本发明专利技术公开了一种金刚石衬底上的N极性面GaN/InAlN异质结及其制备方法，主要解决现有GaN基HEMT器件在大功率应用下的散热能力差和欧姆接触电阻的问题。其自下而上包括：衬底(1)、缓冲层(2)、GaN层(3)、InAlN外延层(4)和GaN帽层(5)。其中衬底(1)采用金刚石材料，用于外延生长异质结，以增强异质结的散热能力；缓冲层(2)采用BN材料，用于提高外延层质量；GaN层(3)采用N极性面GaN，用于降低欧姆接触电阻。本发明专利技术改善了GaN/InAlN异质结的散热能力，同时降低了欧姆接触电阻，从而为器件在大功率下的工作奠定了基础，可用制作高频、大功率高电子迁移率晶体管器件。
【技术实现步骤摘要】
金刚石衬底上的N极性面GaN/InAlN异质结及制备方法
本专利技术属于微电子
，特别涉及一种金刚石衬底上的N极性面GaN/InAlN异质结，可应用于高频、高功率GaN基HEMT器件。技术背景目前，随着GaN基微波功率器件迅速发展，高频、大功率、高效率的GaNHEMT微波功率器件和MMIC产品不断推出。但是，随着高频、大功率和体积的减小，芯片有源区的热积累效应迅速增加，导致散热问题成为GaN基功率器件进一步发展的主要技术瓶颈之一。传统的GaN基功率器件主要在蓝宝石、碳化硅等衬底材料上生长，这些材料的热导率都比较低，无法及时将器件产生的大量热量散发出去，从而导致器件结温上升，输出功率密度以及效率等性能迅速恶化。基于传统的衬底材料的GaN基功率器件，由于受到衬底和外延材料本身导热能力的限制，仅通过被动冷却技术和传统封装级散热技术也很难满足器件高频、高功率条件下的散热需求。传统的GaN基HEMT器件是在蓝宝石衬底或碳化硅衬底上，外延生长Ga极性面AlGaN/GaN异质结。该异质结，如图1所示，自下而上包括蓝宝石衬底/碳化硅衬底、GaN层、AlGaN层和GaN帽层。在极化效应的作用下，AlGaN/GaN异质结沟道中能够产生高密度、高迁移率的二维电子气，从而形成具有高频特性的HEMT器件。这种Ga极性面的异质结构在制作欧姆接触电极时，要实现源/漏端与二维电子气的连接，需要穿过禁带宽度较大的AlGaN势垒层，这样很难获得低的欧姆接触电阻。此外，当Al组分较高时，AlGaN/GaN异质结构的势垒层会受到较强的压电效应，长时间在高压下工作，会造成器件栅极的电流退化，极大降低器件的电学可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种金刚石衬底上的N极性面GaN/InAlN异质结及制备方法，以增强异质结的散热能力、降低欧姆接触电阻，从而改善器件在大功率下工作的性能。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：1.一种金刚石衬底上的N极性面GaN/InAlN异质结构，其自下而上包括：衬底、缓冲层、GaN层、InAlN外延层和GaN帽层，其特征在于：所述衬底，其采用金刚石材料，用于外延生长异质结，以增强异质结的散热能力，改善器件在大功率工作下的性能；所述缓冲层，其采用BN材料，用于生长外延结构的缓冲层，以提高外延层质量；所述GaN层，其采用N极性面GaN，用于形成N极性外延结构，以降低欧姆接触电阻。进一步，所述的缓冲层，其厚度为5-100nm。进一步，所述的GaN层，其厚度为500-2000nm。进一步，所述的InAlN外延层，其厚度为20-1000nm，In组分为17％，Al组分为83％。进一步，所述的GaN帽层，其厚度为20-25nm。2.一种金刚石衬底上的N极性面GaN/InAlN异质结的制备方法，包括如下步骤：1)热处理：将金刚石衬底经过打磨和清洗之后，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低到小于2×10-2Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为20-760Torr条件下，将衬底加热到温度为900-1200℃，并保持5-10min，完成对衬底基片的热处理；2)在热处理后的金刚石衬底上采用MOCVD工艺生长度5-100nm厚的BN外延层；3)在氮气氛围下，对BN外延层进行氮化处理；4)在氮化处理后的BN上，采用MOCVD工艺生长500-2000nm的N极性GaN外延层；5)在N极性GaN上采用MOCVD工艺生长厚度为20-1000nm，In组分为17％，Al组分为83％的InAlN层；6)在InAlN层上采用MOCVD工艺生长厚度为20nm的GaN层。完成对InAlN/GaN异质结的制备。本专利技术具有以下优点：第一，本专利技术由于采用了金刚石作为衬底材料，极大的提高了器件的散热能力，为器件在更高频率和更高功率的工作条件下使用提供了条件。第二，本专利技术由于在金刚石衬底上采用了晶格匹配InAlN/GaN异质结，实现了界面晶格匹配，异质结内部无压电极化效应，同时沟道二维电子气的浓度更高，大大提高了器件的可靠性。第三，本专利技术由于在金刚石衬底上采用了N极性面GaN外延结构，具有更好的2DEG限域性、更强的短沟道效应抑制能力和更低的欧姆接触电阻，改善了器件的功率和频率特性。附图说明图1是传统AlGaN/GaN异质结结构图；图2是本专利技术N极性面GaN/InAlN异质结结构图；图3是本专利技术制作N极性面GaN/InAlN异质结的流程示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。