[发明专利]一种在硅衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管的方法

说明书

一种在硅衬底上制备高电子迁移率场效应晶体管的方法，在Si衬底上生长AlN成核层、固定Al组分的Al_yGa_1‑yN应力释放层和GaN外延层，采用低压化学气相沉积法，铺设第一组碳纳米管，第一组碳纳米管排列方向平行于GaN外延层[1‑100]方向；生长Al_yGa_1‑yN合并层，铺设排列方向和第一组碳纳米管成45度夹角的第二组碳纳米管，接着再生长Al_yGa_1‑yN合并层，铺设排列方向和第一组碳纳米管成90度角的第三组碳纳米管，接着生长Al_yGa_1‑yN合并层，铺设排列方向和第一组碳纳米管成135度角的第四组碳纳米管，再生长Al_yGa_1‑yN合并层。本发明能获得无龟裂、高晶体质量的GaN外延层。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体地说是一种在硅衬底上，尤其是在八英寸硅衬底上采用碳纳米管制备高电子迁移率场效应晶体管的方法。

背景技术

高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)，又称调制掺杂场效应晶体管(MODFET，modulation-doped field effect transistor)，是一种以衬底材料与另一种宽带材料形成的异质界面的二维电子气导电的场效应晶体管(FET)。因其沟道中无杂质，基本上不存在电离杂质散射对电子运动的影响，因此电子迁移率更高而得名。HEMT的工作原理是通过控制删极电压的变化使源极、漏极之间的沟道电流产生相应的变化，从而达到放大信号的目的。其优点是具有高的频率和低的噪声特性。HEMT现已用于卫星电视、移动通信、军事通信和雷达系统的接收电路中。自1980年GaAs基HEMT研制成功以来，得到了很快的发展。GaAs基HEMT在射频、微波及毫米波低频段已得到广泛的应用。InP器件比GaAs HEMT有更高的工作频率和更低的噪声，用于毫米波高频段和亚毫米波频段。GaN HEMT器件的特点是耐高温、大功率，有着巨大的应用前景，特别是在10-40GHz占据优势地位。

AlGaN/GaN HEMT由于作为沟道层的GaN带隙宽度大(3.4eV)、击穿电压高(3.3MV/cm)、饱和电子速度大(2.8*10⁷s^-1)和二维电子气面密度高(10¹³cm²)等特性，导致GaN基HEMT的研究向更高工作频率、更大输出功率、更高工作温度和实用化方向发展。GaN基HEMT还可以用于高速开关集成电路和高压DC-DC变换器方面。AlGaN/GaN HEMT生长在半绝缘的(0001)Si面SiC或(0001)蓝宝石衬底上，在核化层后生长一层半绝缘的GaN(约2μm)沟道层，接着生长不掺杂的AlGaN隔离层，掺Si的AlGaN和不掺杂的AlGaN势垒层。二维电子气形成在沟道层/隔离层界面。Si衬底尺寸大、价廉可以降低外延生长成本。对比硬度大、导热差的绝热蓝宝石衬底，简化衬底减薄等加工工艺，降低器件制作工艺成本。

在Si上MOVPE(metalorganic vapor phase epitaxy，金属有机物气相外延)生长GaN的难点在于：GaN纤维锌矿结构的(0001)与金刚石结构的Si(111)衬底的晶格失配为20.4％，会产生大量的位错；GaN与Si之间的热失配高达56％，外延生长结束后的降温工程中，外延层将承受很大的张应力。由于外延层厚度远小于衬底厚度，所以在外延层中会产生微裂纹，严重影响GaN器件特性。Si衬底上直接生长GaN时，NH₃容易与衬底Si发生反应而在衬底表面形成非晶态的SiN，影响GaN的生长质量。金属Ga与衬底Si之间也有很强的化学反应，会对衬底造成回溶，从而破坏界面的平整。在高温生长时，衬底中的Si会扩散至缓冲层表面，如果控制不当，将会影响GaN的生长模式，从而破坏晶体质量。此外由于Si是非极性半导体，在其上生长GaN、AlN或其他极性半导体时将会产生一些化合物极性相关的问题。