高電子遷移率晶體管及其外延結(jié)構(gòu)、及外延結(jié)構(gòu)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迀移率晶體管，以及該高電子迀移率晶體管的外延結(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，氮化鎵基高電子迀移率場效應(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]高電子迀移率晶體管(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)界面處形成了勢皇和勢阱，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阱中，形成二維電子氣，由于勢阱中的這些電子與勢皇中的電離雜質(zhì)空間分離，大大降低了庫倫散射，從而提高了材料的電子迀移率。研制成器件后，通過調(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，可以對高頻微波信號進(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。其生長過程是:先在Si (硅)襯底上依次生長一 A1N(氮化鋁)成核層和AlGaN(氮化鎵鋁)緩沖層；再在緩沖層上生長一 GaN (氮化鎵)溝道層；隨后再生長一 AlGaN勢皇層。但是由于AlGaN勢皇層和GaN溝道層之間存在晶格失配和熱失配，使得AlGaN異質(zhì)外延生長時(shí)會產(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，而且對二維電子氣的密度和迀移速率產(chǎn)生巨大的影響。電流坍塌一直以來制約著該級艦的動態(tài)輸出功率和可靠性，外延材料中的體缺陷和界面態(tài)是引起電流坍塌的主要因素之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述現(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)簡單電流坍塌效應(yīng)小的氣化嫁基尚電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，以及一種尚電子遷移率晶體管。
[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迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，包括襯底層，在該襯底層上從下至上依次生長有成核層、緩沖層、模板層、電子氣限制層、溝道層和勢皇層，其中:所述成核層為A1N;所述緩沖層為AlGaN;所述模板層為GaN;所述電子氣限制層為AlGaN，且在所述電子氣限制層中包括預(yù)設(shè)組分的A1 ;所述溝道層為GaN ;所述勢皇層為AlGaN。
[0007]優(yōu)選地，所述襯底層為藍(lán)寶石、SiC(碳化硅)或Si。
[0008]優(yōu)選地，所述GaN模板層的厚度為0.5μηι?3μηι(微米)。
[0009]優(yōu)選地，所述AlGaN電子限制層厚度為0.1 μ m-3 μ m, A1組分小于20%或者大于50%。
[0010]為了得到上述氮化鎵基高電子迀移率晶體管外延結(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迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法包括:在硅襯底上依次生長完A1N成核層、AlGaN緩沖層后，生長GaN模板層；以及電子氣限制層AlGaN，最后形成AlGaN勢皇層。
[0011]優(yōu)選地，所述氮化鎵基高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)的制造方法還包括在所述電子氣限制層AlGaN上生長無摻雜GaN緩沖層。
[0012]優(yōu)選地，所述襯底層為藍(lán)寶石、SiC或Si。
[0013]優(yōu)選地，所述AlGaN電子限制層厚度為0.1 μπι?3μπι，Α1組分小于20%或者大于 50%。
[0014]基于以上氮化鎵基高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)及其制造方法，本發(fā)明中還提供了一種氮化鎵基高電子迀移率晶體管，其包括除了包括上述的高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)之外，還包括一蓋帽層；且所述蓋帽層為摻雜或非摻雜GaN。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:制造氮化鎵基高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)時(shí)，利用AlGaN電子限制層有效的防止電子溢出，提高電子迀移率，降低GaN材料中缺陷對于電子氣的影響，能夠降低器件的電流坍塌效應(yīng)，提高器件的動態(tài)特性，且工藝簡單易行。
【附圖說明】
[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為本發(fā)明中低電流坍塌的高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明中一種氮化鎵基高電子迀移率晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖4為本發(fā)明中另一種氮化鎵基高電子迀移率晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]【附圖說明】:
[0021]210-硅襯底，310-SiC 襯底，220-A1N 成核層，230-AlGaN 緩沖層，240-GaN 模板層，250-AlGaN電子限制層，260-GaN溝道層，270-AlGaN勢皇層，280-GaN蓋帽層。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、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，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0023]實(shí)施例一
