高阻GaN基缓冲层外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高阻GaN基缓冲层外延结构，包括GaN缓冲层、包含高阻AlxGa1‑xN异质结的多量子阱层、AlN成核层和衬底；所述包含高阻AlxGa1‑xN异质结的多量子阱层中，每个多量子阱周期中包含高Al组分AlaGa1‑aN层，Al组分递减AluGa1‑uN层，所述多量子阱周期n的个数为10‑100个。本发明专利技术提供了一种高阻GaN基缓冲层外延结构及其制备方法，不用担心污染反应室，而且可以获得高质量的高阻GaN基缓冲层。

【技术实现步骤摘要】
高阻GaN基缓冲层外延结构及其制备方法
本专利技术涉及晶体管，尤其涉及氮化镓基高电子迁移率晶体管。
技术介绍
高质量高阻值的GaN基缓冲层的生长是GaN基高电子迁移率场效应晶体管(HighElectronMobilityTransistor，HEMT)器件外延生长的关键技术。HEMT器件结构中GaN基缓冲层的漏电不仅会恶化器件工作时候的夹断性能，使栅极电压控制沟道电流的能力减弱从而恶化器件的整体性能，同时缓冲层中的漏电还会增加器件的发热量，使器件输出特性变差影响器件的可靠性和使用寿命，因此GaN缓冲层漏电是困扰GaN基HEMT器件性能提高的一个难题。为了获得良好的器件特性和提高器件的可靠性必须生长高阻值半绝缘的GaN基缓冲层减少器件的寄生漏电流。另外缓冲层的位错密度直接影响HEMT器件的二维电子气迁移率从而影响器件的导通电阻，因此高质量的缓冲层也是提高器件性能的重要指标。通常采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长的GaN基外延材料时由于氮空位，氧掺杂等缺陷存在，非故意掺杂的本征GaN具有较高的背景电子浓度(1016-1017/cm3左右)，所以必须想办法减少GaN基外延材料的背景载流子浓度才能获得高阻值的GaN基缓冲层。一般获得高阻值GaN基外延材料的方法有两种：一种是通过控制在MOCVD中生长GaN过程的参数包括反应室气压，生长温度，生长速率，V/III比等，增加外延材料中的p-型杂质或缺陷能级补偿背景电子浓度获得高阻值GaN层；另一种方法是通过在GaN的外延生长中通入Fe，Cr，Mg等金属元素形成深能级缺陷或提供空穴补偿剩余载流子从而获得高阻值的GaN层；第一种方法是通过引入缺陷杂质获得高阻值GaN外延层，因此外延层的质量会变差，同时通过控制生长条件获得高阻值GaN方法的设备依赖性较强，重复性也较差；第二种方法引入金属杂质具有记忆效应会污染反应室需要有一台MOCVD专门生长高阻GaN而且引入杂质会使沟道2DEG的迁移率下降影响器件特性。由于III族氮化物(AlN，GaN和InN)的纤锌矿结构的空间反演不对称性以及氮原子和III族金属原子巨大的电负性差，GaN及其合金化合物具有很强的极性。本专利技术中利用AlN和GaN材料之间较大的极化强度差值(0.081C/m^2-0.029C/m^2)，在生长Ga-面GaN基材料中通过生长组分逐渐减小(或增加)的AlxGa1-xN材料由于极化强度的变化可以在材料中形成剩余的极化负电荷(或正电荷)，从而在生长方向形成一定分布的极化电荷区域。
技术实现思路
本专利技术所要解决的主要技术问题是提供一种高阻GaN基缓冲层外延结构及其制备方法，不用担心污染反应室，而且可以获得高质量的高阻GaN基缓冲层。为了解决上述的技术问题，本专利技术提供了一种高阻GaN基缓冲层外延结构，包括由下至上层叠设置的：衬底、AlN成核层、包含高阻AlxGa1-xN异质结的多量子阱层和高阻GaN缓冲层；所述包含高阻AlxGa1-xN异质结的多量子阱层中，每个多量子阱周期中包含高Al组分AlaGa1-aN层，Al组分递减AluGa1-uN层，所述多量子阱周期n的个数为10-100个。在一较佳实施例中：所述每个多量子阱周期中包含由下至上层叠设置的：低Al组分AlbGa1-bN层、Al组分递增AlvGa1-vN层、高Al组分AlaGa1-aN层、Al组分递减AluGa1-uN层、低Al组分AlbGa1-bN层；其中高Al组分AlaGa1-aN层的Al含量范围为10％-100％；低Al组分AlbGa1-bN层中Al含量范围为0％-90％，并且高Al组分AlaGa1-aN层的Al含量大于低Al组分AlbGa1-bN层中Al含量。在一较佳实施例中：所述每个多量子阱周期中包含由下至上层叠设置的：Al组分递减AluGa1-uN层、Al组分递增AlvGa1-vN层、高Al组分AlaGa1-aN层、Al组分递减AluGa1-uN层。在一较佳实施例中：所述每个多量子阱周期中包含由下至上层叠设置的：Al组分递减AluGa1-uN层、Al组分递增AlvGa1-vN层、Al组分递减AluGa1-uN层。本专利技术还提供了一种如上所述的高阻GaN基缓冲层外延结构的制备方法，包括以下步骤：1)利用金属有机化学气相沉积设备在所选用的衬底上生长出成核层；2)在衬底上继续外延生长包含高阻AlxGa1-xN异质结的多量子阱层，所述包含高阻AlxGa1-xN异质结的多量子阱层中，每个多量子阱周期中包含高Al组分AlaGa1-aN层，Al组分递减AluGa1-uN层；具体的制备方法为；3)在包含高阻AlxGa1-xN异质结的多量子阱层上生长高阻的GaN缓冲层。