。載氣為氫氣，生長溫度較高，900 - 12000C ;反應腔室壓力相對較高，100 - 350mbar。GaN溝道層厚度為20nm以上，生長速率0.1 - 3 μ m/hr。
[0086](2)調整反應腔室條件至AlInGaN勢皇層生長條件。在氨氣(氮源)不關掉的環境下，載氣由氫氣切換為氮氣(或者含少量氫氣)，總流量保持在72000sccm。溫度降至750°C。生長AlInGaN四元合金勢皇層。招源、銦源、鎵源的流量分別為:90 μ mol/min、40 μ mol/min、50 μ mol/min。氨氣的流量為:40-250mmol/min。生長時間為:100_500s。AlxInyGalxyN勢皇層厚度為5 -1OOnm0
[0087]I1、脈沖生長模式I
[0088](I)GaN溝道層生長(假設已經完成成核層、應力控制層、緩沖層的外延生長)。載氣為氫氣，生長溫度較高，900 - 12000C ;反應腔室壓力相對較高，100 - 350mbar。GaN溝道層厚度為20nm以上，生長速率0.1 - 3 μ m/hr。
[0089](2)調整反應腔室條件至AlInGaN勢皇層生長條件。在氨氣(氮源)不關掉的環境下，載氣由氫氣切換為氮氣(或者含少量氫氣)，總流量保持在72000sccm。溫度降至700°C。生長AlInGaN四元合金勢皇層，鋁源、銦源、鎵源三種金屬源單次單獨通入腔室(三種金屬源通入順序可隨意組合)，其間采用氮氣(或者含少量氫氣)進行吹掃，實現單層原子沉積。招源、銦源、鎵源的流量分別為:95 ymol/min，98 ymol/min，80 ymol/min。氨氣的流量為:40-250mmol/min。脈沖序列為鋁源、銦源、鎵源，持續時間分別為8s、30s、10s，其間有停頓，通金屬源的間隔通氨氣，時間均為50s，重復100 - 500次。AlxInyGa1 x yN勢皇層厚度為5 - lOOnm。
[0090]II1、脈沖生長模式2
[0091](I)GaN溝道層生長(假設已經完成成核層、應力控制層、緩沖層的外延生長)。載氣為氫氣，生長溫度較高，900 - 12000C ;反應腔室壓力相對較高，100 - 350mbar。GaN溝道層厚度為20nm以上，生長速率0.1 - 3 μ m/hr。
[0092](2)調整反應腔室條件至AlInGaN勢皇層生長條件。在氨氣(氮源)不關掉的環境下，載氣由氫氣切換為氮氣(或者含少量氫氣)，總流量保持在72000sccm。溫度降至700°C。生長AlInGaN四元合金勢皇層，銦源、鎵源兩種金屬源同時通入腔室，流量分別為90 μ mol/min, 95 μ mol/min，持續時間為20s。然后通入招源，流量為96 μ mol/min，持續時間8s，其間米用氮氣(或者含少量氫氣)進行吹掃，實現單層原子沉積。氨氣的流量為:40-250mmol/min,持續時間為50s，重復100 - 500次。AlxInyGa1 x yN勢皇層厚度為5 - lOOnm。
[0093]作為更為具體的實施案例之一，基于前述AlxInyGa1 x yN勢皇層的高電子迀移率晶體管的外延結構如圖4a所示，經測試，該器件的二維電子氣濃度與理論值接近，如圖4b所示，其中，勢皇層AlxInyGa1 x yN的組分位于4.72 ( x/y ( 5.10，0.2<l-x-y彡0.6的四個邊界點。
[0094]進一步，器件可靠性測試結果表明:基于傳統異質結Ala26Gaas4N/GaN的高電子迀移率晶體管在600 °C高溫條件下工作時，和室溫輸出特性相比，最大輸出電流降低約86 %，如圖5所示。而基于近晶格匹配AlInGaN/GaN勢皇層的高電子迀移率晶體管在600°C高溫條件下工作時，和室溫輸出特性相比，最大輸出電流降低僅約14%，可靠性有顯著提高。以采用實施例1、2、3、4所獲異質結結構形成的器件為例，其輸出特性測試結果分別如圖6、圖
7、圖8、圖9所示。
[0095]應當指出，以上所述本發明的【具體實施方式】，并不構成對本發明保護范圍的限定。任何根據本發明的技術構思所作出的各種其他相應的改變與變形，均應包含在本發明權利要求的保護范圍內。
【主權項】
1.一種半導體異質結構，其特征在于包括第一半導體材料和第二半導體材料，該第一半導體材料與該第二半導體材料相互接合且形成實質上的晶格匹配，其中該第一半導體材料為 AlxInyGa1 x yN，其中 4.72 ( x/y ( 5.10，0〈x〈l，0〈y〈l，而該第二半導體材料為 GaN。2.根據權利要求1所述的半導體異質結構，其特征在于，0.2< (1-x-y) ^ 0.6。3.根據權利要求1或2所述的半導體異質結構，其特征在于，x/y= 4.88。4.權利要求1-3中任一項所述半導體異質結構的制備方法，其特征在于包括: 在外延生長設備的反應腔室內通入鎵源及氮源，生長形成GaN層； 以及，在GaN層上繼續生長AlInN三元合金，并在該AlInN三元合金內摻入Ga，從而在所述GaN層上形成AlxInyGa1 x yN層。5.根據權利要求4所述半導體異質結構的制備方法，其特征在于包括: 通過向外延生長設備的反應腔室內同時和/或脈沖通入鋁源、銦源、鎵源及氮源的方式生長形成AlxInyGa1 x yN層。6.一種半導體器件，其特征在于該半導體器件的有源區包含異質結構，該異質結構包括第一半導體材料和第二半導體材料，該第一半導體材料與該第二半導體材料相互接合且形成實質上的晶格匹配，其中該第一半導體材料為AlxInyGa1 x yN，其中4.72 ( x/y ( 5.10，0〈x〈l，0〈y〈l，而該第二半導體材料為GaN。7.根據權利要求6所述的半導體器件，其特征在于，0.2< (1-x-y) ( 0.6。8.根據權利要求6或7所述的半導體器件，其特征在于，x/y= 4.88。9.一種高電子迀移率晶體管，其特征在于所述晶體管的有源區包含Al JnyGa1 x yN/GaN異質結，其中 4.72 ( x/y ( 5.10，0〈x〈l，0〈y〈l，且 0.2〈(l_x-y) ( 0.6。10.根據權利要求9所述的高電子迀移率晶體管，其特征在于，x/y= 4.88。11.根據權利要求9所述的高電子迀移率晶體管，其特征在于，AlJnyGa1 x yN/GaN異質結內的二維電子氣濃度為9 X 112- 1.2 X 11Vcm2O
【文檔編號】H01L21/205GK105990106SQ201510076931
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月13日
【發明人】周宇, 李水明, 戴淑君, 高宏偉, 孫錢
【申請人】中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所