氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構及其制造方法。
【背景技術】
[0002]GaN具有較大的直接禁帶寬度(3.4ev)、高熱導率、高電子飽和漂移速度等特點，因此已經成為目前半導體技術領域的研究熱點。特別地，氮化鎵基高電子遷移率場效應晶體管(HEMT)是一種基于氮化物異質結構的新型電子器件。該器件具有高頻、大功率的優異特性，廣泛應用于無線通信基站、電力電子器件等信息收發、能量轉換等領域。
[0003]高電子遷移率晶體管(HEMT)的原理是由于組成異質結構的兩種材料的禁帶寬度不同，在異質結界面處形成了勢壘和勢阱，由極化效應或調制摻雜產生的自由電子，積累在非摻雜的氮化鎵層靠近界面的三角形勢阱中，形成二維電子氣，由于勢阱中的這些電子與勢壘中的電離雜質空間分離，大大降低了庫倫散射，從而提高了材料的電子遷移率。研制成器件后，通過調節柵電極偏壓可以控制異質結界面處的二維電子氣密度，在一定的直流偏壓下，可以對高頻微波信號進行放大。
[0004]現有技術氮化鎵基HEMTs器件的外延結構一般如圖1所示。其生長過程是:先在Si襯底上依次生長一 AlN成核層和AlGaN緩沖層；再在緩沖層上生長一 GaN溝道層；隨后再生長一 AlGaN勢壘層。但是由于AlGaN勢壘層和GaN溝道層之間存在晶格失配和熱失配，使得AlGaN異質外延生長時會產生高密度的位錯。AlGaN/GaN異質結中高密度的位錯不但增加了緩沖層和柵極的漏電流，而且對二維電子氣的密度和遷移速率產生巨大的影響。如失配位錯、合金混亂以及界面粗糙等缺陷都對二維電子氣有很強的散射作用，進而降低了AlGaN/GaN基高電子遷移率晶體管的射頻性能。
【發明內容】
[0005]針對上述現有技術的不足，本發明的一個目的是提供一種結構簡單、位錯密度小且集成電壓聞的氣化嫁基聞電子遷移率晶體管外延結構。
[0006]為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案:一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構，包括襯底層，在該襯底層上從下至上依次生長有成核層、緩沖層、模板層和勢壘層，其中:所述成核層為AlN ;所述緩沖層為AlGaN ;所述模板層為Al摻雜GaN ;所述勢壘層為AlGaN。
[0007]優選地，所述氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構還包括無摻雜GaN緩沖層，其布置在所述Al摻雜GaN模板層上。
[0008]優選地，所述襯底層為藍寶石、SiC或Si。
[0009]優選地，所述Al摻雜GaN模板層中Al摻雜的濃度為I X 116 Cm3-1X 120 cm 3。
[0010]優選地，所述Al摻雜GaN模板層的厚度為0.5 μ m_3 μ m。
[0011]為了實現上述氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構，本發明的另一個目的是提供一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構的制造方法，該方法包括:在硅襯底上依次生長完A1N成核層、AlGaN緩沖層后，形成A1摻雜GaN模板層，最后形成AlGaN勢壘層。
[0012]優選地，所述氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構的制造方法還包括在所述A1摻雜GaN模板層上生長無摻雜GaN緩沖層。
[0013]優選地，所述襯底層為藍寶石、SiC或Si。
[0014]優選地，所述A1摻雜GaN模板層中A1摻雜的濃度為1 X 1016 cm 3 - 1 X ΙΟ20 cm 3。
[0015]本發明的有益效果是:制造氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構時，摻雜的A1原子有很強的化學活性，可以和帶電荷的缺陷、位錯相互反應，從而提高擊穿電壓。同時，利用A1摻雜形成GaN模板層的方法，能夠降低材料的位錯密度，改善界面的平整度，提高材料的電子遷移率，減少異質外延AlGaN勢壘層表面態密度，進而降低了器件的漏電流，提高了器件的擊穿電壓且工藝簡單易行。
【附圖說明】
[0016]圖1為現有技術氮化鎵基HEMTs器件的外延結構示意圖。
[0017]圖2為形成本發明所述GaN模板層的外延結構示意圖。
[0018]圖3為圖2所示該實施例的擊穿電壓測試結果。
[0019]圖4為本發明所述的一個氮化鎵基高電子遷移率晶體管結構示意圖。
[0020]圖5為本發明所述的另一個氮化鎵基高電子遷移率晶體管結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]為了使本發明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步的詳細說明。
[0022]實施例一
