一種具有極化誘導摻雜高阻層的GaN基HEMT結構及生長方法
【專利摘要】本發明公開了一種GaN基HEMT外延結構及其生長方法，該外延結構沿外延生長方向依次包括：襯底、緩沖層、高阻層、溝道層和勢壘層，其中：緩沖層外延生長在襯底上；高阻層外延生長在緩沖層上，其中，高阻層為極化誘導摻雜；溝道層外延生長在高阻層上；勢壘層外延生長在溝道層上。本發明通過極化誘導摻雜實現無摻雜雜質的高阻層，從而降低器件緩沖層漏電，緩解由于緩沖層摻雜而加劇的電流崩塌，實現提高器件擊穿電壓、改善器件動態導通電阻可靠性的目的。
【專利說明】—種具有極化誘導摻雜高阻層的GaN基HEMT結構及生長方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體器件【技術領域】，適用于GaN基HEMT器件，尤其是一種具有極化誘導摻雜高阻層的GaN基HEMT結構及生長方法，本發明通過極化誘導摻雜實現無摻雜雜質的高阻層，從而降低器件緩沖層漏電，解決由于緩沖層摻雜而引入的電流崩塌，實現提高器件擊穿電壓、改善器件動態導通電阻可靠性的目的。
【背景技術】
[0002]目前，高壓、高溫、高頻和大功率GaN電力電子器件是國際半導體領域的一個研究熱點，也是當今微電子領域的戰略制高點之一。美國、日本、歐洲等國家和地區都極其重視GaN電力電子器件技術的研究與開發。雖然GaN基HEMT器件已經取得很大進步，但仍然存在著一系列制約因素阻礙其發展。其中，GaN緩沖層的漏電是備受關注的一個問題，因為在大功率工作時，其將導致器件抗高電壓能力和電能轉換效率的降低。造成緩沖層漏電的主要原因是在異質襯底上外延的GaN基材料中存在大量的氮空位及位錯等缺陷，這些缺陷能級及其他的淺施主雜質(如0原子等)可電離產生電子，使GaN緩沖層呈現弱η型導電。在這種情況下，當器件工作在柵電壓夾斷狀態時，源、漏電極之間的電壓(Vds)如果比較大，兩電極之間就會通過緩沖層漏電流而導通，使器件無法徹底關斷，并且Vds繼續升高的話，器件會因為漏電流持續升高而被“軟擊穿”。這種緩沖層漏電的HEMT器件將嚴重降低電力電子模塊的效率和電壓等級。目前一般通過受主雜質摻雜的方式，補償背景電子而獲得高阻GaN緩沖層，抑制漏電現象。不過，受主雜質摻雜會提高缺陷密度，導致材料質量下降，引入的缺陷陷阱態還會加劇器件電流崩塌效應，嚴重影響可靠性。因此，找到一種既可獲得高阻GaN基緩沖層，同時又不會引入其他雜質缺陷而造成電流崩塌的方法，對于GaN基HEMT器件至關重要。而利用極化摻雜方法，則無需引入受主雜質，通過采用組分線性漸變的AlGaN或InGaN即可實現高阻層。沿
[0001]生長方向，極化電場強度隨A1組分的線性降低(或In組分的線性增加)而降低，其均勻落差導致AlGaN或InGaN體內均勻分布著凈極化負電荷。為保持電中性，則將感應產生等量空穴。通過選擇合適的組分梯度，即可產生與背景電子濃度相當的空穴，實現電子空穴補償，獲得高阻層。
【發明內容】
[0003]本發明針對GaN基HEMT器件的GaN緩沖層漏電導致器件擊穿電壓降低的問題，提出了一種具有極化誘導摻雜高阻層的GaN基HEMT結構及生長方法。
[0004]根據本發明的一方面，提出一種GaN基HEMT外延結構，該外延結構沿外延生長方向依次包括:襯底、緩沖層、高阻層、溝道層和勢壘層，其中:
[0005]所述緩沖層外延生長在所述襯底上；
[0006]所述高阻層外延生長在所述緩沖層上，其中，所述高阻層為極化誘導摻雜；
[0007]所述溝道層外延生長在所述高阻層上；
[0008]所述勢壘層外延生長在所述溝道層上。
[0009]其中，外延生長方向為外延氮化物的
[0001]方向，所述外延生長方向所對應的晶面為極性面(0001)面。
