一种GaN基HEMT器件外延结构制造技术

本发明专利技术涉及一种GaN基HEMT器件外延结构，包括自下而上依次设置的衬底、成核层、缓冲层、双掺杂GaN层、本征GaN沟道层、AIN隔离层、双掺杂AlxGa1‑xN势垒层和GaN盖帽层；其中，双掺杂GaN层包括自上而下依次设置的n型掺杂GaN外延层、非掺杂GaN外延层和p型掺杂GaN外延层；双掺杂AlxGa1‑xN势垒层包括自下而上依次的n型掺杂AlxGa1‑xN外延层、非掺杂AlxGa1‑xN外延层和p型掺杂AlxGa1‑xN外延层，且双掺杂AlxGa1‑xN势垒层中Al元素的摩尔含量x满足0.2

An epitaxial structure of GaN based HEMT devices

The present invention relates to an epitaxial structure of a GaN based HEMT device, including a substrate, a nucleation layer, a buffer layer, a dual doped GaN layer, an intrinsic GaN channel layer, a AIN isolation layer, a dual doping AlxGa1 barrier xN barrier layer and a GaN cap layer, in which the dual doping GaN layer consists of a n type GaN epitaxial layer set from up and down from top to bottom. The undoped GaN epitaxial layer and the P type doped GaN epitaxial layer, the double doped AlxGa1 xN barrier layer includes the N doped AlxGa1 xN epitaxial layer, the undoped AlxGa1 xN epitaxial layer and the P doped AlxGa1 epitaxial layer, and the mole content of the element is satisfied by 0.2

