一种GaN基HEMT器件的外延结构及其生长方法技术

本发明专利技术属于半导体元器件技术领域，具体涉及一种GaN基HEMT器件的外延结构，包括硅衬底以及依次从硅衬底表面生长的AlN层、AlGaN位错复合调控层、高阻GaN外延层、GaN沟道层、AlGaN势垒层以及GaN帽层；所述AlGaN位错复合调控层包括依次叠加的AlxGa1

【技术实现步骤摘要】
一种GaN基HEMT器件的外延结构及其生长方法


[0001]本专利技术属于半导体元器件
，具体涉及一种GaN基HEMT器件的外延结构及其生长方法。

技术介绍

[0002]GaN基外延结构的生长所需的衬底包含蓝宝石、硅及碳化硅中，由于硅衬底价格便宜，制备工艺成熟，因此在大尺寸的硅衬底生长GaN基HEMT器件极具成本优势，同时也更容易实现量产。
[0003]由于Si衬底和GaN材料存在20.4％的晶格失配和56％的热失配，导致GaN外延层在生长后薄膜内存在很大的张应力，同时晶体质量难以控制。由于Si衬底与GaN材料的热失配比较大，高温下氨气与Si会发生剧烈化学反应生成非晶的SiNx(氮化硅)，SiNx会严重影响后续GaN生长的晶体质量。因此，目前现有的工艺为在Si衬底氮化及预通Al处理后，生长AlN缓冲层及AlGaN层作为过渡。
[0004]传统的AlGaN缓冲层基本上都是渐变及超晶格结构，并不能很好的释放应力，降低位错。因此现有技术还有待改进和发展。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种GaN基HEMT器件的外延结构及其生长方法，克服了现有技术的不足，优化的AlGaN位错复合调控层包含具有Ga空位的外延功能层，通过在外延生长中引入大量Ga空位，使得位错发生弯曲而湮没，从而提高晶体质量，减少位错，提高GaN基HEMT器件的漏电特性和耐压能力。
[0006]为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案如下：
[0007]一种GaN基HEMT器件的外延结构及其生长方法，包括硅衬底以及依次从硅衬底表面生长的AlN层、AlGaN位错复合调控层、高阻GaN外延层、GaN沟道层、AlGaN势垒层以及GaN帽层；
[0008]所述AlGaN位错复合调控层包括依次叠加的AlxGa1
‑
xN单晶层、AlyGa1
‑
yN单晶层、AlzGa1
‑
zN单晶层和AlvGa1
‑
vN单晶层。
[0009]进一步，所述AlxGa1
‑
xN单晶层为Buck层，Al组分在0.55
‑
0.85，其厚度为50
‑
200nm；所述AlyGa1
‑
yN单晶层为Ga空位引入层、位错调控层，生长厚度为50
‑
200nm，其中Al组分y是恒定值，Al组分在0.65
‑
0.95；所述AlzGa1
‑
zN单晶层为Buck层，Al组分在0.45
‑
0.75，其厚度为50
‑
200nm；所述AlvGa1
‑
vN单晶层为渐变层，Al组分从0.45
‑
0.75渐变0.02
‑
0.15，其厚度为10
‑
200nm。
[0010]本专利技术还保护了一种GaN基HEMT器件的外延结构生长方法，包括以下步骤：
[0011]步骤一、将一硅衬底置入材料生长设备的生长室内，生长气氛为纯氢气或氮气氛围，控制温度1000
‑
1150℃，反应腔压力50
‑
200torr，通入流量为2
‑
10slm的NH3，在其表面生长制备一厚度为50
‑
500nm的AlN层；
[0012]步骤二、控制温度、反应腔压力盒氨气的通入速率，在AlN层表面生长制备一厚度为160
‑
800nm的AlGaN位错复合调控层；
[0013]步骤三、控制温度1000
‑
1050℃，反应腔压力50
‑
200torr，通入流量为5
‑
30slm的NH3，碳掺杂浓度为2E18
‑
2E19atoms/cm3，在AlGaN位错复合调控层表面生长制备一厚度为1.5
‑
3.5um的高阻GaN外延层；
[0014]步骤四、控制温度1000
‑
1100℃，反应腔压力100
‑
300torr，通入流量为50
‑
80slm的NH3，在高阻GaN外延层表面生长制备一厚度为100
‑
500nm的GaN沟道层；
[0015]步骤五、维持温度1050
‑
1150℃，反应腔压力50
‑
200torr，通入流量为20
‑
50slm的NH3，AL组分0.15
