具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层及制备方法技术

技术编号:21093739 阅读:28 留言:0更新日期:2019-05-11 11:32
本发明专利技术提供了具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层,包括:由下至上依次层叠设置的衬底、成核层、具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层和GaN缓冲层:所述具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层包含多个多量子阱应力传递层,所述多个多量子阱应力传递层中Al的含量由下至上依次减少;所述多量子阱应力传递层中包括多个多量子阱周期,每一个多量子阱周期中进一步包括Al组分渐变的AluGa1‑uN渐变过渡层以及高Al组分AlaGa1‑aN势垒层和/低Al组分AlbGa1‑bN势阱层,使得所述多量子周期中每一层中Al组分含量单边递增或递减;所述多量子周期的个数为3‑100。

High Resistance GaN-based Buffer Layer with Unilateral Gradual Multiple Quantum Wells and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层及制备方法
本专利技术涉及一种电子元件,尤其涉及场效应晶体管。
技术介绍
GaN基高电子迁移率场效应晶体管(HighElectronMobilityTransistor,HEMT)外延材料的生长过程中如何获得高质量高阻值的缓冲层是GaN基HEMT外延的重要关键技术之一。在HEMT器件工作时GaN基缓冲层的漏电不仅会恶化器件高压条件下的夹断性能,使栅极对沟道电流的控制能力减弱从而恶化器件的整体性能;与此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降低电能转换效率以至于影响到器件的可靠性和使用寿命,因此GaN基缓冲层在高压下的漏电问题一直是困扰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GaN基缓冲层减少器件高压工作时寄生漏电流。另外缓冲层的缺陷密度(位错密度,掺杂等)也会直接影响到HEMT器件的二维电子气迁移率从而影响器件的导通电阻和高频特性,因此高质量的缓冲层也是提高器件性能的重要指标。通过MOCVD生长的GaN基外延材料中由于背景氧掺杂、氮空位等缺陷存在,非故意掺杂的本征GaN是一种弱N型材料具有较高的背景电子浓度(1016-1017/cm3左右),所以要获得高阻值的GaN基缓冲层首先必须想办法补偿材料中电子获得低背景浓度的缓冲层。一般获得高阻值GaN基外延材料的方法可以分为两大类:一类是通过控制在MOCVD中外延GaN过程的生长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-型杂质数量或受主缺陷态密度来补偿高的背景电子浓度进而获得低背景电子浓度高阻值GaN基缓冲层;另一种方法是通过在GaN基材料的外延生长中通入含有Fe、Cr、Mg等金属元素的外源掺杂剂在氮化镓的禁带中形成深能级缺陷或产生受主缺陷态补偿剩余载流子从而获得高阻值的GaN基缓冲层。第一种方法是通过引入晶格缺陷杂质获得高阻值GaN外延层,因此获得高阻外延层的晶体质量会变差。同时通过控制生长条件获得高阻值GaN方法对设备依赖性较强,重复性也较差而且过多缺陷态还会加剧器件的电流崩塌效应,严重影响器件的可靠性;第二种方法中所引入金属杂质一般都具有较强的记忆效应会在反应室一直有残留使得后续外延材料都有被金属杂质污染风险,因此一般需要有一台专用掺杂的MOCVD生长高阻GaN基外延材料而且残留到沟道的金属杂质会使沟道2DEG的迁移率下降影响器件特性。因此找到一种既可以获得高阻GaN基缓冲层同时又不会引入过多的杂质缺陷而造成器件高压下电流崩塌的方法是高性能GaN基HEMT器件外延生长的关键。利用氮化镓基单边渐变多量子阱异质结结构制备高阻值的氮化镓基缓冲层可以在获得高阻值氮化镓基缓冲层的同时保持氮化镓晶体质量,其中单边渐变量子阱是指量子阱两侧的界面有一侧界面是渐变过渡,一侧界面是突变过渡。氮化镓多基量子阱是AlN和GaN以及它们的合金材料组成的多量子阱,由于六方单晶AlN材料的禁带宽度为6.2eV极化强度为0.081C/cm^2,而六方单晶GaN材料的禁带宽度使3.4eV极化强度为0.029C/cm^2,因此在不同Al组分AlGaN的界面处除了能带差异外还存在大量的剩余极化电荷,从而导致界面容易形成载流子导电通道。在氮化镓基多量子阱结构中突变的界面可以有效的限制势阱中的载流子和起到阻挡载流子作用,而渐变的界面可以减小界面处极化强度的变化梯度避免界面处二维载流子导电通道的形成通过利用具有单边渐变多量子阱结构制备高阻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。
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氮化镓基缓冲层及制备方法,能够实现高阻值。为了解决上述的技术问题,本专利技术提供了具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层,包括:由下至上依次层叠设置的衬底、成核层、具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层和GaN缓冲层:所述具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层包含多个多量子阱应力传递层,所述多个多量子阱应力传递层中Al的含量由下至上依次减少;所述多量子阱应力传递层中包括多个多量子阱周期,每一个多量子阱周期中进一步包括Al组分渐变的AluGa1-uN渐变过渡层以及高Al组分AlaGa1-aN势垒层和/低Al组分AlbGa1-bN势阱层,使得所述多量子周期中每一层中Al组分含量单边递增或递减;所述多量子周期的个数为3-100。在一较佳实施例中:每一个多量子阱周期中进一步包括由下至上层叠设置的高Al组分AlaGa1-aN势垒层、Al组分递减AluGa1-uN渐变过渡层和低Al组分AlbGa1-bN势阱层;多量子周期的个数为3-100。在一较佳实施例中:所述高Al组分AlaGa1-aN势垒层的厚度为1-5nm、Al组分递减AluGa1-uN渐变过渡层的厚度为3-100nm、低Al组分AlbGa1-bN势阱层的厚度为3-100nm。本专利技术还提供了具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层的制备方法,包括如下步骤:1)在衬底上生长成核层;2)在成核层上生长具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层,所述具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层包含多个多量子阱应力传递层,所述多个多量子阱应力传递层中Al的含量由下至上依次减少;所述多量子阱应力传递层中包括多个多量子阱周期,每一个多量子阱周期中进一步包括Al组分渐变的AluGa1-uN渐变过渡层以及高Al组分AlaGa1-aN势垒层和/低Al组分AlbGa1-bN势阱层,使得所述多量子周期中每一层中Al组分含量单边递增或递减;所述多量子周期的个数为3-100;3)在具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层上生长高阻GaN缓冲层。在一较佳实施例中:所述成核层为高温AlN成核层,生长高温AlN成核层时,生长表面温度为1000-1200℃;或者所述成核层为GaN,生长GaN成核层时,生长表面温度为450-550℃;所述成核层为低温AlN成核层,生长表面温度为600-800℃。在一较佳实施例中:步骤2中,生长高Al组分AlbGa1-bN势垒层的具体参数是:MO源中TMGa的流量为0-80sccm,TMAl的流量为20-600sccm,NH3的流量为1500-30000sccm,生长表面温度1000-1100℃。在一较佳实施例中:步骤2中,生长Al组分递减AluGa1-uN渐变过渡层的具体参数是:MO源中TMGa的流量comh,TMAl的流量为0-600sccm,NH3的流量为1500-30000sccm,生长表面温度1000-1100℃.在一较佳实施例中:步骤2中,生长低Al组分AlaGa1-aN窄势阱层的具体参数是:MO源中TMAl的流量从20-600sccm到0-600sccm逐渐减小,TMGa的流量从0-80sccm到15-400sccm逐渐增加,同时NH3的流量为1500-30000sccm,生长的表面温度1000-1100℃。在一较佳实施例中:步骤3中,生长高阻GaN缓冲层的具体参数为:MO源中TMGa的流量为100~500sccm,NH3的流量为10000~15000sccm,生长表面温度为950~1本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层,其特征在于包括:由下至上依次层叠设置的衬底、成核层、具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层和GaN缓冲层:所述具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层包含多个多量子阱应力传递层,所述多个多量子阱应力传递层中Al的含量由下至上依次减少;所述多量子阱应力传递层中包括多个多量子阱周期,每一个多量子阱周期中进一步包括Al组分渐变的AluGa1‑uN渐变过渡层以及高Al组分AlaGa1‑aN势垒层和/低Al组分AlbGa1‑bN势阱层,使得所述多量子周期中每一层中Al组分含量单边递增或递减;所述多量子周期的个数为3‑100。