【技术实现步骤摘要】
一种GaN基HEMT器件外延结构
本专利技术属于半导体电力电子器件制造领域，特别涉及一种GaN基HEMT器件外延结构。
技术介绍
GaN作为第三代半导体材料，由于其宽禁带、高击穿电场和良好的耐辐射耐高温特性，已成为现代国际上研究的热点。GaN材料特有的极化效应以及高电子饱和速度，使得GaN基器件成为良好的微波功率器件。自AlGaN/GaN异质结HEMT器件首次报道以来，随着生长技术的进步，材料特性的提高以及器件研制工艺的改进，其输出功率密度等器件特性稳步提升。随着无线通讯市场的快速进步以及传统军事应用的持续跟进，GaN基HEMT器件的应用领域不断拓宽，逐渐向着高电压高频率方向发展。然而随着器件开启电压的不断增大，会在栅漏之间产生大电场，电子从栅隧穿到AlGaN表面，被栅漏之间的表面态俘获，导致耗尽区向漏端延伸，形成虚栅，沟道中的高浓度二维电子气2DEG减少，器件出现电流崩塌效应。此外，为了提高器件的频率特性，器件的栅长应尽可能地小，但随着栅长的缩短，GaN基HEMT器件会出现明显的短沟道效应。短沟道效应使器件的亚阈值电流增加、阈值电压漂移、饱和特性退化、跨导降低、频率特性变差。为了改善电流崩塌和短沟道效应，可采用盖帽层、器件钝化、场板，减薄势垒层厚度等技术。然而这其中AlGaN势垒层减薄势必会导致极化效应的削弱，从而减少高浓度二维电子气2DEG面密度，降低器件的开关速度。这一矛盾始终存在于高压高频GaN基HEMT器件之中。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种GaN基HEMT器件外延结构，在高压高频的条件下，保持AlGaN势垒层较薄，仍能够获得具有较强极化效应的AlGaN/GaN异质结HEMT器件。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：一种GaN基HEMT器件外延结构，其创新点在于：包括自下而上依次设置的衬底、成核层、缓冲层、双掺杂GaN层、本征GaN沟道层、AIN隔离层、双掺杂AlxGa1-xN势垒层和GaN盖帽层；其中，双掺杂GaN层包括自上而下依次设置的n型掺杂GaN外延层、非掺杂GaN外延层和p型掺杂GaN外延层；双掺杂AlxGa1-xN势垒层包括自下而上依次设置的n型掺杂AlxGa1-xN外延层、非掺杂AlxGa1-xN外延层和p型掺杂AlxGa1-xN外延层，且双掺杂AlxGa1-xN势垒层中Al元素的摩尔含量x满足0.2<x<0.5。进一步地，所述衬底为可外延生长极性Ⅲ族氮化物材料的常用衬底材料、极性氮化镓或极性氮化铝中的任一种，且所述常用衬底材料为蓝宝石、硅、碳化硅或氧化锌中的任一种。进一步地，所述成核层为550-700℃的温度条件下生长在衬底上的极性AlN或GaN岛状结构，其厚度为5～20nm。进一步地，所述缓冲层为1100-1300℃的温度条件下生长在成核层上的极性AlN或GaN层状结构。进一步地，所述n型掺杂GaN外延层的厚度为10～50nm、非掺杂GaN外延层的厚度为50～5000nm以及p型掺杂GaN外延层的厚度为10～50nm；且n型掺杂GaN外延层利用Si、S或Se进行掺杂，电子浓度为1×1015~1×1020cm-3；p型掺杂GaN外延层利用Mg、Be或Zn进行掺杂，空穴浓度为1×1015~1×1019cm-3。进一步地，所述本征GaN沟道层，为生长在双掺杂GaN层上的极性高阻GaN，其厚度为5～50nm，极性高阻GaN再与AlN隔离层的界面处形成高浓度二维电子气的沟道。进一步地，所述AlN隔离层，为生长在本征GaN沟道层上的厚度为1～5nm的极性AlN材料。进一步地，所述n型掺杂AlxGa1-xN外延层的厚度为2～10nm、非掺杂AlxGa1-xN外延层的厚度为5～50nm以及p型掺杂AlxGa1-xN外延层的厚度为2～10nm；且n型掺杂AlxGa1-xN外延层利用Si、S或Se进行掺杂，电子浓度为1×1015～1×1020cm-3；p型掺杂AlxGa1-xN外延层利用Mg、Be或Zn进行掺杂，空穴浓度为1×1015～1×1019cm-3。进一步地，所述GaN盖帽层为生长在双掺杂AlxGa1-xN势垒层上的厚度为1～5nm的极性GaN材料。本专利技术的优点在于：采用本专利技术提供的双掺杂AlGaN/GaN异质结HEMT，通过对GaN和AlGaN势垒层的上下界面处分别进行n掺杂和p掺杂，使材料内部形成与自发极化电场方向相同的附加电场，从而增强其极化效应，提高异质结附近势垒对电子的束缚作用，增大高浓度二维电子气（2DEG）面密度，同时使掺杂原子和载流子在空间上进一步得到分离，减小了二者之间的库仑作用及杂质散射的影响，尤其在较薄的AlGaN势垒中效果十分显著。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术GaN基HEMT器件外延结构的结构示意图。图2为图1中双掺杂GaN层的结构示意图。图3为图1中双掺杂AlxGa1-xN势垒层的结构示意图。图4为掺杂外延层极化电场增强原理示意图。具体实施方式下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本专利技术，但并不因此将本专利技术限制在所述的实施例范围之中。实施例本实施例GaN基HEMT器件外延结构，如图1所示，包括自下而上依次设置的衬底101、成核层102、缓冲层103、双掺杂GaN层104、本征GaN沟道层105、AIN隔离层106、双掺杂AlxGa1-xN势垒层107和GaN盖帽层108。如图2所示，为本专利技术提供的双掺杂GaN层104的放大断面结构，包括自上而下依次设置的n型掺杂GaN外延层1041、非掺杂GaN外延层1042和p型掺杂GaN外延层1043。如图3所示，为本专利技术提供的双掺杂AlxGa1-xN势垒层107的放大断面结构，包括自下而上依次的n型掺杂AlxGa1-xN外延层1071、非掺杂AlxGa1-xN外延层1072和p型掺杂AlxGa1-xN外延层1073，且双掺杂AlxGa1-xN势垒层107中Al元素的摩尔含量x满足0.2<x<0.5。本实施例中，成核层102厚度为10nm，缓冲层103厚度为200nm，p型掺杂GaN层1041厚度为20nm，非掺杂GaN层1042厚度为200nm，n型掺杂GaN层1043厚度为20nm，本征GaN沟道层105厚度为50nm，AlN隔离层106厚度为2nm，p型掺杂AlxGa1-xN层1071厚度为5nm，非掺杂AlxGa1-xN层1072厚度为20nm，n型掺杂AlxGa1-xN层1073厚度为5nm，GaN盖帽层108厚度为4nm。本实施例，在具体实施时，衬底101为4英寸Si衬底，成核层102为极性c面(0001)GaN岛状随机分布结构，缓冲层103为极性c面(0001)GaN岛状结构合并而成的层状结构。双掺杂GaN层104中n型掺杂GaN外延层1043利用Si进行掺杂，Si掺杂的电子浓度为1×1015～1×1020cm-3；p型掺杂GaN外延层1041利用Mg进行掺杂，Mg掺杂的空穴浓度为1×1015～1×1019cm-3。本征GaN沟道层105为非掺杂极性c面(0001)GaN，与上层双掺杂AlxGa1-xN势垒层107形成异质结，由于自发极化和掺杂而产生强烈的极化电场，在上界面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaN基HEMT器件外延结构，其特征在于：包括自下而上依次设置的衬底、成核层、缓冲层、双掺杂GaN层、本征GaN沟道层、AIN隔离层、双掺杂AlxGa1‑xN势垒层和GaN盖帽层；其中，双掺杂GaN层包括自上而下依次设置的n型掺杂GaN外延层、非掺杂GaN外延层和p型掺杂GaN外延层；双掺杂AlxGa1‑xN势垒层包括自下而上依次设置的n型掺杂AlxGa1‑xN外延层、非掺杂AlxGa1‑xN外延层和p型掺杂AlxGa1‑xN外延层，且双掺杂AlxGa1‑xN势垒层中Al元素的摩尔含量x 满足0.2