‑
0.4，在GaN沟道层表面生长制备一厚度为10
‑
30nm的AlGaN势垒层；
[0016]步骤六、控制温度1000
‑
1050℃，反应腔压力维持在50
‑
200torr，通入流量为20
‑
50slm的NH3、流量为10
‑
20sccm的TMGa，在AlGaN势垒层表面生长制备一厚度为2
‑
5nm的GaN帽层；
[0017]步骤七、降低至室温，结束生长过程，取出晶体。
[0018]进一步，所述AlxGa1
‑
xN单晶层的生长条件为温度950
‑
1200℃、反应腔压力50
‑
200torr、通入流量为0.04
‑
10slm的NH3。
[0019]进一步，所述AlyGa1
‑
yN单晶层的生长条件为高温且低生长速率且高V/III比，温度大于1050C，其生长速率为0.01
‑
1.0埃/秒，V/III比在1000
‑
30000之间。
[0020]进一步，所述AlzGa1
‑
zN单晶层的生长条件为温度950
‑
1200℃，反应腔压力50
‑
200torr，通入流量为0.04
‑
10slm的NH3。
[0021]进一步，所述AlvGa1
‑
vN单晶层的生长条件为温度950
‑
1200℃，反应腔压力50
‑
200torr，通入流量为0.04
‑
10slm的NH3。
[0022]本专利技术与现有技术相比较，具有以下有益效果：
[0023]本专利技术所述一种GaN基HEMT器件的外延结构及其生长方法，通过优化的AlGaN位错复合调控层包含具有Ga空位的外延功能层，通过在外延生长中引入大量Ga空位，使得位错发生弯曲而湮没，从而提高晶体质量，减少位错，提高GaN基HEMT器件的漏电特性和耐压能力。
附图说明
[0024]图1为GaN晶体材料的结构示意图。
[0025]图中：1、硅衬底；2、AlN层；3、AlGaN位错复合调控层；4、高阻GaN外延层；5、GaN沟道层；6、AlGaN本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GaN基HEMT器件的外延结构，其特征在于：包括硅衬底以及依次从硅衬底表面生长的AlN层、AlGaN位错复合调控层、高阻GaN外延层、GaN沟道层、AlGaN势垒层以及GaN帽层；所述AlGaN位错复合调控层包括依次叠加的AlxGa1
‑
xN单晶层、AlyGa1
‑
yN单晶层、AlzGa1
‑
zN单晶层和AlvGa1
‑
vN单晶层。2.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT器件的外延结构，其特征在于：所述AlxGa1
‑
xN单晶层为Buck层，Al组分在0.55
‑
0.85，其厚度为50
‑
200nm；所述AlyGa1
‑
yN单晶层为Ga空位引入层、位错调控层，生长厚度为50
‑
200nm，其中Al组分y是恒定值，Al组分在0.65
‑
0.95；所述AlzGa1
‑
zN单晶层为Buck层，Al组分在0.45
‑
0.75，其厚度为50
‑
200nm；所述AlvGa1
‑
vN单晶层为渐变层，Al组分从0.45
‑
0.75渐变0.02
‑
0.15，其厚度为10
‑
200nm。3.一种基于权利要求1或2所述的GaN基HEMT器件的外延结构生长方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、将一硅衬底置入材料生长设备的生长室内，生长气氛为纯氢气或氮气氛围，控制温度1000
‑
1150℃，反应腔压力50
‑
200torr，通入流量为2
‑
10slm的NH3，在其表面生长制备一厚度为50
‑
500nm的AlN层；步骤二、控制温度、反应腔压力盒氨气的通入速率，在AlN层表面生长制备一厚度为160
‑
800nm的AlGaN位错复合调控层；步骤三、控制温度1000
‑
1050℃，反应腔压力50
‑
200torr，通入流量为5
‑
30slm的NH3，碳掺杂浓度为2E18
‑
2E19atoms/cm3，在AlGaN位错复合调控层表面生长制备一厚度为1.5
‑
3.5um的高阻GaN外延层；步骤四、控制温度1000

【专利技术属性】
技术研发人员：程斌，白俊春，平加峰，
申请(专利权)人：江苏芯港半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：