圖2為本發明形成所述GaN模板層的外延結構示意圖。它是在硅襯底210上通過M0CVD技術依次生長A1N成核層220、AlGaN緩沖層230，A1摻雜GaN模板層240。具體生長過程如下:選擇硅(111)襯底210，利用M0CVD技術生長；將硅(111)襯底210在1060°C的H2環境中表面處理5分鐘；溫度保持不變，在硅襯底210襯底上生長一厚度為0.3um的A1N成核層220 ;在A1N成核層220上生長一厚度為0.2um的AlGaN緩沖層230 ;然后在生長氣氛中加入三甲基鋁，形成厚度為2 μ m的A1摻雜GaN模板層240，其中A1摻雜的濃度在1 X 1018cm3 ;關閉氣體并降至室溫。隨后對該GaN模板層的外延結構的擊穿電壓進行測試，測試結果如圖3所示。從圖中可以看出，鋁摻雜濃度為IX 1018 cm3時，擊穿電壓達到1000V。
[0023]實施例二
本實施例提供一個氣化嫁基聞電子遷移率晶體管，如圖4所7K，在娃襯底310上生長一層A1N成核層320，再生長AlGaN緩沖層330，隨后生長鋁摻雜濃度為1 X 1016 cm 3的GaN模板層340，然后生長一 AlGaN勢壘層350和生長一摻雜或非摻雜GaN蓋帽層360，最后制作器件源、漏歐姆接觸電極和柵電極(圖4中未標出)。
[0024]實施例三
本實施例提供另一個氣化嫁基聞電子遷移率晶體管，如圖5所在SiC襯底410上生長一層A1N成核層420，再生長AlGaN緩沖層430，隨后生長鋁摻雜濃度為1 X 1016 cm 3的GaN模板層440，然后生長一厚度為50nm的GaN溝道層450，在溝道層上依次生長一 AlGaN勢壘層460和一摻雜或非摻雜GaN蓋帽層470，最后制作器件源、漏歐姆接觸電極和柵電極(圖5中未標出)。
[0025]以上所述，僅為本發明中的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可輕易想到的變換或替換都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【主權項】
1.一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構，包括襯底層，在該襯底層上從下至上依次生長有成核層、緩沖層、模板層和勢壘層，其中:所述成核層為A1N;所述緩沖層為AlGaN ;所述模板層為A1摻雜GaN ;所述勢壘層為AlGaN。2.根據權利要求1所述的一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構，還包括:無摻雜GaN緩沖層，其布置在所述A1摻雜GaN模板層上。3.根據權利要求1所述的一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構，其特征在于，所述襯底層為藍寶石、Sic或Si。4.根據權利要求1所述的一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構，其特征在于，所述A1摻雜GaN模板層中A1摻雜的濃度為1 X 1016 cm 3 - 1 X ΙΟ20 cm 3。5.根據權利要求1或2或3所述的一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構，其特征在于，所述A1摻雜GaN模板層的厚度為0.5 μ m_3 μ m。6.一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構的制造方法，其特征在于，該方法包括:在硅襯底上依次生長完A1N成核層、AlGaN緩沖層后，形成A1摻雜GaN模板層，最后形成AlGaN勢壘層。7.根據權利要求6所述的一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構的制造方法，還包括在所述A1摻雜GaN模板層上生長無摻雜GaN緩沖層。8.根據權利要求6所述的一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構，其特征在于，所述襯底層為藍寶石、SiC或Si。9.根據權利要求6所述的一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構的制造方法，其特征在于，所述A1摻雜GaN模板層中A1摻雜的濃度為1 X 1016 cm 3 - 1 X ΙΟ20 cm 3。
【專利摘要】本發明公開了一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構及其制造方法。該外延結構包括襯底層，在該襯底層上從下至上依次生長有AlN成核層、AlGaN緩沖層、Al摻雜GaN模板層和AlGaN勢壘層。本發明通過在制造氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結構時，利用Al摻雜形成GaN模板層的方法，能夠降低材料的位錯密度，改善界面的平整度，提高材料的電子遷移率，減少異質外延AlGaN勢壘層表面態密度，進而降低了器件的漏電流，提高了器件的擊穿電壓且工藝簡單易行。
【IPC分類】H01L29/778, H01L29/36, H01L21/335
【公開號】CN105336770
【申請號】CN201410384134
【發明人】陳振, 王敏, 周名兵
【申請人】江西省昌大光電科技有限公司
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2014年8月6日