【技术特征摘要】
1.一种GaN基HEMT器件外延结构，其特征在于：包括自下而上依次设置的衬底、成核层、缓冲层、双掺杂GaN层、本征GaN沟道层、AIN隔离层、双掺杂AlxGa1-xN势垒层和GaN盖帽层；其中，双掺杂GaN层包括自上而下依次设置的n型掺杂GaN外延层、非掺杂GaN外延层和p型掺杂GaN外延层；双掺杂AlxGa1-xN势垒层包括自下而上依次设置的n型掺杂AlxGa1-xN外延层、非掺杂AlxGa1-xN外延层和p型掺杂AlxGa1-xN外延层，且双掺杂AlxGa1-xN势垒层中Al元素的摩尔含量x满足0.2<x<0.5。2.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件外延结构，其特征在于：所述衬底为可外延生长极性Ⅲ族氮化物材料的常用衬底材料、极性氮化镓或极性氮化铝中的任一种，且所述常用衬底材料为蓝宝石、硅、碳化硅或氧化锌中的任一种。3.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件外延结构，其特征在于：所述成核层为550-700℃的温度条件下生长在衬底上的极性AlN或GaN岛状结构，其厚度为5～20nm。4.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件外延结构，其特征在于：所述缓冲层为1100-1300℃的温度条件下生长在成核层上的极性AlN或GaN层状结构。5.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件外延结构，其特征在于：所述n型掺杂GaN外延层的厚度为10～50nm、非掺杂GaN外延层的厚度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：何佳琦，王书昶，孙智江，
申请(专利权)人：海迪科南通光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32