【技术特征摘要】
1.具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层,其特征在于包括:由下至上依次层叠设置的衬底、成核层、具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层和GaN缓冲层:所述具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层包含多个多量子阱应力传递层,所述多个多量子阱应力传递层中Al的含量由下至上依次减少;所述多量子阱应力传递层中包括多个多量子阱周期,每一个多量子阱周期中进一步包括Al组分渐变的AluGa1-uN渐变过渡层以及高Al组分AlaGa1-aN势垒层和/低Al组分AlbGa1-bN势阱层,使得所述多量子周期中每一层中Al组分含量单边递增或递减;所述多量子周期的个数为3-100。2.根据权利要求1所述的具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层,其特征在于:每一个多量子阱周期中进一步包括由下至上层叠设置的高Al组分AlaGa1-aN势垒层、Al组分递减AluGa1-uN渐变过渡层和低Al组分AlbGa1-bN势阱层;多量子周期的个数为3-100。3.根据权利要求1所述的具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层,其特征在于:所述高Al组分AlaGa1-aN势垒层的厚度为1-5nm、Al组分递减AluGa1-uN渐变过渡层的厚度为3-100nm、低Al组分AlbGa1-bN势阱层的厚度为3-100nm。4.具有单边渐变多量子阱的高阻氮化镓基缓冲层的制备方法,其特征在于包括如下步骤:1)在衬底上生长成核层;2)在成核层上生长具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层,所述具有单边渐变多量子阱氮化镓基高阻缓冲层包含多个多量子阱应力传递层,所述多个多量子阱应力传递层中Al的含量由下至上依次减少;所述多量子阱应力传递层中包括多个多量子阱周期,每一个多量子阱周期中进一步包括Al组分渐变的AluGa1-uN渐变过渡层以及高Al组分AlaGa1-aN势垒层和/低Al组分AlbGa1-bN势阱层,使得所述多量子周期中每一层中Al组分含量单边递增或递减;所述多量子周期的个数为3-100;3)在具有单...

【专利技术属性】
技术研发人员:房育涛刘波亭张恺玄杨健蔡文必
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

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