一种GaN基HEMT器件外延结构及生长方法技术

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器件外延结构及生长方法，包括硅衬底以及依次从衬底表面硅衬底表面生长的氮化铝层、氮化镓铝缓冲层、氮化镓外延层、氮化镓沟道层、氮化镓铝势垒层以及GaN帽层；所述氮化镓铝缓冲层包括：氮化镓铝渐变层：Al组分从1渐变至0.45

【技术实现步骤摘要】
一种GaN基HEMT器件外延结构及生长方法


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

技术介绍

[0002]GaN单晶衬底的制备非常困难，大部分GaN基器件都是在异质衬底上通过异质外延的方法而制备的，这些异质衬底主要包括硅(Si)、碳化硅(SiC)和蓝宝石，其中Si基半导体技术已经发展了半个多世纪，从材料获得到器件方法都已经发展的非常成熟，并且利用Si衬底外延的GaN基功率器件具备较好的导电性、优越的散热性能，有利于大面积集成，以及与传统的Si基器件兼容和集成等优势。因此利用Si衬底开发GaN基微波功率器件成为半导体研究的热点之一。
[0003]但由于Si衬底与GaN之间的晶格失配比较大，Si衬底与GaN的晶格失配约17％和56％的热失配，生长的GaN单晶具有较高的位错密度和较大的应力，导致GaN外延膜在生长后薄膜内存在很大的张应力，特别是对大尺寸Si衬底外延生长的GaN薄膜非常容易发生龟裂。同时高温生长的Si和TMGa会发生反应，出现熔刻现象，严重影响器件的性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种GaN基HEMT器件外延结构及生长方法，克服了现有技术的不足，通过优化生长氮化镓铝缓冲层的外延生长工艺，可以有效改变面内的压缩应变值，降低位错密度，提高晶体质量，同时，又避免了熔刻现象，改善表面形态，提高了器件性能。
[0005]为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案如下：
[0006]一种GaN基HEMT器件外延结构，包括硅衬底以及依次从衬底表面硅衬底表面生长的氮化铝层、氮化镓铝缓冲层、氮化镓外延层、氮化镓沟道层、氮化镓铝势垒层以及GaN帽层；
[0007]所述氮化镓铝缓冲层包括：
[0008](1)氮化镓铝渐变层：Al组分从1渐变至0.45
‑
0.65；
[0009](2)氮化镓铝稳定层：Al组分保持固定值生长，Al组分介于0.45
‑
0.65；
[0010](3)氮化镓铝超晶格层：AlxGa1
‑
xN/AlyGa1
‑
yN，x介于0.45
‑
0.65，y介于0.25
‑
0.45；
[0011](4)AlzGa1
‑
zN渐变层：Al组分从0.25
‑
0.45渐变至0.02
‑
0.20。
[0012]进一步，所述氮化铝层的厚度为50
‑
500nm，所述氮化镓铝缓冲层的厚度为80
‑
500nm，所述氮化镓外延层的厚度为1.5
‑
3.5um，所述氮化镓沟道层的厚度为100
‑
500nm，所述氮化镓铝势垒层的厚度为10
‑
30nm，所述GaN帽层的厚度为2
‑
5nm。
[0013]进一步，所述氮化镓铝渐变层的厚度为10
‑
100nm，所述氮化镓铝稳定层的厚度为10
‑
100nm，所述氮化镓铝超晶格层的厚度为50
‑
200nm，所述AlzGa1
‑
zN渐变层的厚度为10
‑
100nm。
[0014]本专利技术还申请保护了一种GaN基HEMT器件外延生长方法，包括以下步骤：
[0015]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，在其表面生长制备一氮化铝层；
[0016]步骤二、控制降温速率，在氮化铝层表面生长制备一氮化镓铝缓冲层；
[0017]步骤三、升高温度，在氮化镓铝缓冲层表面生长制备一厚度氮化镓外延层；
[0018]步骤四、控制温度，在氮化镓外延层表面生长制备一氮化镓沟道层；
[0019]步骤五、维持温度，在氮化镓沟道层表面生长制备一氮化镓铝势垒层；
[0020]步骤六、在氮化镓铝势垒层表面生长制备一GaN帽层；
[0021]步骤七、降低至室温，结束生长过程，取出晶体。
