氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN具有較大的直接禁帶寬度(3.4ev)、高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度等特點(diǎn)，因此已經(jīng)成為目前半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。特別地，氮化鎵基高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HEMT)是一種基于氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型電子器件。該器件具有高頻、大功率的優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信基站、電力電子器件等信息收發(fā)、能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。
[0003]高電子遷移率晶體管(HEMT)的原理是由于組成異質(zhì)結(jié)構(gòu)的兩種材料的禁帶寬度不同，在異質(zhì)結(jié)界面處形成了勢(shì)壘和勢(shì)阱，由極化效應(yīng)或調(diào)制摻雜產(chǎn)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(shì)阱中，形成二維電子氣，由于勢(shì)阱中的這些電子與勢(shì)壘中的電離雜質(zhì)空間分離，大大降低了庫(kù)倫散射，從而提高了材料的電子遷移率。研制成器件后，通過(guò)調(diào)節(jié)柵電極偏壓可以控制異質(zhì)結(jié)界面處的二維電子氣密度，在一定的直流偏壓下，可以對(duì)高頻微波信號(hào)進(jìn)行放大。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)氮化鎵基HEMTs器件的外延結(jié)構(gòu)一般如圖1所示。其生長(zhǎng)過(guò)程是:先在Si襯底上依次生長(zhǎng)一 AlN成核層和AlGaN緩沖層；再在緩沖層上生長(zhǎng)一 GaN溝道層；隨后再生長(zhǎng)一 AlGaN勢(shì)壘層。但是由于AlGaN勢(shì)壘層和GaN溝道層之間存在晶格失配和熱失配，使得AlGaN異質(zhì)外延生長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高密度的位錯(cuò)。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中高密度的位錯(cuò)不但增加了緩沖層和柵極的漏電流，而且對(duì)二維電子氣的密度和遷移速率產(chǎn)生巨大的影響。如失配位錯(cuò)、合金混亂以及界面粗糙等缺陷都對(duì)二維電子氣有很強(qiáng)的散射作用，進(jìn)而降低了AlGaN/GaN基高電子遷移率晶體管的射頻性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、位錯(cuò)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(jié)構(gòu)。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，包括襯底層，在該襯底層上從下至上依次生長(zhǎng)有成核層、緩沖層、模板層和勢(shì)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(shì)壘層為AlGaN。
[0007]優(yōu)選地，所述氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)還包括無(wú)摻雜GaN緩沖層，其布置在所述Al摻雜GaN模板層上。
[0008]優(yōu)選地，所述襯底層為藍(lán)寶石、SiC或Si。
[0009]優(yōu)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(yōu)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(shí)現(xiàn)上述氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法包括:在硅襯底上依次生長(zhǎng)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(shì)壘層。
[0012]優(yōu)選地，所述氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)的制造方法還包括在所述A1摻雜GaN模板層上生長(zhǎng)無(wú)摻雜GaN緩沖層。
[0013]優(yōu)選地，所述襯底層為藍(lán)寶石、SiC或Si。
[0014]優(yōu)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(fā)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(jié)構(gòu)時(shí)，摻雜的A1原子有很強(qiáng)的化學(xué)活性，可以和帶電荷的缺陷、位錯(cuò)相互反應(yīng)，從而提高擊穿電壓。同時(shí)，利用A1摻雜形成GaN模板層的方法，能夠降低材料的位錯(cuò)密度，改善界面的平整度，提高材料的電子遷移率，減少異質(zhì)外延AlGaN勢(shì)壘層表面態(tài)密度，進(jìn)而降低了器件的漏電流，提高了器件的擊穿電壓且工藝簡(jiǎn)單易行。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為現(xiàn)有技術(shù)氮化鎵基HEMTs器件的外延結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為形成本發(fā)明所述GaN模板層的外延結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為圖2所示該實(shí)施例的擊穿電壓測(cè)試結(jié)果。
[0019]圖4為本發(fā)明所述的一個(gè)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖5為本發(fā)明所述的另一個(gè)氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0022]實(shí)施例一
圖2為本發(fā)明形成所述GaN模板層的外延結(jié)構(gòu)示意圖。它是在硅襯底210上通過(guò)M0CVD技術(shù)依次生長(zhǎng)A1N成核層220、AlGaN緩沖層230，A1摻雜GaN模板層240。具體生長(zhǎng)過(guò)程如下:選擇硅(111)襯底210，利用M0CVD技術(shù)生長(zhǎng)；將硅(111)襯底210在1060°C的H2環(huán)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(zhǎng)一厚度為0.3um的A1N成核層220 ;在A1N成核層220上生長(zhǎng)一厚度為0.2um的AlGaN緩沖層230 ;然后在生長(zhǎng)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(guān)閉氣體并降至室溫。隨后對(duì)該GaN模板層的外延結(jié)構(gòu)的擊穿電壓進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，鋁摻雜濃度為IX 1018 cm3時(shí)，擊穿電壓達(dá)到1000V。
[0023]實(shí)施例二
本實(shí)施例提供一個(gè)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(zhǎng)一層A1N成核層320，再生長(zhǎng)AlGaN緩沖層330，隨后生長(zhǎng)鋁摻雜濃度為1 X 1016 cm 3的GaN模板層340，然后生長(zhǎng)一 AlGaN勢(shì)壘層350和生長(zhǎng)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(biāo)出)。
[0024]實(shí)施例三
本實(shí)施例提供另一個(gè)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(zhǎng)一層A1N成核層420，再生長(zhǎng)AlGaN緩沖層430，隨后生長(zhǎng)鋁摻雜濃度為1 X 1016 cm 3的GaN模板層440，然后生長(zhǎng)一厚度為50nm的GaN溝道層450，在溝道層上依次生長(zhǎng)一 AlGaN勢(shì)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(biāo)出)。
[0025]以上所述，僅為本發(fā)明中的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，包括襯底層，在該襯底層上從下至上依次生長(zhǎng)有成核層、緩沖層、模板層和勢(shì)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(shì)壘層為AlGaN。2.根據(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)，還包括:無(wú)摻雜GaN緩沖層，其布置在所述A1摻雜GaN模板層上。3.根據(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底層為藍(lán)寶石、Sic或Si。4.根據(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)，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(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，該方法包括:在硅襯底上依次生長(zhǎng)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(shì)壘層。7.根據(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)的制造方法，還包括在所述A1摻雜GaN模板層上生長(zhǎng)無(wú)摻雜GaN緩沖層。8.根據(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底層為藍(lán)寶石、SiC或Si。9.根據(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)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(fā)明公開(kāi)了一種氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)及其制造方法。該外延結(jié)構(gòu)包括襯底層，在該襯底層上從下至上依次生長(zhǎng)有AlN成核層、AlGaN緩沖層、Al摻雜GaN模板層和AlGaN勢(shì)壘層。本發(fā)明通過(guò)在制造氮化鎵基高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)時(shí)，利用Al摻雜形成GaN模板層的方法，能夠降低材料的位錯(cuò)密度，改善界面的平整度，提高材料的電子遷移率，減少異質(zhì)外延AlGaN勢(shì)壘層表面態(tài)密度，進(jìn)而降低了器件的漏電流，提高了器件的擊穿電壓且工藝簡(jiǎn)單易行。
【IPC分類】H01L29/778, H01L29/36, H01L21/335
【公開(kāi)號(hào)】CN105336770
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410384134
【發(fā)明人】陳振, 王敏, 周名兵
【申請(qǐng)人】江西省昌大光電科技有限公司
【公開(kāi)日】2016年2月17日
【申請(qǐng)日】2014年8月6日