半导体异质结构、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种半导体异质结构、其制备方法及应用。该半导体异质结构包括第一半导体材料和第二半导体材料，该第一半导体材料与该第二半导体材料相互接合且形成实质上的晶格匹配，其中该第一半导体材料为AlxInyGa1‑x‑yN，其中4.72≤x/y≤5.10，0≤x≤1，0<y<1，而该第二半导体材料为GaN。优选的，0.2<(1‑x‑y)≤0.6。该制备方法可以包括：在生长形成GaN层后，通过向外延生长设备的反应腔室内同时和/或脉冲通入铝源、铟源、镓源及氮源的方式生长形成AlxInyGa1‑x‑yN层。利用本发明专利技术的半导体异质结构，可以有效简化半导体器件的生产工艺及提高优化半导体器件的可靠性，特别是可以从根本上消除HEMT等器件因应力而导致的可靠性问题，并使其势垒层与GaN层之间保持更为理想的自发极化强度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术特别涉及一种半导体异质结构、其制备方法及应用，属于半导体材料科学领域。
技术介绍
近二十年来，随着人们对III-V族氮化物半导体材料体系的深入研究，各类氮化物半导体电子器件、光子器件迅速发展。其中，基于异质结的高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)在电力系统、无线通信等领域具有广阔应用前景。目前，高电子迁移率晶体管普遍基于AlGaN/GaN异质结。在该结构中，AlGaN势垒层中Al组分保持在0.20左右(如图1所示)，因此共格生长在GaN沟道层上，由此产生压电极化效应，并最终通过AlGaN势垒层的自发极化、压电极化以及GaN沟道层的自发极化三者共同作用而在异质结界面处形成二维电子气(2DEG)。理论计算表明，二维电子气浓度可以达到1.2×1013/cm2。最近，AlInN三元合金体系日益受到人们的关注。AlInN的显著优点在于通过调控AlInN中Al组分含量，可以实现与GaN的近晶格匹配生长(Al组分含量约为0.83，如图1所示)，从而使得AlInN/GaN异质结中几乎不存在应力，因此器件的可靠性有望获得改善。并且，AlInN具有很强的自发极化强度，确保了其即使在近晶格匹配生长而几乎没有压电极化效应的情况下，仅借助于自发极化效应，异质结界面仍能形成高浓度的二维电子气。理论计算表明，二维电子气浓度可以达到2.7×1013/cm2。在高电子迁移率晶体管中，异质结扮演着至关重要的角色。由于AlGaN三元合金材料的外延生长相对容易，因此，AlGaN/GaN是在高电子迁移率晶体管中被广泛采用的异质结。然而，由于AlGaN与GaN之间存在不可避免的晶格失配问题，由此导致产生的应力会给器件带来一系列可靠性隐患，尤其器件在大功率输出工作时，产生的热量和外加电场很可能会引起材料与器件中的应力变化。为克服因应力而导致的器件可靠性问题，将近晶格匹配的AlInN/GaN异质结应用于高电子迁移率晶体管，正在成为另一个重要的发展趋势。然而，从 材料生长角度来看，AlInN的生长存在很大困难：极易出现的相分离会导致In组分波动，从而引起材料组分不均匀，极大影响AlInN的晶体质量以及器件性能(如击穿电压低)。此外，使用金属有机物化学气相沉积(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition，MOCVD)技术进行外延生长时，AlN与InN的生长条件也截然不同，前者需要1100℃以上的高温，后者的生长温度则约为500～600℃，这使得具有高原子迁移率的In在富含Al的材料基体(Al-rich matrix)中很难均匀掺入。
技术实现思路
鉴于现有技术的不足，本专利技术的主要目的在于提供一种新型的半导体异质结构，其能有效提高半导体器件的可靠性。本专利技术的另一目的在于提供所述半导体异质结构的制备方法。本专利技术的再一目的在于提供所述半导体异质结构的应用，例如在高电子迁移率晶体管等半导体器件内的应用。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：一种半导体异质结构，包括第一半导体材料和第二半导体材料，该第一半导体材料与该第二半导体材料相互接合且形成实质上的晶格匹配，其中该第一半导体材料为AlxInyGa1-x-yN，其中4.72≤x/y≤5.10，0<x<1，0<y<1，而该第二半导体材料为GaN。作为较佳实施方案之一，0.2<(1-x-y)≤0.6。尤为优选的，x/y＝4.88。前述“实质上”是指某一作用、特征、性质、状态、结构、物品或结果的完全或接近完全的范围或程度，其与绝对完全性的确切可容许的偏差度可在一些情况下视特定情形而定。前述任一种半导体异质结构的制备方法，包括：在外延生长设备的反应腔室内通入镓源及氮源，生长形成GaN层；以及，在GaN层上继续生长AlInN三元合金，并在该AlInN三元合金内掺入Ga，从而在所述GaN层上形成AlxInyGa1-x-yN层。