[0010]其中，所述緩沖層由GaN或A1N材料制成，厚度為0.l_5um ;
[0011]和/或，所述溝道層由非摻雜的GaN或InGaN制成，厚度為5_200nm ;
[0012]和/或，所述勢壘層由應變AlGaN或InAIN制成，厚度為10_50nm。
[0013]其中，所述緩沖層中還依次包括低溫成核層、高溫緩沖層和/或超晶格層。
[0014]其中，所述高阻層由AlGaN材料制成，厚度為0.05_2um，且在所述高阻層中，A1的組分沿外延生長方向逐漸降低，使得組分漸變產生的極化誘導空穴濃度與背景電子濃度相當，實現電子和空穴的完全補償，進而實現高阻特性；
[0015]或所述高阻層由InGaN材料制成，厚度為0.05_2um，且在所述高阻層中，In的組分沿外延生長方向逐漸增加，使得組分漸變產生的極化誘導空穴濃度與背景電子濃度相當，實現電子和空穴的完全補償，進而實現高阻特性。
[0016]根據本發明的另一方面，還提出一種GaN基HEMT結構的外延生長方法，該方法包括以下步驟:
[0017]步驟1:在襯底上沿外延生長方向生長緩沖層；
[0018]步驟2:在所述緩沖層上沿外延生長方向生長高阻層，其中，所述高阻層為極化誘導摻雜；
[0019]步驟3:在所述高阻層上沿外延生長方向生長溝道層；
[0020]步驟4:在所述溝道層上沿外延生長方向生長勢壘層。
[0021]其中，所述外延生長方向為外延氮化物的
[0001]方向，所述外延生長方向所對應的晶面為極性面(0001)面。
[0022]其中，在生長緩沖層時，所述方法還包括沿外延生長方向依次生長低溫成核層、高溫緩沖層和/或超晶格層。
[0023]其中，所述高阻層由AlGaN材料制成，厚度為0.05_2um，且在所述高阻層中，A1的組分沿外延生長方向逐漸降低；
[0024]或所述高阻層由InGaN材料制成，厚度為0.05-2um,且在所述高阻層中，In的組分沿外延生長方向逐漸增加。
[0025]其中，當所述高阻層由AlGaN材料制成時，在隊或仏的保護下，依據反應室的生長溫度條件下AlGaN的熱力學氣-固組分關系，對輸入反應室的III族金屬有機源材料鋁的流量和金屬有機源材料鎵的流量進行控制，控制反應室中三甲基鋁(TMA1)/三甲基鎵(TMGa) +三甲基鋁(TMA1)的比例，形成組分漸變的AlGaN高阻層；
[0026]當所述高阻層由InGaN材料制成時，在隊或仏的保護下，依據反應室的生長溫度條件下InGaN的熱力學氣-固組分關系，使III族金屬有機源材料銦和鎵的流量保持不變輸入生長反應室，控制反應室生長溫度線性變化，形成組分漸變的InGaN高阻層。
[0027]本發明HEMT結構可制作在多種襯底上，包括藍寶石、硅、碳化硅、氮化鎵、氮化鋁。本發明利用極化摻雜原理，在緩沖層上沿極性面方向生長非摻雜的組分漸變的InGaN層或AlGaN層。通過組分設計使漸變InGaN或AlGaN中產生極化感應空穴，且使空穴濃度與漸變InGaN或AlGaN材料的背景電子濃度相當，從而產生補償效應,最終形成無摻雜的組分漸變 InGaN或AlGaN高阻層。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為具有漸變InGaN高阻層或AlGaN高阻層的GaN基HEMT外延結構示意圖。
[0029]圖2為具有漸變InGaN高阻層或AlGaN高阻層的GaN基HEMT外延結構生長工藝示意圖。
[0030]圖3為具有漸變AlGaN高阻層的GaN基HEMT結構制作過程中反應室中的TMA1和TMGa隨時間的變化情況。
[0031]圖4為具有漸變InGaN高阻層的GaN基HEMT結構制作過程中反應室中的溫度隨時間的變化情況。
