碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构及其制作方法技术

本公开提供了一种碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构及其制作方法，其碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构沿外延生长方向依次包括：衬底、成核层、缓冲层、沟道层、插入层和势垒层；所述成核层外延生长在所述衬底上；所述缓冲层外延生长在所述成核层上；所述缓冲层的碳杂质浓度大于或等于10

【技术实现步骤摘要】
碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构及其制作方法
本公开涉及半导体领域，尤其涉及一种碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构及其制作方法。
技术介绍
氮化镓(GaN)基材料具有禁带宽、击穿电压高、电子迁移率高的优点，成为半导体领域的研究热点。尤其是在微波通信领域有良好的应用前景，可广泛应用于5G通信、毫米波雷达等方面。但是由于GaN与异质衬底之间存在晶格失配和热失配，如GaN与蓝宝石衬底之间的晶格失配为16％，与硅衬底之间的晶格失配为17％、热失配为54％，与碳化硅(SiC)之间的晶格失配为3.4％。失配的存在限制了异质外延生长的GaN的晶体质量，使得GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)的缓冲层中存在穿透位错，穿透位错形成纵向漏电通道，导致缓冲层电阻率下降，极大地影响了GaN基HEMT的性能。然而，如果采用引入额外的掺杂源的方式对缓冲层进行掺杂来提高缓冲层电阻率，残留在反应室的掺杂源可能会影响后续沟道层的生长，使得沟道层迁移率下降，也会降低器件性能。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构及其制作方法，以解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构，所述外延结构沿外延生长方向依次包括：衬底、成核层、缓冲层、沟道层、插入层和势垒层；所述成核层外延生长在所述衬底上；所述缓冲层外延生长在所述成核层上；所述缓冲层的碳杂质浓度大于或等于1017cm-3；所述沟道层外延生长在所述缓冲层上；所述沟道层的碳杂质浓度小于或等于1017cm-3；所述插入层外延生长在所述沟道层上；所述势垒层外延生长在所述插入层上。在本公开的一些实施例中，所述外延生长方向为外延氮化物的[0001]方向，所述外延生长方向所对应的晶面为极性面(0001)面。根据本公开的一个方面，还提供了一种碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构的制作方法，包括：在衬底上沿外延生长方向生长成核层；在所述成核层上沿外延生长方向生长缓冲层，其中，反应室压力为30-100Torr；所述缓冲层的碳杂质浓度大于或等于1017cm-3；在所述缓冲层上沿外延生长方向生长沟道层；其中，反应室压力为100-300Torr，所述沟道层的碳杂质浓度小于或等于1017cm-3；在所述沟道层上沿外延生长方向生长插入层；在所述插入层上沿外延生长方向生长势垒层。在本公开的一些实施例中，其中，所述外延生长方向为外延氮化物的[0001]方向，所述外延生长方向所对应的晶面为极性面(0001)面。在本公开的一些实施例中，所述缓冲层材料为GaN，所述缓冲层的生长温度为1000-1100℃，所述缓冲层的生长厚度为1-3μm。在本公开的一些实施例中，所述沟道层材料为GaN，所述沟道层的生长温度为1000-1100℃，所述沟道层的生长厚度为0.01-0.03μm。在本公开的一些实施例中，所述衬底材料为蓝宝石、SiC和GaN中一种或多种。在本公开的一些实施例中，所述成核层材料为GaN、AlGaN和AlN中一种或多种；所述成核层的生长厚度为0.01-0.04μm。在本公开的一些实施例中，所述插入层材料为AlN；所述插入层的生长厚度为1-5nm。在本公开的一些实施例中，所述势垒层材料为AlxGa1-xN，其中0≤x≤0.4；所述势垒层的生长厚度为0.01-0.03μm。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构及其制作方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)本公开中高碳杂质浓度的缓冲层能够提供高电阻，有效抑制缓冲层漏电。(2)本公开中通过调控压力室压力，调节缓冲层和沟道层的碳杂质浓度，以实现缓冲层的高电阻和沟道层的高迁移率。(3)本公开中在制备缓冲层时未引入额外的掺杂源，避免了额外的掺杂源对后续生长的沟道层的影响，利于改善器件性能。附图说明图1为本公开实施例碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构的示意图。图2为本公开实施例碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构的制作方法的示意图。【附图中本公开实施例主要元件符号说明】1-衬底；2-成核层；3-缓冲层；4-沟道层；5-插入层；6-势垒层。具体实施方式本公开提供了一种碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构及其制作方法，其碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构沿外延生长方向依次包括：衬底、成核层、缓冲层、沟道层、插入层和势垒层；所述成核层外延生长在所述衬底上；所述缓冲层外延生长在所述成核层上；所述缓冲层的碳杂质浓度大于或等于1017cm-3；所述沟道层外延生长在所述缓冲层上；所述沟道层的碳杂质浓度小于或等于1017cm-3；所述插入层外延生长在所述沟道层上；所述势垒层外延生长在所述插入层上。本公开中高碳杂质浓度的缓冲层能够提供高电阻，能够有效抑制缓冲层漏电。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构。图1为本公开实施例碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构的示意图。如图1所示，本公开碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构沿外延生长方向依次包括：衬底1、成核层2、缓冲层3、沟道层4、插入层5和势垒层6。其中，外延生长方向所对应的晶面为极性面(0001)面。以下分别对本实施例碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构的各个组成部分进行详细描述。衬底1，衬底1可以为(0001)面蓝宝石、(0001)面SiC或(0001)面GaN。成核层2，成核层2材料为GaN、AlGaN和AlN中一种或多种，成核层2的生长厚度为0.01-0.04μm。缓冲层3，缓冲层3材料为GaN，缓冲层3的生长厚度为1-3μm，缓冲层3的碳杂质浓度大于或等于1017cm-3。缓冲层3的高碳杂质浓度能够提供高电阻，有效抑制缓冲层3漏电。沟道层4，沟道层4材料为GaN，沟道层4的生长厚度为0.01-0.03μm，沟道层4的碳杂质浓度小于或等于1017cm-3。沟道层4的低碳杂质浓度能够实现沟道层4的高迁移率。插入层5，插入层5材料为AlN，插入层5的生长厚度为1-5nm。势垒层6，势垒层6材料为AlxGa1-xN，其中0≤x≤0.4；所述势垒层6的生长厚度为0.01-0.03μm。本公开提供的碳掺杂调控的GaN基HEMT外延本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构，所述外延结构沿外延生长方向依次包括：衬底、成核层、缓冲层、沟道层、插入层和势垒层；/n所述成核层外延生长在所述衬底上；/n所述缓冲层外延生长在所述成核层上；所述缓冲层的碳杂质浓度大于或等于10