本专利技术还提供了一种高阻GaN基缓冲层外延结构，包括由下至上层叠设置的：衬底、AlN成核层、至少一层包含极化掺杂超晶格的缓冲层、高阻GaN缓冲层、GaN沟道层、AlxGa1-xN势垒层；所述包含极化掺杂超晶格的缓冲层中，每个超晶格周期中包含层叠设置的低Al组分逐渐降低的极化p-型掺杂AlxGa1-xN层，Al组分逐渐增加的极化n-型掺杂AlxGa1-xN层；所述超晶格周期的个数为10-100个。本专利技术还提供了一种如上所述的高阻GaN基缓冲层外延结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)利用金属有机化学气相沉积设备在衬底上高温外延生长AlN成核层；2)在AlN成核层上生长Al组分逐渐降低的极化p-型掺杂AlxGa1-xN层，接着生长Al组分逐渐增加的极化n-型掺杂AlxGa1-xN层；重复生长10-100个周期的上述极化p-型掺杂AlxGa1-xN层和极化n-型掺杂AlxGa1-xN层，从而形成一层包含极化掺杂超晶格的缓冲层；3)根据包含极化掺杂超晶格的缓冲层的层数重复步骤2；4)在包含极化掺杂超晶格的缓冲层上生长高阻GaN缓冲层；5)在高阻GaN缓冲层上生长高质量GaN沟道层；6)在GaN沟道层上生长AlxGa1-xN势垒层。相较于现有技术，本专利技术的技术方案具备以下有益效果：本专利技术提供了一种高阻GaN基缓冲层外延结构及其制备方法，通过生长周期性的不同Al组分的AlxGa1-xN多量子阱结构，在Al组分渐变区形成具有剩余正负极化电荷的空间区域，利用正负极化电荷产生的极化电场耗尽外延材料中的背景电子浓度从而获得高阻值的GaN基缓冲层。与传统的控制MOCVD生长参数和引入金属杂质能级获得高阻值GaN方法相比，通过AlxGa1-xN多量子阱结构获得高阻GaN不仅不用担心污染反应室，而且可以获得高质量的高阻GaN基缓冲层。具体实施方式下面结合实施例，对本专利技术作进一步说明。实施例1一种高阻GaN基缓冲层外延结构，包括由下至上层叠设置的：衬底、AlN成核层、包含高阻AlxGa1-xN异质结的多量子阱层和高阻GaN缓冲层；所述包含高阻AlxGa1-xN异质结的多量子阱层中，每个多量子阱周期中包含由下至上层叠设置的：低Al组分AlbGa1-bN层、Al组分递增AlvGa1-vN层、高Al组分AlaGa1-aN层、Al组分递减AluGa1-uN层、低Al组分AlbGa1-bN层。在包含高阻AlxGa1-xN异质结的多量子阱层中，由于Al组分递减AlxGa1-xN层和Al组分递增AlxGa1-xN层存在空间分离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高阻GaN基缓冲层外延结构，其特征在于包括由下至上层叠设置的：衬底、AlN成核层、包含高阻AlxGa1‑xN异质结的多量子阱层和高阻GaN缓冲层；所述包含高阻AlxGa1‑xN异质结的多量子阱层中，每个多量子阱周期中包含高Al组分AlaGa1‑aN层，Al组分递减AluGa1‑uN层，所述多量子阱周期n的个数为10‑100个。

【技术特征摘要】
1.一种高阻GaN基缓冲层外延结构，其特征在于包括由下至上层叠设置的：衬底、AlN成核层、包含高阻AlxGa1-xN异质结的多量子阱层和高阻GaN缓冲层；所述包含高阻AlxGa1-xN异质结的多量子阱层中，每个多量子阱周期中包含高Al组分AlaGa1-aN层，Al组分递减AluGa1-uN层，所述多量子阱周期n的个数为10-100个。2.根据权利要求1所述的一种高阻GaN基缓冲层外延结构，其特征在于：所述每个多量子阱周期中包含由下至上层叠设置的：低Al组分AlbGa1-bN层、Al组分递增AlvGa1-vN层、高Al组分AlaGa1-aN层、Al组分递减AluGa1-uN层、低Al组分AlbGa1-bN层；、；其中高Al组分AlaGa1-aN层的Al含量范围为10％-100％；低Al组分AlbGa1-bN层中Al含量范围为0％-90％，并且高Al组分AlaGa1-aN层的Al含量大于低Al组分AlbGa1-bN层中Al含量。3.根据权利要求1所述的一种高阻GaN基缓冲层外延结构，其特征在于：所述每个多量子阱周期中包含由下至上层叠设置的：Al组分递减AluGa1-uN层、Al组分递增AlvGa1-vN层、高Al组分AlaGa1-aN层、Al组分递减AluGa1-uN层。4.根据权利要求1所述的一种高阻GaN基缓冲层外延结构，其特征在于：所述每个多量子阱周期中包含由下至上层叠设置的：Al组分递减AluGa1-uN层、Al组分递增AlvGa1-vN层、Al组分递减AluGa1-uN层。5.一种权利要求1所述的高阻GaN基缓冲层外延结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：房育涛，刘波亭，叶念慈，张恺玄，林志东，蔡文必，
申请(专利权)人：厦门市三安集成电路有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35