一种异质结场效应晶体管的外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术涉及异质结场效应晶体管技术领域，尤其涉及一种异质结场效应晶体管的外延结构及其制备方法。本发明专利技术提供的外延结构，包括依次层叠设置的衬底、缓冲层、GaN层和AlGaN阻隔层；所述缓冲层包括GaN纳米柱阵列和填充在所述GaN纳米柱阵列间隙的AlN。所述外延结构可以抑制异质结场效应晶体管的电子泄漏和击穿，可以显著改善异质结场效应晶体管电流崩溃现象。以显著改善异质结场效应晶体管电流崩溃现象。以显著改善异质结场效应晶体管电流崩溃现象。

【技术实现步骤摘要】
一种异质结场效应晶体管的外延结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及异质结场效应晶体管
，尤其涉及一种异质结场效应晶体管的外延结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着电力转换系统功率密度和工作电压的不断提高，需要开发性能优于传统硅基器件的功率器件。氮化镓（GaN）及其相关的宽禁带半导体合金被认为是新一代大功率高频电子器件的候选材料。与Si相比，GaN基器件具有更高的击穿电压和漂移速度，在高压和高温下可以产生更低的损耗。优异的性能不仅源于GaN本身固有的这些材料性能，还与基于AlGaN/GaN异质结构的器件技术有关。由于在AlGaN/GaN界面形成的高迁移率的二维电子气体（2DEG），一种被称为异质结场效应晶体管（HFET）的横向器件，也被称为高电子迁移率晶体管（HEMT），为功率开关和射频（RF）应用提供了巨大的潜力。迄今为止，GaN基材料通常是通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在Si、蓝宝石和碳化硅（SiC）等外来衬底上异质外延生长的。
[0003]大多数GaN HEMT结构都是异质外延生长在异质衬底上。由于GaN与异质衬底的材料差异较大，会产生高密度的位错、凹坑和裂纹。电力电子器件应用场景要求GaN HEMT具有较高的垂直击穿电压V
BD
，这主要取决于外延厚度，但在较厚且过渡应变的表面结构中往往会出现严重的晶圆弯曲和裂纹。通常采用GaN/AlN超晶格（SLs）应变层来防止晶圆的开裂和翘曲。此外，缓冲层可以显著提高外延层GaN的结晶质量。
[0004]但是由于前体诱导的供体杂质和N原子空位，GaN通常为N型，产生很高的电子泄漏和较低的横向击穿电压。此时可以采用铁或碳掺杂制备半绝缘缓冲层。铁和碳主要作为深层受体阱取代在氮位点上，增加缓冲电阻率，抑制氮化镓基HEMT器件的电子泄漏和击穿。然而，在低漏极电压下，部分通道电子倾向于被2DEG通道附近的表面或界面态捕获，更多的通道电子将被捕获在掺杂缓冲层的深层缺陷中。所有这些缺陷水平导致HEMT切换到导通态时输出电流下降，即所谓的电流崩溃（CC）现象，严重影响了GaN HEMT器件的性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种异质结场效应晶体管的外延结构及其制备方法，所述外延结构可以抑制异质结场效应晶体管的电子泄漏和击穿，可以显著改善异质结场效应晶体管电流崩溃现象。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种异质结场效应晶体管的外延结构，包括依次层叠设置的衬底、缓冲层、GaN层和AlGaN阻隔层；所述缓冲层包括GaN纳米柱阵列和填充在所述GaN纳米柱阵列间隙的AlN。
[0007]优选的，所述缓冲层的厚度为100~500nm；所述GaN纳米柱阵列中GaN纳米柱的直径为100~500nm。
[0008]优选的，所述GaN层的厚度为1~3μm；所述AlGaN阻隔层的厚度为10~100nm。
[0009]优选的，所述衬底包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底或p型硅衬底。
[0010]本专利技术还提供了上述技术方案所述外延结构的制备方法，包括以下步骤：在衬底表面制备GaN层后，进行刻蚀，得到GaN纳米柱阵列；在所述GaN纳米柱阵列的间隙填充AlN后，退火，得到缓冲层；在所述缓冲层的表面依次生长GaN层和AlGaN阻隔层，得到所述外延结构。
[0011]优选的，制备所述GaN层的方法为气相外延生长法；所述气相外延生长法包括：将衬底进行退火处理后，通入镓源和氨气进行外延生长；所述退火处理的温度为965~1050℃，时间为15min；所述外延生长的温度为1090~1250℃，所述镓源的通入速率为235sccm，所述氨气的通入速率为17500sccm。
[0012]优选的，所述刻蚀以六方密堆积的SiO2纳米球为掩膜版；所述刻蚀的温度为200℃，刻蚀气体为Cl2和BCl3，所述Cl2和BCl3的气体流量分别为10sccm和23sccm，ICP功率为285W，RF功率为30.5W，压力为10mTorr，刻蚀速率为20~30nm/min；所述刻蚀的深度与所述GaN层的厚度相同。
[0013]优选的，填充所述AlN的方法为物理磁控溅射；所述物理磁控溅射的温度为650~900℃，压力为8mTorr，Al源为Al金属靶，氮源为N2O，脉冲直流功率为20~100W，脉冲占空比为7~10%。
[0014]优选的，所述退火的温度为1250~1650℃，时间为10~240min。