参照图2，本专利技术的GaN/InAlN异质结包括：衬底1，缓冲层2，GaN外延层3，InAlN层4和GaN帽层5。该衬底1采用金刚石材料，用于外延生长异质结，以增强异质结的散热能力，改善器件在大功率工作下的性能；该缓冲层2采用BN材料，用于生长外延结构的缓冲层，提高外延层质量，其位于衬底1上，厚度为5-100nm；该GaN外延层3采用N极性面GaN材料，用于形成N极性外延结构，以降低欧姆接触电阻，其厚度为500-2000nm，且位于缓冲层2之上；该InAlN层4位于GaN外延层3上，其厚度为20-1000nm，且In组分为17％，Al组分为83％；该GaN帽层5位于InAlN层4之上，其厚度为20nm-25nm。参照图3，本专利技术给出制备金刚石衬底上的N极性面GaN/InAlN异质结的三种实施例。实施例1，在金刚石衬底上制备BN缓冲层厚度为5nm，N极性面GaN外延层厚度为500nm，InAlN层厚度为20nm，GaN帽层厚度为20nm的N极性面GaN/InAlN异质结。步骤一，对金刚石衬底进行热处理，如图3(a)。将金刚石衬底经过打磨和清洗之后，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至2×10-2Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为20Torr条件下，将衬底加热到温度为1000℃，并保持5min，完成对衬底基片的热处理。步骤二，生长BN缓冲层，如图3(b)。在金刚石衬底上采用MOCVD工艺，在反应室温度为1000℃的条件下，调整反应室压力为400Torr，同时通入流量为5000sccm的氨气和流量为15sccm的硼源，生长厚度为5nm的BN外延层。步骤三，对BN缓冲层进行氮化处理。将生长BN缓冲层后的金刚石衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，设置反应室温度为1000℃，调整反应室压力为20Torr，通入流量为2000sccm的氨气，对衬底基片进行10min的氮化处理。步骤四，生长N极性GaN外延层，如图3(c)。设置反应室温度为1000℃，再向反应室同时通入流量为2000sccm的氨气和流量为100sccm的镓源，并保持压本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种金刚石衬底上的N极性面GaN/InAlN异质结构，其自下而上包括：衬底(1)、缓冲层(2)、GaN层(3)、InAlN外延层(4)和GaN帽层(5)，其特征在于：/n所述衬底(1)，其采用金刚石材料，用于外延生长异质结，以增强异质结的散热能力，改善器件在大功率工作下的性能；/n所述缓冲层(2)，其采用BN材料，用于生长外延结构的缓冲层，以提高外延层质量；/n所述GaN层(3)，其采用N极性面GaN，用于形成N极性外延结构，以降低欧姆接触电阻。/n
【技术特征摘要】
1.一种金刚石衬底上的N极性面GaN/InAlN异质结构，其自下而上包括：衬底(1)、缓冲层(2)、GaN层(3)、InAlN外延层(4)和GaN帽层(5)，其特征在于：
所述衬底(1)，其采用金刚石材料，用于外延生长异质结，以增强异质结的散热能力，改善器件在大功率工作下的性能；
所述缓冲层(2)，其采用BN材料，用于生长外延结构的缓冲层，以提高外延层质量；
所述GaN层(3)，其采用N极性面GaN，用于形成N极性外延结构，以降低欧姆接触电阻。
2.根据权利要求1所述的异质结，其特征在于：所述的缓冲层(2)，其厚度为5-100nm。
3.根据权利要求1所述的异质结，其特征在于：
所述的GaN层(3)，其厚度为500-2000nm；
所述的GaN帽层(5)，其厚度为20-25nm。
4.根据权利要求1所述的异质结，其特征在于：所述的InAlN外延层(4)，其厚度为20-1000nm，In组分为17％，Al组分为83％。
5.根据权利要求1所述的异质结，其特征在于：一种金刚石衬底上的N极性面GaN/InAlN异质结的制备方法，包括如下步骤：
1)热处理：
将金刚石衬底经过打磨和清洗之后，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低到小于2×10-2Torr；
向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为20-60Torr条件下，将衬底加热到温度为900-1200℃，并保持5-10min，完成对衬底基片的热处理；
2)在热处理后的金刚石衬底上采用MOCVD工艺生长度5-100nm厚的BN外延层；
3)在氮气氛围下，对BN外延层进行氮化处理；
4)在氮化处理后的BN上，采用MOCVD工艺生长500-2000nm的N极性GaN外延层；
5)在N极性GaN上采用MOCVD工艺生长厚度为20-1000nm，In组分为17％，Al组分为83％的InA...
【专利技术属性】
技术研发人员：许晟瑞，彭利萍，许文强，张金风，张怡，张雅超，任泽阳，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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