进一步的，该方法包括：通过向外延生长设备的反应腔室内同时和/或脉冲通入铝源、铟源、镓源及氮源、或两者相结合的方式生长形成AlxInyGa1-x-yN层。一种半导体器件，其特征在于该半导体器件的有源区包含异质结构，该异质结构包括第一半导体材料和第二半导体材料，该第一半导体材料与该第二半导体材料相互接合且形成实质上的晶格匹配，其中该第一半导体材料为AlxInyGa1-x-yN，其中4.72≤x/y≤5.10，0<x<1，0<y<1，而该第二半导体材料为GaN。作为较佳实施方案之一，0.2<(1-x-y)≤0.6。尤为优选的，x/y＝4.88。一种高电子迁移率晶体管，其有源区包含AlxInyGa1-x-yN/GaN异质结，其中4.72≤x/y≤5.10，0<x<1，0<y<1，且0.2<(1-x-y)≤0.6。尤为优选的，x/y＝4.88。进一步的，AlxInyGa1-x-yN/GaN异质结内的二维电子气浓度为9×1012–1.2×1013/cm2。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：(1)相比于AlInN/GaN等异质结技术，本专利技术则通过在AlInN三元合金中故意掺入Ga，可以缓和AlN、InN的不互溶性并适当提高生长温度，克服了AlInN在材料生长方面的困难，从而实现AlInGaN四元合金的高质量外延生长，获得高质量晶体；(2)相比于AlGaN/GaN等异质结技术，本专利技术采用近晶格匹配、几乎无应力的AlInGaN/GaN异质结，可以从根本上消除因应力而导致的半导体器件可靠性问题；(3)本专利技术在四元合金AlInGaN生长过程中，通过保持Al、In组分比x/y在一定范围内(4.72≤x/y≤5.10)的同时，调控Ga组分在合适范围内(0.2<1-x-y≤0.6)，从而使得AlInGaN与GaN之间仍能保持较大的自发极化强度，可以替代AlGaN/GaN、AlInN/GaN异质结等作为高电子迁移率晶体管等器件的核心部分，并大幅提升器件的综合工作性能。附图说明图1是本专利技术一典型实施方案之中同时通入源进行AlxInyGa1-x-yN生长的工艺原理图；图2a是本专利技术一典型实施方案之中脉冲形式1进行AlxInyGa1-x-yN生长的工艺原理图；图2b是本专利技术一典型实施方案之中脉冲形式1进行AlxInyGa1-x-yN生长的时序图；图3a是本专利技术一典型实施方案之中脉冲形式2进行AlxInyGa1-x-yN生长的工艺原理图；图3b是本专利技术一典型实施方案之中脉冲形式2进行AlxInyGa1-x-yN生长的时序图；图4a是本专利技术一典型实施方案之中一种基于AlxInyGa1-x-yN势垒层的高电子迁移率晶体管的结构示意图；图4b是本专利技术一典型实施方案之中一种基于AlxInyGa1-x-yN势垒层的高电子迁移率晶体管的二维电子气浓度测试图；图5是在室温和600℃下，基于传统异质结Al0.26Ga0.84N/GaN的高电子迁移率晶体管的输出特性曲线；图6是在室温和600℃下，基于异质结Al0.33In0.07Ga0.60N/GaN的高电子迁移率晶体管的输出特性曲线；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体异质结构，其特征在于包括第一半导体材料和第二半导体材料，该第一半导体材料与该第二半导体材料相互接合且形成实质上的晶格匹配，其中该第一半导体材料为AlxInyGa1‑x‑yN，其中4.72≤x/y≤5.10，0<x<1，0<y<1，而该第二半导体材料为GaN。

【技术特征摘要】
1.一种半导体异质结构，其特征在于包括第一半导体材料和第二半导体材料，该第一半导体材料与该第二半导体材料相互接合且形成实质上的晶格匹配，其中该第一半导体材料为AlxInyGa1-x-yN，其中4.72≤x/y≤5.10，0<x<1，0<y<1，而该第二半导体材料为GaN。2.根据权利要求1所述的半导体异质结构，其特征在于，0.2<(1-x-y)≤0.6。3.根据权利要求1或2所述的半导体异质结构，其特征在于，x/y＝4.88。4.权利要求1-3中任一项所述半导体异质结构的制备方法，其特征在于包括：在外延生长设备的反应腔室内通入镓源及氮源，生长形成GaN层；以及，在GaN层上继续生长AlInN三元合金，并在该AlInN三元合金内掺入Ga，从而在所述GaN层上形成AlxInyGa1-x-yN层。5.根据权利要求4所述半导体异质结构的制备方法，其特征在于包括：通过向外延生长设备的反应腔室内同时和/或脉冲通入铝源、铟源、镓源及氮源的方式生长形成AlxInyGa1-x-yN层。6.一种半导体器件，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宇，李水明，戴淑君，高宏伟，孙钱，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32