【技术特征摘要】
1.一种碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构，所述外延结构沿外延生长方向依次包括：衬底、成核层、缓冲层、沟道层、插入层和势垒层；
所述成核层外延生长在所述衬底上；
所述缓冲层外延生长在所述成核层上；所述缓冲层的碳杂质浓度大于或等于1017cm-3；
所述沟道层外延生长在所述缓冲层上；所述沟道层的碳杂质浓度小于或等于1017cm-3；
所述插入层外延生长在所述沟道层上；
所述势垒层外延生长在所述插入层上。


2.根据权利要求1所述的碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构，其中，所述外延生长方向为外延氮化物的[0001]方向，所述外延生长方向所对应的晶面为极性面(0001)面。


3.一种碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构的制作方法，包括：
在衬底上沿外延生长方向生长成核层；
在所述成核层上沿外延生长方向生长缓冲层，其中，反应室压力为30-100Torr；所述缓冲层的碳杂质浓度大于或等于1017cm-3；
在所述缓冲层上沿外延生长方向生长沟道层；其中，反应室压力为100-300Torr，所述沟道层的碳杂质浓度小于或等于1017cm-3；
在所述沟道层上沿外延生长方向生长插入层；
在所述插入层上沿外延生长方向生长势垒层。


4.根据权利要求3所述的碳掺杂调控的GaN基HEMT外延结构的制作方法，其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王柏斌，赵德刚，梁锋，杨静，刘宗顺，陈平，朱建军，
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：北京;11