HEMT器件、基于GaN衬底的HEMT外延结构及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种HEMT器件、基于GaN衬底的HEMT外延结构及制作方法。所述基于GaN衬底的HEMT外延结构包括在N面极性的半绝缘GaN衬底上依次形成的界面处理层、势垒层、隔离层、沟道层和接触层。本发明专利技术基于N面GaN衬底的特性，提出全新外延结构的HEMT器件，与传统结构相比具有更高的频率特性；以及，GaN衬底以及半绝缘特性能够通过前期制备完成，可以避免后期生长高阻外延层带来的不利影响；并且同质外延不存在异质衬底上高密度位错缓冲层的问题，在外延前进行适当的界面处理，可完全阻断漏电通道的产生。产生。产生。

【技术实现步骤摘要】
HEMT器件、基于GaN衬底的HEMT外延结构及制作方法


[0001]本专利技术涉及一种HEMT器件，特别涉及一种HEMT器件、基于GaN衬底的HEMT外延结构及制作方法，属于半导体


技术介绍

[0002]目前的GaN基HEMT器件大都在SiC/Si等异质衬底上制备，如图1所示，一种基于SiC异质衬底的HEMT外延结构，其在制作过程中需要先沉积AlN缓冲层，目的是减少与GaN的晶格失配；在缓冲层过渡后，继续生长掺铁或碳的高阻GaN层，高阻GaN层上依次为叠设的GaN沟道层、AlN隔离层、AlGaN势垒层和GaN冒层结构；其中，GaN沟道层和AlGaN势垒层的界面处会形成一个很大的势阱，电子被限制在这个薄层内，在沟道层形成高密度的二维电子气(2DEG)，AlN隔离层很薄，可以改善界面质量，减少散射，提高电子迁移率，同时还可以提高导带的不连续性，增加2DEG的密度；GaN冒层的目的是降低栅电场、抑制栅电流，降低表面氧化物的生成，整个GaN基HEMT器件为Ga面极性。
[0003]虽然外延技术的进步使晶体质量得以提高，但随着高频领域—如微波加热、5G系统通信等新应用，对器件的输出效率的需求进一步提升，由于异质衬底上的缓冲层存在高密度位错，以及GaN冒层与钝化层(通常SiN)之间的界面处会形成电子流失的漏电通道，从而导致电流崩塌，制约着GaN基HEMT性能的提高；同时，异质衬底在缓冲层以上需要生长约2～4微米的高阻GaN层，高阻GaN层通常需要掺铁或掺碳，这会使掺杂的记忆效应的风险存在于后续生长中，同样对器件的质量造成不利影响。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种HEMT器件、基于GaN衬底的HEMT外延结构及制作方法，以克服现有技术中的不足。
[0005]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0006]本专利技术实施例提供了一种基于GaN衬底的HEMT外延结构，其包括在N面极性的半绝缘GaN衬底上依次形成的界面处理层、势垒层、隔离层和沟道层。
[0007]本专利技术实施例还提供了如所述HEMT外延结构的制作方法，其包括：
[0008]提供N面极性的半绝缘GaN衬底；
[0009]在N面极性的半绝缘GaN衬底上生长形成界面处理层，并且所述界面处理层的生长条件包括：以50-80％的氢气和20-50％的氨气为原料，于1050C～1100C、400～700mbar条件下反应5～10分钟，然后以0～50umol/min的流量通入Al源；
[0010]在所述界面处理层上依次生长势垒层、隔离层和沟道层。
[0011]本专利技术实施例还提供了一种HEMT器件，其包括：
[0012]所述的HEMT外延结构；
[0013]以及，与所述HEMT外延结构配合的源极、漏极和栅极，所述栅极分布在源极和漏极之间。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的优点包括：
[0015]1)本专利技术实施例提供的基于GaN衬底的HEMT外延结构中的GaN衬底以及半绝缘特性能够通过前期制备完成，可以避免后期生长高阻外延层带来的不利影响；
[0016]2)本专利技术实施例提供的基于GaN衬底的HEMT外延结构中，同质外延不存在异质衬底上高密度位错缓冲层的问题，在外延生长中进行适当的界面处理，可完全阻断漏电通道的产生；
[0017]3)GaN是极性材料，N面极性GaN材料的接触电阻更低，可以改善与钝化层之间表面态密度，从而避免漏电问题的发生；
[0018]4)N面极性GaN材料拥有更高的跨导，可以支持更高的工作频率。
附图说明
[0019]图1是现有技术中一种基于SiC异质衬底的HEMT外延结构的结构示意图；
[0020]图2是本专利技术一典型实施案例中提供的一种基于GaN衬底的HEMT外延结构的结构示意图；
[0021]图3是现有技术中一种基于SiC异质衬底的HEMT外延结构的效果图；
