具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构及制作方法技术

本发明专利技术提供一种具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构及制作方法，该结构，包括：一衬底；一成核层，该成核层制作在衬底的上面；一非有意掺杂高阻层，该非有意掺杂氮化镓制作在成核层的上面；一非有意掺杂高迁移率沟道层，该非有意掺杂高迁移率沟道层制作在非有意掺杂高阻层的上面；一复合空间层，该复合空间层制作在非有意掺杂高迁移率沟道层的上面；一非有意掺杂势垒层，该非有意掺杂势垒层制作在复合空间层的上面；一非有意掺杂氮化镓盖帽层，该非有意掺杂氮化镓盖帽层制作在非有意掺杂铝镓氮势垒层的上面。本发明专利技术可增加对沟道二维电子气的限制作用，提高所研制器件的输出功率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体
，特别是指一种，该晶体管使用非有意掺杂氮化铝/氮化镓/氮化铝复合空间层以及高迁移率氮化镓沟道层，可以显著提高二维电子气面密度及对二维电子气的限制作用，降低异质结界面对沟道电子性能的影响，提高所研制器件的性能。
技术介绍
氮化镓基半导体材料具有优良的物理和化学特性，特别适合制备高频、高功率的场效应晶体管。氮化镓基场效应晶体管击穿电压高、工作频率高、输出功率大、抗辐射性能好，在无线通信、雷达、航空航天、汽车电子、自动化控制、石油勘探、高温辐射环境等领域有广阔的应用前景。场效应晶体管的原理为:由于组成异质结的两种材料的禁带宽度不同，在异质结界面处形成了势垒和势阱，由极化效应或调制掺杂产生的自由电子，积累在非掺杂的氮化镓层靠近界面的三角形势阱中，形成二维电子气，由于势阱中的这些电子与势垒中的电离杂质空间分离，大大降低了库伦散射，从而显著提高了材料的电子迁移率。研制成器件后，通过调节栅电极偏压可以控制异质结界面处的二维电子气密度，在一定的直流偏压下，可以对高频微波信号进行放大。二维电子气面密度和迁移率是表征场效应晶体管结构材料质量的重要参数，在减小势垒厚度的同时，提高沟道中二维电子气面密度和迁移率是在提高氮化镓基场效应晶体管工作频率的基础上，增强输出电流密度和功率密度的重要举措。在本专利技术以前，为了提高氮化镓基场效应晶体管结构材料的二维电子气面密度和迁移率，通常采取两种方法:(I)对铝镓氮势垒层进行n型掺杂，可以在一定程度上提高沟道中的二维电子气面密度。但掺杂会降低材料晶格的完整性，从而导致铝镓氮层的晶体质量下降，氮化镓和铝镓氮层之间的界面粗糙度增加，降低电子迁移率；(2)采用高Al组分势垒层AlGaN/GaN HEMT结构，随着势垒层Al组分升高，异质结带阶和极化电场增大，可显著提高二维电子气面密度。但是，Al组分较高时，大的晶格失配会导致AlGaN势垒层的晶体质量、表面和界面质量变差，应变诱生的深能级缺陷增多，使散射增强，迁移率降低；同时，当Al组分过高时，大晶格失配限制了势垒层厚度，难以产生强的二维电子气。目前通常采用的这两种方法，尤其是当势垒层厚度较薄时，提高二维电子气浓度和迁移率、减小缺陷密度方面不是特别理想。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，与不具有此复合空间层的氮化镓场效应晶体管材料相比，该晶体管结构具有更高的二维电子气面密度，能够提高沟道二维电子气的势垒高度，更加有效地限制沟道电子向势垒层方向的泄漏，由此增加对沟道二维电子气的限制作用，提高所研制器件的输出功率。本专利技术提供一种具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构，包括:—衬底；一成核层，该成核层制作在衬底的上面；一非有意掺杂高阻层，该非有意掺杂氮化镓制作在成核层的上面；一非有意掺杂高迁移率沟道层，该非有意掺杂高迁移率沟道层制作在非有意掺杂高阻层的上面；一复合空间层，该复合空间层制作在非有意掺杂高迁移率沟道层的上面；一非有意掺杂势垒层，该非有意掺杂势垒层制作在复合空间层的上面；一非有意掺杂氮化镓盖帽层,该非有意掺杂氮化镓盖帽层制作在非有意掺杂铝镓氮势垒层的上面。本专利技术还提供一种具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构的制作方法，包括如下步骤:步骤1:选择一衬底；步骤2:在衬底上生长一层低温成核层，生长厚度为0.01-0.50um；步骤3:在低温成核层上生长非有意掺杂高阻层，生长厚度为1-5 ym;步骤4:在非有意掺杂高阻层上生长非有意掺杂高迁移率沟道层，生长厚度为0-0.15 u m ；步骤5:在非有意掺杂高迁移率沟道层上生长复合空间层；步骤6:在复合空间层上生长非有意势垒层；步骤7:在非有意势垒层上生长非有意掺杂氮化镓盖帽层，完成制备。