[0024]圖2為本發(fā)明中提供的低電流坍塌的高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)的示意圖，從圖中可以看出，其在硅襯底210上通過M0CVD技術(shù)依次生長A1N成核層220、AlGaN緩沖層230,GaN模板層240、AlGaN電子限制層250、GaN溝道層260、以及AlGaN勢皇層270。具體生長過程如下:選擇硅(111)襯底210，首先，利用M0CVD技術(shù)生長，將硅(111)襯底210在1060°C的&環(huán)境中表面處理5分鐘；然后，溫度保持不變，在硅襯底210襯底上生長一厚度為0.3 μ m的A1N成核層220 ;接著，在A1N成核層220上生長一厚度為0.2 μ m的AlGaN緩沖層230 ;隨后，在AlGaN緩沖層230上生長厚度為2 μ m的GaN模板層240 ;再在GaN模板層240上依次生長AlGaN電子限制層250、GaN溝道層260、以及AlGaN勢皇層270 ;關(guān)閉氣體并降至室溫。
[0025]實(shí)施例二
[0026]基于實(shí)施例一種提供的低電流坍塌的高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例中提供了一種氮化鎵基高電子迀移率晶體管，如圖3所示，該氮化鎵基高電子迀移率晶體管中除了包括如圖2所示的高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)之外，還包括一 GaN蓋帽層280。在制作過程中，首先，利用MOCVD技術(shù)生長，將硅襯底210在1060°C的比環(huán)境中表面處理5分鐘；然后，溫度保持不變，在硅襯底210襯底上生長一厚度為0.3 μπι的Α1Ν成核層220 ;接著，在Α1Ν成核層220上生長一厚度為0.2 μ m的AlGaN緩沖層230 ;隨后，在AlGaN緩沖層230上生長厚度為2 μ m的GaN模板層240 ;再在GaN模板層240上依次生長AlGaN電子限制層250、GaN溝道層260、以及AlGaN勢皇層270，緊接著再在AlGaN勢皇層270上生長一摻雜或非摻雜GaN蓋帽層280 ;最后制作器件源、歐姆接觸電極和柵電極(圖3中未標(biāo)出)完成該尚電子遷移率晶體管的制作。
[0027]實(shí)施例三
[0028]基于實(shí)施例一種提供的低電流坍塌的高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例中提供另一種氮化鎵基高電子迀移率晶體管，如圖4所示，與上一實(shí)施例中不同的是，在本實(shí)施例中，我們選用SiC襯底310作為襯底層。在制作過程中，利用M0CVD技術(shù)生長，首先，在SiC襯底310襯底上生長一厚度為0.3 μ m的A1N成核層220 ;接著，在A1N成核層220上生長一厚度為0.2 μ m的AlGaN緩沖層230 ;隨后，在AlGaN緩沖層230上生長厚度為2 μ m的GaN模板層240 ;再在GaN模板層240上依次生長AlGaN電子限制層250、GaN溝道層260、以及AlGaN勢皇層270，緊接著再在AlGaN勢皇層270上生長一摻雜或非摻雜GaN蓋帽層280 ;最后制作器件源、歐姆接觸電極和柵電極(圖4中未標(biāo)出)完成該高電子迀移率晶體管的制作。
[0029]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)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低電流坍塌的高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，包括襯底層，在該襯底層上從下至上依次生長有成核層、緩沖層、模板層、電子氣限制層、溝道層和勢皇層，其中:所述成核層為A1N ;所述緩沖層為AlGaN ;所述模板層為GaN ;所述電子氣限制層為AlGaN，且在所述電子氣限制層中包括預(yù)設(shè)組分的A1 ;溝道層為GaN ;所述勢皇層為AlGaN。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底層為藍(lán)寶石襯底層或SiC襯底層或Si襯底層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電子氣限制層中A1組分小于20%或者大于50%。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電子氣限制層的厚度為0.1 μ m?3 μ m。5.一種低電流坍塌的高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述制造方法中包括以下步驟: 在襯底層上生長成核層； 在所述成核層上生長緩沖層； 在所述緩沖層上生長模板層； 在所述模板層上生長電子氣限制層； 在所述電子氣限制層上生長溝道層；以及 在所述溝道層上生長勢皇層； 其中，所述成核層為A1N ;所述緩沖層為AlGaN ;所述模板層為GaN ;所述電子氣限制層為AlGaN，且在所述電子氣限制層中包括預(yù)設(shè)組分的A1 ;溝道層為GaN ;所述勢皇層為AlGaN。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述襯底層為藍(lán)寶石襯底層或SiC襯底層或Si襯底層。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述電子氣限制層中的A1組分小于20%或者大于50%。8.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7所述的制造方法，其特征在于，所述電子氣限制層的厚度為0.1 μ m ~ 3 μ mD9.一種氣化嫁基1?電子遷移率晶體管，其特征在于，所述氣化嫁基1?電子遷移率晶體管中包括如權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的低電流坍塌的高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，還包括一蓋帽層；所述蓋帽層為摻雜或非摻雜GaN。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高電子遷移率晶體管及其外延結(jié)構(gòu)、以及該外延結(jié)構(gòu)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成核層AlN；緩沖層AlGaN；模板層GaN；電子氣限制層AlGaN；溝道層GaN；勢壘層AlGaN。本發(fā)明通過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AlGaN電子限制層限制二維電子氣跳出量子阱的方法，能夠提高材料的電子遷移率，降低GaN模板層中的缺陷對電子氣的影響，進(jìn)而降低了器件的電流坍塌，提高了器件的動態(tài)效應(yīng)，且工藝簡單易行。
【IPC分類】H01L29/778, H01L21/336, H01L29/06
【公開號】CN105428395
【申請?zhí)枴緾N201510770431
【發(fā)明人】陳振
【申請人】江西省昌大光電科技有限公司
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年11月12日