[0022]进一步，步骤一中生长制备氮化铝层的条件为：温度1000
‑
1150℃，反应腔压力50
‑
200torr，通入流量为2
‑
10slm的NH3。
[0023]进一步，步骤二中生长制备氮化镓铝缓冲层的条件为：温度950
‑
1100℃，反应腔压力50
‑
200torr，通入流量为0.04
‑
5slm的NH3。
[0024]进一步，步骤三中生长制备氮化镓外延层的条件为：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。
[0025]进一步，步骤四中生长制备氮化镓沟道层的条件为：温度1000
‑
1100℃，反应腔压力100
‑
300torr，通入流量为50
‑
80slm的NH3。
[0026]进一步，步骤五中生长制备氮化镓铝势垒层的条件为：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。
[0027]进一步，步骤六中生长制备GaN帽层的条件为：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。
[0028]本专利技术与现有技术相比较，具有以下有益效果：
[0029]本专利技术所述一种GaN基HEMT器件外延结构及生长方法，通过优化生长氮化镓铝缓冲层的外延生长工艺，可以有效改变面内的压缩应变值，降低位错密度，提高晶体质量，同时，又避免了熔刻现象，改善表面形态，提高了器件性能。
附图说明
[0030]图1为氮化镓晶体材料的结构示意图。
[0031]图中：1、硅衬底；2、氮化铝层；3、氮化镓铝缓冲层；4、氮化镓外延层；5、氮化镓沟道层；6、氮化镓铝势垒层；7、GaN帽层。
具体实施方式
[0032]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0033]实施例1
[0034]如图1所示，本实施例公开了一种GaN基HEMT器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GaN基HEMT器件外延结构，其特征在于：包括硅衬底以及依次从衬底表面硅衬底表面生长的氮化铝层、氮化镓铝缓冲层、氮化镓外延层、氮化镓沟道层、氮化镓铝势垒层以及GaN帽层；所述氮化镓铝缓冲层包括：(1)氮化镓铝渐变层：Al组分从1渐变至0.45
‑
0.65；(2)氮化镓铝稳定层：Al组分保持固定值生长，Al组分介于0.45
‑
0.65；(3)氮化镓铝超晶格层：AlxGa1
‑
xN/AlyGa1
‑
yN，x介于0.45
‑
0.65，y介于0.25
‑
0.45；(4)AlzGa1
‑
zN渐变层：Al组分从0.25
‑
0.45渐变至0.02
‑
0.20。2.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT器件外延结构，其特征在于：所述氮化铝层的厚度为50
‑
500nm，所述氮化镓铝缓冲层的厚度为80
‑
500nm，所述氮化镓外延层的厚度为1.5
‑
3.5um，所述氮化镓沟道层的厚度为100
‑
500nm，所述氮化镓铝势垒层的厚度为10
‑
30nm，所述GaN帽层的厚度为2
‑
5nm。3.根据权利要求2所述的一种GaN基HEMT器件外延结构，其特征在于：所述氮化镓铝渐变层的厚度为10
‑
100nm，所述氮化镓铝稳定层的厚度为10
‑
100nm，所述氮化镓铝超晶格层的厚度为50
‑
200nm，所述AlzGa1
‑
zN渐变层的厚度为10
‑
100nm。4.一种基于权利要求1
‑
3任一项所述的GaN基HEMT器件外延生长方法，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，在其表面生长制备一氮化铝层；步骤二、控制降温速率，在氮化铝层表面生长制备一氮化镓铝缓冲层；步骤三、升高温度，在氮化镓铝缓冲层表面生长制备一厚度氮化镓外延层；步骤四、控制温度，在氮化镓外延层表面生长制备一氮化镓沟道层；步骤五、维持温度...

【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：