[0022]图4是本专利技术一典型实施案例中提供的一种基于GaN衬底的HEMT外延结构的效果图；
[0023]图5是本专利技术实施例1获得的基于GaN衬底的HEMT器件和对比例1获得的基于SiC异质衬底的HEMT器件的I-V测试曲线。
具体实施方式
[0024]鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
[0025]HEMT(High Electron Mobility Transistor)，高电子迁移率晶体管，是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管(MODFET)、二维电子气场效应晶体管(2-DEGFET)、选择掺杂异质结晶体管(SDHT)等。
[0026]HEMT器件及其集成电路都能够工作于超高频(毫米波)、超高速领域，原因就在于它是利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的，HEMT的基本结构就是一个调制掺杂异质结，高迁移率的二维电子气(2-DEG)存在于调制掺杂的异质结中，这种2-DEG不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不"冻结"，则HEMT有很好的低温性能，可用于低温研究工作(如分数量子Hall效应)中。
[0027]HEMT器件是电压控制器件，栅极电压Vg可控制异质结势阱的深度，则可控制势阱中2-DEG的面密度，从而控制着器件的工作电流。对于GaAs体系的HEMT，通常其中的n-Al
x
Ga
1-x
As控制层应该是耗尽的(厚度一般为数百纳米，掺杂浓度为107～108/cm3)；若n-Al
x
Ga
1-x
As层厚度较大、掺杂浓度又高，则在Vg＝0时就存在有2-DEG，为耗尽型器件，反之则为增强型器件(Vg＝0时Schottky耗尽层即延伸到i-GaAs层内部)；但该层如果厚度过大、掺杂浓度过高,则工作时就不能耗尽，而且还将出现与S-D并联的漏电电阻。
[0028]碳化硅(SiC)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成，在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应
用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。目前生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg。
[0029]碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途，例如，以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高，节能效果好；低品级碳化硅(含SiC约85％)是极好的脱氧剂，用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提高钢的质量。此外，碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。
[0030]另外，碳化硅的硬度很大，莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GaN衬底的HEMT外延结构，其特征在于包括在N面极性的半绝缘GaN衬底上依次形成的界面处理层、势垒层、隔离层和沟道层。2.根据权利要求1所述的HEMT外延结构，其特征在于，所述界面处理层的生长条件包括：以50-80％的氢气和20-50％的氨气为原料，于1050C～1100C、400～700mbar条件下反应5～10分钟，然后以0～50umol/min的流量通入Al源；优选的，所述界面处理层的材质包括AlN，优选的，所述界面处理层的厚度为2-5nm。3.根据权利要求1所述的HEMT外延结构，其特征在于，所述势垒层的材质包括AlGaN或InGaN，其中，Al或In组分的含量为15-100％，所述势垒层的厚度为15-25nm。4.根据权利要求1所述的HEMT外延结构，其特征在于，所述隔离层的材质包括AlN，厚度为0.5-1nm；优选的，所述沟道层的材质包括GaN、InN、In GaN或AlGaN，厚度为100～300nm，其中，AlGaN的Al组分含量为为0-15％，InGaN的In组分含量为0-15％。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国斌，王建峰，徐科，
申请(专利权)人：江苏第三代半导体研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：