附图说明为进一步说明本专利技术的内容，以下结合附图对本专利技术作一详细的描述，其中:图1为本专利技术的具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构示意图；图2为本专利技术的具有复合空间层的氮化镓基场效应晶体管结构的制作流程图；图3(a)具有和(b)不具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管二维电子气分布和结构能带图，可以看出引入复合空间层异质结构能带提高，二维电子气面密度提高。具体实施例方式请参阅图1所示，本专利技术一种具有复合空间层的氮化镓基场效应晶体管的结构，其中包括:一衬底10，该衬底10为碳化硅衬底或蓝宝石衬底或硅衬底。一低温成核层20，该低温成核层20制作在衬底10上面。所述低温成核层20为氮化镓或氮化铝或铝镓氮，厚度为0.01-0.50 u m,优选值为0.03-0.30 u m。一非有意掺杂高阻层30，该非有意掺杂高阻层30制作在低温成核层20上面。所述非有意掺杂高阻层30的材料为氮化镓或铝镓氮，厚度为l-5i!m，室温电阻率大于IXlO6Q.cm，优选值大于IXlO8Q * cm0若非有意掺杂高阻层30为铝镓氮为AlyGa1J,则0< y < 0.20。该高阻层30的作用有四个，一是作为缓冲层减小衬底和外延层之间的晶格失配，提高外延层的晶体质量，二是作为高阻层减小器件漏电，三是作为背势垒层抬高沟道在缓冲层衬底一侧的势垒高度，降低沟道电子在高场下的缓冲层泄漏，提高材料和器件的稳定性，四是提高器件的击穿电压，提器件的输出功率。一非有意掺杂高迁移率沟道层40，该非有意掺杂高迁移率沟道层40制作在非有意掺杂高阻层30上面。所述高迁移率层沟道层40为非有意掺杂氮化镓，厚度为0-0.15 u m。该高迁移率层40为二维电子气提供了一个良好的通道，同时也显著提高了沟道二维电子气迁移率。一复合空间层50，该复合空间层50制作在非有意掺杂高迁移率氮化镓沟道层40上面。该复合空间层50包括:第一氮化铝层51、氮化镓层52、第二氮化铝层53，厚度分别为0.7-3nm、l-5nm、0.7_3nm。此有多层结构的空间层中通过引入极化效应很强的氮化铝薄层提高异质结构材料内部的极化电场，诱导产生面密度更高的沟道二维电子气，提高所研制器件的输出功率及其它性能，同时禁带宽度较宽的氮化铝可以提高三角形势阱的深度，提高对沟道电子的限制作用，更加有效的限制沟道电子向势垒层方向的转移；两个氮化铝薄层中间的氮化镓薄层，其反向极化效应将沟道电子向远离异质结构界面的沟道层内部转移，减小异质结界面对沟道电子的影响，提高电子在强场、高温等条件下的稳定性。 一非有意掺杂铝镓氮势垒层60，该非有意掺杂铝镓氮势垒层60制作在复合空间层50上面。所述非有意掺杂铝镓氮势垒层60为AlxGai_xN，生长厚度为6.5-26.5nm，铝组分为0.10 < X < 0.35。该非有意掺杂铝镓氮势垒层60由极化效应形成沟道二维电子；一非有意掺杂氮化镓盖帽层70，该非有意掺杂氮化镓盖帽层70制作在非有意掺杂铝镓氮势垒层60上面。所述非有意掺杂氮化镓盖帽层80厚度为l-5nm。该非有意掺杂氮化镓盖帽层80作为帽层能降低器件工艺难度。请参阅图1、图2所示，本专利技术还提供一种具有复合空间层的氮化镓基场效应晶体管的制作方法，包括如下步骤:步骤1:选择一衬底10，该衬底10为碳化硅衬底或蓝宝石衬底或硅衬底；步骤2:在衬底10上生长一层低温成核层20，生长厚度为0.01-0.50 U m0其中所述的低温成核层20的生长温度为500-600°C，生长压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有复合空间层的氮化镓场效应晶体管结构，包括：一衬底；一成核层，该成核层制作在衬底的上面；一非有意掺杂高阻层，该非有意掺杂氮化镓制作在成核层的上面；一非有意掺杂高迁移率沟道层，该非有意掺杂高迁移率沟道层制作在非有意掺杂高阻层的上面；一复合空间层，该复合空间层制作在非有意掺杂高迁移率沟道层的上面；一非有意掺杂势垒层，该非有意掺杂势垒层制作在复合空间层的上面；一非有意掺杂氮化镓盖帽层，该非有意掺杂氮化镓盖帽层制作在非有意掺杂铝镓氮势垒层的上面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王翠梅，王晓亮，彭恩超，肖红领，冯春，姜丽娟，陈竑，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：