【具體實施方式】
[0032]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0033]根據本發明的一方面，公開了一種具有極化誘導摻雜高阻層的GaN基HEMT外延結構，圖1為本發明具有極化誘導摻雜高阻層的GaN基HEMT外延結構的示意圖，圖1中，從下往上為外延生長方向，如圖1所示，所述GaN基HEMT外延結構沿外延生長方向依次包括:襯底1、緩沖層2、高阻層3、溝道層4和勢壘層5，其中:
[0034]所述緩沖層2外延生長在所述襯底1上；
[0035]其中，外延生長方向為外延氮化物的
[0001]方向，所述外延生長方向所對應的晶面為極性面(0001)面。
[0036]所述襯底1可以為(0001)面藍寶石、(0001)面碳化硅、(0001)面氮化鎵、(0001)面氮化鋁或(111)面晶體硅。
[0037]所述緩沖層2可以由GaN或A1N材料制成，厚度為0.l_5um。在本發明一實施例中，所述緩沖層2中還依次包括低溫成核層、高溫緩沖層和/或超晶格層，外延生長溫度為常規的GaN、A1N生長溫度。所述高阻層3外延生長在所述緩沖層2上；
[0038]其中，所述高阻層3為極化誘導摻雜(polarizat1n-1nduced doping)。
[0039]在本發明一實施例中，所述高阻層3由AlGaN材料制成，且在所述高阻層3中，A1的組分漸變，厚度為0.05-2um，其中，A1的組分沿外延生長方向逐漸降低，比如從X(l線性降低到x”0 ( xi<x0 ( 1。A1組分漸變的AlGaN高阻層可以為非故意摻雜(undoped)。由于六方晶系中存在自發極化和壓電極化效應，且極化電場強度與A1組分有關，因此將在A1組分沿外延生長方向線性減少的AlGaN層中產生一定的極化電場差，并由此感應產生極化空穴。A1組分沿外延生長方向線性變化的趨勢，即組分坡度直接決定了產生極化感應空穴的濃度，因此可根據AlGaN材料中的背景電子濃度設計特定的A1組分線性斜率，進而獲得與背景電子濃度相當的空穴濃度，實現極化空穴對AlGaN材料中的背景電子的全補償，這樣A1組分漸變的AlGaN高阻層就可以不需要雜質摻雜，即得到高阻且無摻雜雜質的高阻層3。即，A1組分的漸變梯度需要根據背景電子濃度進行設計，使得組分漸變產生的極化誘導空穴濃度與背景電子濃度相當，實現電子和空穴的完全補償，進而實現高阻特性。
[0040]在本發明另一實施例中，所述高阻層3由InGaN材料制成，且在所述高阻層3中，In的組分漸變,厚度為0.05-2um,其中，In的組分沿外延生長方向逐漸增加，比如從線性增加到y1;0 ( y0<yi彡1。In組分漸變的InGaN高阻層為非故意摻雜。由于六方晶系中存在自發極化和壓電極化效應，且極化電場強度與In組分有關，因此將在In組分沿外延生長方向線性增加的InGaN層中產生一定的極化電場差，并由此感應產生極化空穴。In組分沿外延生長方向線性變化的趨勢，即組分坡度直接決定了產生極化感應空穴的濃度，因此可根據InGaN材料中的背景電子濃度設計特定的In組分線性斜率，進而獲得與背景電子濃度相當的空穴濃度，實現極化空穴對InGaN材料中的背景電子的全補償，這樣In組分漸變的InGaN高阻層就可以不需要雜質摻雜，即得到高阻且無摻雜雜質的高阻層3。S卩，In組分的漸變梯度需要根據背景電子濃度進行設計，使得組分漸變產生的極化誘導空穴濃度與背景電子濃度相當，實現電子和空穴的完全補償，進而實現高阻特性。
[0041 ] 所述溝道層4外延生長在所述高阻層3上；
[0042]在本發明一實施例中，所述溝道層4由非摻雜的GaN或InGaN制成，厚度為5_200nmo
[0043]所述勢壘層5外延生長在所述溝道層4上。
