一种硅基异质集成的InAlAs基HEMT结构
阅读说明：本技术 一种硅基异质集成的InAlAs基HEMT结构 (InAlAs-based HEMT structure with silicon-based heterogeneous integration ) 是由 马奔 高汉超 王伟 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种硅基异质集成的InAlAs基HEMT结构,属于半导体制造领域。该结构包括Si衬底和在Si衬底上从下至上依次生长的缓冲层、In-(X)Ga-(1-X)As沟道层、In-(X)Al-(1-X)As空间隔离层、平面掺杂层、In-(X)Al-(1-X)As势垒层、In-(X)Ga-(1-X)As盖帽层；缓冲层包括从下至上依次形成采用低温生长的第一GaAs缓冲层、采用中温生长的In-(X)Ga-(1-X)As/GaAs超晶格缓冲层、采用高温生长的第二GaAs缓冲层、采用低温生长的In-(X)Al-(1-X)As组分渐变缓冲层。本发明可以大幅降低高速HEMT器件的成本,还可以利用硅基材料高集成度的特性实现化合物半导体器件与集成电路的结合。(The invention discloses a silicon-based heterogeneous integrated InAlAs-based HEMT structure, and belongs to the field of semiconductor manufacturing. The structure comprises a Si substrate, and a buffer layer and In which are sequentially grown on the Si substrate from bottom to top X Ga 1‑X As channel layer and In X Al 1‑X As space isolation layer, planar doping layer, In X Al 1‑X As barrier layer and In X Ga 1‑X An As cap layer; the buffer layer comprises a first GaAs buffer layer formed by low-temperature growth and In formed by medium-temperature growth from bottom to top In sequence X Ga 1‑X As/GaAs superlattice buffer layer, second GaAs buffer layer grown at high temperature, and In grown at low temperature X Al 1‑X And the As component is gradually changed to form the buffer layer. The invention can greatly reduce the cost of high-speed HEMT devices, and can utilize silicon-based materials with high integration levelThe characteristics of (a) enable the combination of a compound semiconductor device with an integrated circuit.)
技术领域
本发明涉及一种硅基异质集成的InAlAs基HEMT结构，属于半导体制造领域。
背景技术
在毫米波段，InP HEMT(High electron mobility transistor，高电子迁移率晶体管)器件由于击穿电压高，而且异质结InAlAs/InGaAs(铟铝砷/铟镓砷)界面处存在着较大的导带不连续性、二维电子气浓度大、沟道中电子迁移率高等性能更适用于高频应用。目前InP(磷化铟)基HEMT已经被广泛应用于卫星通信、毫米波雷达、微波电路、有源和无源毫米波成像等领域。但是InP衬底的小尺寸、高成本、易碎性等特点限制了其大规模、低成本生产。
在硅衬底上实现类似InP基的HEMT材料除了能够降低化合物半导体的制造成本，还能利用硅基材料高集成度的特性实现化合物半导体器件与集成电路的结合，因此具有重要的经济与应用价值。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种硅基异质集成的InAlAs基HEMT结构。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
本发明提出一种硅基异质集成InAlAs基HEMT结构，包括：Si衬底和在Si衬底上从下至上依次生长的缓冲层、InXGa1-XAs沟道层、InXAl1-XAs空间隔离层、平面掺杂层、InXAl1- XAs势垒层、InXGa1-XAs盖帽层；缓冲层包括从下至上依次形成采用低温生长的第一GaAs缓冲层、采用中温生长的InXGa1-XAs/GaAs超晶格缓冲层、采用高温生长的第二GaAs缓冲层、采用低温生长的InXAl1-XAs组分渐变缓冲层。
本发明可以利用MOCVD(金属有机物化学气相沉积)、MBE(分子束外延)、UHVCVD(超高真空化学气相沉积)等外延生长技术，完成以下结构。
1)选择p型的高阻Si材料单晶作为衬底。
2)在衬底上，在低温条件下生长第一GaAs缓冲层，厚度为300～600nm。
3)在第一GaAs缓冲层上，在中温条件生长InXGa1-XAs/GaAs超晶格缓冲层，采用周期性外延的InXGa1-XAs/GaAs超晶格结构和GaAs，周期数为3～5，InXGa1-XAs/GaAs超晶格结构周期数为5～10，InXGa1-XAs/GaAs超晶格结构中InXGa1-XAs厚度为10～15nm，In组分x＝0.15～0.2，GaAs厚度为10～15nm，超晶格结构上GaAs的厚度为200～300nm。
4)在超晶格缓冲层上，在高温条件下生长第二GaAs缓冲层，厚度为400～800nm。
5)在第二GaAs缓冲层上，在低温条件下生长InXAl1-XAs组分渐变缓冲层，采用的是In组分梯度变化的外延方法，In组分x由0梯度变为0.52～0.7，每层InXAl1-XAs的厚度为100～250nm，每层InXAl1-XAs的In组分x梯度间隔Δx＝0.1～0.15。