[0015]优选的，生长所述GaN层和AlGaN阻隔层的温度为1100℃，压力为250Torr，氨气的流量为25000sccm和镓源的流量为315sccm；生长所述GaN层的铝源的流量为115sccm；生长所述AlGaN阻隔层的铝源的流量为230sccm。
[0016]本专利技术提供了一种异质结场效应晶体管的外延结构，包括依次层叠设置的衬底、缓冲层、GaN层和AlGaN阻隔层；所述缓冲层包括GaN纳米柱阵列和填充在所述GaN纳米柱阵列间隙的AlN。本专利技术在缓冲层中的GaN纳米柱阵列间隙中填充AlN，一方面对缓冲层生长初期形成的穿透位错具有非常强的阻断作用，显著提高HEMT上层UID
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(Al)GaN层和AlGaN阻隔层的质量；另一方面，所述AlN可以使更少的通道电子将被捕获在掺杂缓冲层的深层缺陷中，尤其是可以抑制氮化镓基HEMT器件内部的位错引起的电子泄漏和击穿，可以显著改善HEMT器件电流崩溃的现象。
附图说明
[0017]图1为本专利技术所述外延结构的截面结构示意图；1
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衬底、2
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缓冲层、3
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UID
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(Al)GaN层，4
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AlGaN阻隔层；图2为本专利技术所述外延结构中缓冲层的俯视图；5
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GaN纳米柱阵列，6
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AlN；图3为实施例1所述缓冲层的原子力显微镜图；
图4为实施例1所述GaN纳米柱阵列进行AlN填充前后的X射线衍射图。
具体实施方式
[0018]如图1所示，本专利技术提供了一种异质结场效应晶体管的外延结构，包括依次层叠设置的衬底、缓冲层、GaN层和AlGaN阻隔层；所述缓冲层包括GaN纳米柱阵列和填充在所述GaN纳米柱阵列间隙的AlN（俯视图如图2所示）。
[0019]在本专利技术中，所述GaN层优选为UID
‑
(Al)GaN层，所述UID
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(Al)GaN层中的“UID”为未故意掺杂，“(Al)GaN”为Al的掺杂量≥0。
[0020]在本专利技术中，所述衬底优选包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底或p型硅衬底。本专利技术对所述衬底的尺寸和厚度没有任何特殊的限定，根据实际需要采用本领域技术人员熟知的尺寸和厚度即可。在本专利技术的实施例中，所述衬底具体为2英寸350μm厚的蓝宝石衬底、2英寸350μm厚的碳化硅衬底或6英寸1000μm厚的P型硅衬底。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异质结场效应晶体管的外延结构，其特征在于，包括依次层叠设置的衬底、缓冲层、GaN层和AlGaN阻隔层；所述缓冲层包括GaN纳米柱阵列和填充在所述GaN纳米柱阵列间隙的AlN。2.如权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述缓冲层的厚度为100~500nm；所述GaN纳米柱阵列中GaN纳米柱的直径为100~500nm。3.如权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述GaN层的厚度为1~3μm；所述AlGaN阻隔层的厚度为10~100nm。4.如权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底或p型硅衬底。5.权利要求1~4任一项所述外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在衬底表面制备GaN层后，进行刻蚀，得到GaN纳米柱阵列；在所述GaN纳米柱阵列的间隙填充AlN后，退火，得到缓冲层；在所述缓冲层的表面依次生长GaN层和AlGaN阻隔层，得到所述外延结构。6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，制备所述GaN层的方法为气相外延生长法；所述气相外延生长法包括：将衬底进行退火处理后，通入镓源和氨气进行外延生长；所述退火处理的温度为965~1050℃，时间为15min；所述外延生长的温度为1090~1250℃，...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘巍巍，夏远洋，李亦衡，
申请(专利权)人：江苏能华微电子科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：