[0044]在本發明一實施例中，所述勢壘層5由應變AlGaN或InAIN制成，厚度為10_50nm，所述勢壘層5中A1的組分為0.1-0.5。由于極化效應，溝道層4與勢壘層5的界面處存在大量的極化電荷，并在溝道層4 一側形成三角勢阱，此為HEMT器件的載流子溝道。
[0045]根據本發明的另一方面，還公開了一種具有極化誘導摻雜高阻層的GaN基HEMT外延結構的外延生長方法，圖2為具有漸變InGaN高阻層或AlGaN高阻層的GaN基HEMT外延結構生長工藝示意圖，圖3為具有漸變AlGaN高阻層的GaN基HEMT結構的外延生長方法中反應室中的TMA1和TMGa隨時間的變化情況，圖4為具有漸變InGaN高阻層的GaN基HEMT結構的外延生長方法中反應室中的溫度隨時間的變化情況。
[0046]如圖2-4所示，所述具有極化誘導摻雜高阻層的GaN基HEMT結構的外延生長方法包括以下步驟:
[0047]步驟1:在襯底1上沿外延生長方向生長緩沖層2 ；
[0048]其中，外延生長方向為外延氮化物的
[0001]方向。
[0049]所述襯底1可以為c面藍寶石、c面碳化硅、c面氮化鎵、c面氮化鋁、或(111)面晶體娃。
[0050]所述緩沖層2可以由GaN或A1N材料制成，厚度為0.l_5um。
[0051]在本發明一實施例中，在生長緩沖層2時，所述方法還包括沿外延生長方向依次生長低溫成核層、高溫緩沖層和/或超晶格層，外延生長溫度為常規的GaN、A1N生長溫度。
[0052]其中，所述低溫成核層、高溫緩沖層和超晶格層的生長屬于現有技術，本發明對其制作材料和制作工藝等不作任何限定。
[0053]步驟2:在所述緩沖層2上沿外延生長方向生長高阻層3 ；
[0054]其中，所述高阻層3為極化誘導摻雜。
[0055]在本發明一實施例中，所述高阻層3由AlGaN材料制成，且在所述高阻層3中，A1的組分漸變，具體地，A1的組分沿外延生長方向逐漸降低，比如從X(1線性降低到Xl，
0 ^ χ^χ0 ^ Ιο
[0056]其中，在Ν2或Η2的保護下，依據反應室的生長溫度條件下AlGaN的熱力學氣_固組分關系，對輸入生長反應室的III族金屬有機源材料A1的流量和金屬有機源材料鎵的流量進行控制，控制反應室中TMAl/(TMGa+TMAl)的比例，使TMA1流量隨時間線性降低，TMGa流量隨時間線性增加，最終形成A1組分漸變的AlGaN高阻層。
[0057]在本發明另一實施例中，所述高阻層3由InGaN材料制成，且在所述高阻層3中，In的組分漸變,厚度為0.05-2um,其中，In的組分沿外延生長方向逐漸增加，比如從線性增加到ypO彡yQ〈yi< 1。
[0058]其中，在N2或H2的保護下，使III族金屬有機源材料銦和鎵的流量保持不變輸入生長反應室，控制反應室生長溫度線性變化，反應室內溫度滿足隨生長時間線性降低，形成組分漸變的InGaN高阻緩沖層。
[0059]步驟3:在所述高阻層3上沿外延生長方向生長溝道層4 ；
[0060]在本發明一實施例中，所述溝道層4由非摻雜的GaN或InGaN制成，厚度為5_200nmo
[0061]步驟4:在所述溝道層4上沿外延生長方向生長勢壘層5。
[0062]在本發明一實施例中，所述勢壘層5由應變AlGaN或InAIN制成，厚度為10_50nm，所述勢壘層5中A1的組分為0.1-0.5。
[0063]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種GaN基HEMT外延結構，其特征在于，該外延結構沿外延生長方向依次包括:襯底、緩沖層、高阻層、溝道層和勢壘層，其中: 所述緩沖層外延生長在所述襯底上； 所述高阻層外延生長在所述緩沖層上，其中，所述高阻層為極化誘導摻雜； 所述溝道層外延生長在所述高阻層上； 所述勢壘層外延生長在所述溝道層上。