6)在InXAl1-XAs组分渐变缓冲层上，在中温条件下生长InXGa1-XAs沟道层，厚度为10～30nm，In组分x＝0.53～0.8。
7)在沟道层上，生长InXAl1-XAs空间隔离层，厚度为3～10nm，In组分x＝0.52～0.7。
8)在空间隔离层上，生长平面掺杂层，掺杂Si的剂量为2.0×1012cm-2～6.0×1012cm-2。
9)在平面掺杂层上，生长InXAl1-XAs势垒层，厚度为8～40nm，In组分x＝0.52～0.7。
10)在势垒层上，生长InXGa1-XAs盖帽层，厚度为3～20nm，In组分x＝0.53～0.7。
本发明的有益效果如下：
1、由Si衬底取代InP衬底，除了能够降低化合物半导体的制造成本，还能利用硅基材料高集成度的特性实现化合物半导体器件与集成电路的结合。
2、采用外延InXGa1-XAs/GaAs超晶格缓冲层可有效的过滤穿透位错，无需通过制作图形衬底等复杂的工艺步骤来降低穿透位错。
3、采用InXAl1-XAs组分渐变材料作为HEMT外延的缓冲层，可以通过改变其In组分来调节HEMT的外延结构及能带结构，获得高电子迁移率的硅基HEMT材料。
附图说明
图1是本发明提出的硅基异质集成的InAlAs基HEMT结构的示意图。
其中：101、p型Si衬底；102、第一GaAs缓冲层；103、InXGa1-XAs/GaAs超晶格缓冲层；104、第二GaAs缓冲层；105、InXAl1-XAs组分渐变缓冲层；106、InXGa1-XAs沟道层；107、InXAl1- XAs空间隔离层；108、平面掺杂层；109、InXAl1-XAs势垒层；110、InXGa1-XAs盖帽层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出一种硅基异质集成的InAlAs基HEMT结构，如图1所示，包括：p型Si衬底101和在p型硅衬底101上从下至上依次生长的缓冲层、InXGa1-XAs沟道层106、InXAl1-XAs空间隔离层107、平面掺杂层108、InXAl1-XAs势垒层109、InXGa1-XAs盖帽层110；缓冲层包括从下至上依次形成采用低温生长的第一GaAs缓冲层102、采用中温生长的InXGa1-XAs/GaAs超晶格缓冲层103、采用高温生长的第二GaAs缓冲层104、采用低温生长的InXAl1-XAs组分渐变缓冲层105。
p型Si衬底101为p型的高阻Si材料单晶。
第一GaAs缓冲层102采用GaAs材料，生长温度为400℃，不掺杂，其厚度为300～600nm。
InXGa1-XAs/GaAs超晶格缓冲层103采用周期性外延的InXGa1-XAs/GaAs超晶格结构和GaAs，生长温度为500℃，周期数为3～5，InXGa1-XAs/GaAs超晶格结构周期数为5～10，InXGa1-XAs/GaAs超晶格结构中InXGa1-XAs厚度为10～15nm，In组分x＝0.15～0.2，GaAs厚度为10～15nm，超晶格结构上GaAs的厚度为200～300nm，该超晶格缓冲层主要用来过滤由第一GaAs缓冲层102向上层延伸的穿透位错。
第二GaAs缓冲层104采用GaAs材料，生长温度为600℃，不掺杂，其厚度为400～800nm。
InXAl1-XAs组分渐变缓冲层105采用的是In组分梯度变化的外延方法，生长温度为400℃，In组分x由0梯度变为0.52～0.7，每层InXAl1-XAs的厚度为100～250nm，每层InXAl1- XAs的In组分x梯度间隔Δx＝0.1～0.15，该层InXAl1-XAs缓冲层通过缓慢释放应力的方式，使得表面平整，作为HEMT的外延平台。
InXGa1-XAs沟道层106，生长温度为500℃，为二维电子气提供导电通道，厚度为10～30nm，In组分x＝0.53～0.8。
InXAl1-XAs空间隔离层107，生长温度为500℃，用于将施主杂质电离中心(平面掺杂层108)和二维电子气层(InXGa1-XAs沟道层106)空间隔离，减小电离散射，厚度为3～10nm，In组分x＝0.52～0.7。
平面掺杂层108，生长温度为500℃，掺杂Si的剂量为2.0×1012cm-2～6.0×1012cm-2，用于提供自由电子。
InXAl1-XAs势垒层109，生长温度为500℃，用于和栅金属形成肖特基接触，使平面掺杂层108产生的自由电子向沟道层106迁移，厚度为8～40nm，In组分x＝0.52～0.7。
InXGa1-XAs盖帽层110，生长温度为500℃，重掺杂为器件制备提高欧姆接触，并且防止势垒层109直接暴露空气而发生氧化反应，厚度为3～20nm，In组分x＝0.53～0.7。
实施例1：
采用分子束外延(MBE)的生长方法，完成下列结构。
1)选择p型的高阻Si材料单晶作为p型Si衬底101，在As氛围保护下衬底升温至1100℃，停顿10min脱去Si衬底表面的氧化膜，衬底降温至400℃等待生长；
2)生长400nm厚不掺杂的第一GaAs缓冲层102，后衬底升温至500℃；
3)继续生长，生长In0.15GaAs/GaAs超晶格缓冲层，先生长5个周期的In0.15GaAs/GaAs超晶格结构，In0.15GaAs和GaAs的厚度均为10nm，后在超晶格结构上生长200nm厚的GaAs，重复该生长过程(超晶格及200nm厚GaAs)3次，后衬底升温至600℃；
4)继续生长，生长500nm厚不掺杂的第二GaAs缓冲层104，后衬底降温至400℃；
5)继续生长，生长InAlAs组分渐变缓冲层105，依次生长AlAs、In0.15AlAs、In0.25AlAs、In0.35AlAs、In0.45AlAs、In0.52AlAs，生长厚度均为200nm，后衬底升温至500℃；
6)继续生长，生长14nm厚的In0.65GaAs沟道层；
7)继续生长，生长10nm厚的In0.52AlAs空间隔离层；
8)继续生长，生长平面掺杂层108，在As氛围保护下仅打开Si源炉挡板，掺杂Si的剂量为4.0×1012cm-2；
9)继续生长，生长36nm厚的In0.52AlAs势垒层；
10)继续生长，生长20nm厚的In0.53GaAs盖帽层。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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