2.根據權利要求1所述的外延結構，其特征在于，外延生長方向為外延氮化物的[0001]方向，所述外延生長方向所對應的晶面為極性面(0001)面。
3.根據權利要求1所述的外延結構，其特征在于，所述緩沖層由GaN或AlN材料制成，厚度為0.l-5um ； 和/或，所述溝道層由非摻雜的GaN或InGaN制成，厚度為5_200nm ； 和/或，所述勢壘層由應變AlGaN或InAlN制成，厚度為10_50nm。
4.根據權利要求1所述的外延結構，其特征在于，所述緩沖層中還依次包括低溫成核層、高溫緩沖層和/或超晶格層。
5.根據權利要求1所述的外延結構，其特征在于，所述高阻層由AlGaN材料制成，厚度為0.05-2um，且在所述高阻層中，Al的組分沿外延生長方向逐漸降低，使得組分漸變產生的極化誘導空穴濃度與背景電子濃度相當，實現電子和空穴的完全補償，進而實現高阻特性； 或所述高阻層由InGaN材料制成，厚度為0.05-2um,且在所述高阻層中，In的組分沿外延生長方向逐漸增加，使得組分漸變產生的極化誘導空穴濃度與背景電子濃度相當，實現電子和空穴的完全補償，進而實現高阻特性。
6.一種GaN基HEMT結構的外延生長方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟1:在襯底上沿外延生長方向生長緩沖層； 步驟2:在所述緩沖層上沿外延生長方向生長高阻層，其中，所述高阻層為極化誘導摻雜； 步驟3:在所述高阻層上沿外延生長方向生長溝道層； 步驟4:在所述溝道層上沿外延生長方向生長勢壘層。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述外延生長方向為外延氮化物的[0001]方向，所述外延生長方向所對應的晶面為極性面(0001)面。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，在生長緩沖層時，所述方法還包括沿外延生長方向依次生長低溫成核層、高溫緩沖層和/或超晶格層。
9.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述高阻層由AlGaN材料制成，厚度為0.05-2um，且在所述高阻層中，Al的組分沿外延生長方向逐漸降低； 或所述高阻層由InGaN材料制成，厚度為0.05-2um,且在所述高阻層中，In的組分沿外延生長方向逐漸增加。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，當所述高阻層由AlGaN材料制成時，在N2或H2的保護下，依據反應室的生長溫度條件下AlGaN的熱力學氣-固組分關系，對輸入反應室的III族金屬有機源材料鋁的流量和金屬有機源材料鎵的流量進行控制，控制反應室中三甲基鋁(TMAl)/三甲基鎵(TMGa) +三甲基鋁(TMAl)的比例，形成組分漸變的AlGaN高阻層； 當所述高阻層由InGaN材料制成時，在N2或H2的保護下，依據反應室的生長溫度條件下InGaN的熱力學氣-固組分關系，使III族金屬有機源材料銦和鎵的流量保持不變輸入生長反應室，控制反應室生長溫度線性變化，形成組分漸變的InGaN高阻層。
【文檔編號】H01L29/06GK104241352SQ201410505205
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月26日 優先權日:2014年9月26日
【發明者】張連, 張韻, 閆建昌, 王軍喜, 李晉閩 申請人:中國科學院半導體研究所