一种氮化镓肖特基二极管的材料结构及外延方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化镓肖特基二极管的材料结构及外延方法，按外延顺序包括：衬底；氮化铝（

【技术实现步骤摘要】
一种氮化镓肖特基二极管的材料结构及外延方法


[0001]本专利技术涉及一种氮化镓肖特基二极管的材料结构及外延方法，属于半导体外延材料

。

技术介绍

[0002]要实现太赫兹技术的具体应用，首先需研制出太赫兹功率源电路，目前实现太赫兹功率源电路的最可能途径是利用
SBD
倍频原理研制出
600GHz
以上的太赫兹电路
。
相对二代半导体砷化镓
(GaAs)、
磷化铟
(InP)
等，
GaN
材料具备宽禁带
、
高击穿及电子饱和速度高等特性，因而
GaN SBD
器件在高频段下能够获得更高的输出功率，被认为是实现太赫兹应用的理想方案之一
。
然而，现阶段研制的
GaN SBD
器件由于串联电阻偏高，导致截止频率及工作效率均偏低，不能满足太赫兹应用的要求
。
[0003]目前降低
GaN SBD
器件串联电阻的方法主要有两种：一是引入异质结多沟道结构，利用多层异质结沟道提高二维电子气密度，从而降低串联电阻，但这种方法的不足在于结构复杂，工艺实现难度大，且多沟道的互耦合作用限制了器件性能的充分发挥；二是通过提高
n
+
‑
GaN
重掺层
、n
++
‑
GaN
欧姆高掺层的掺杂浓度，提升单位面积下的电子密度，降低
GaN SBD<br/>外延材料的方块电阻，从而降低器件的串联电阻，增大隧穿电流
。
[0004]由于硅烷具有成本低
、
并入效率高等特点，因而是
GaN
材料中常用的
n
型掺杂源
。
然而，硅原子与镓原子半径尺寸差别较大，在
GaN
材料中掺入高剂量的硅原子会引起明显的晶格失配
、
热失配应力，导致外延材料应力较高
、
晶体缺陷密度较大，且材料应力随着掺杂浓度和掺杂厚度的增加而增长到一定程度时会导致外延材料表面出现大量裂纹，严重影响材料质量
。
为保持
GaN SBD
外延材料较低的应力和较高的质量，需要减小
GaN SBD
外延材料的掺杂浓度和掺杂厚度，即增大外延材料的方块电阻，但会造成
GaN SBD
器件串联电阻偏高而不能满足太赫兹功率源电路的研制要求
。
因此，在有效控制外延材料应力
、
保持较高材料质量的同时，显著降低
GaN SBD
外延材料的方块电阻，从而大幅度降低
GaN SBD
器件的串联电阻，对于太赫兹
GaN SBD
功率源电路的实现及太赫兹应用具有十分重要的意义
。

技术实现思路

[0005]当前
GaN SBD
技术受限于外延材料应力较高
、
材料质量偏低的问题导致方块电阻偏高
、
电子输运特性不佳，造成器件串联电阻偏高
、
截止频率和工作效率低下，不能满足太赫兹功率源电路的研制要求
。
[0006]针对现有技术问题，本专利技术的目的在于提出了一种氮化镓肖特基二极管的材料结构及外延方法，通过在
AlN
成核层与
UidGaN
缓冲层界面引入
Al
x
Ga1‑
x
N
下层应力调制层，降低衬底与
GaN SBD
外延材料间的热失配应力；在
UidGaN
缓冲层与
n
+
‑
GaN
重掺层界面引入
Al
y
Ga1‑
y
N
上层应力调制层，降低
uidGaN
缓冲层与
n
+
‑
GaN
重掺层间晶格失配应力；在
n
++
‑
GaN
欧姆高掺层与
n
‑
‑
GaN
轻掺层间引入
n
‑
GaN
过渡层，并采用高温
、
低生长速率工艺生长
n
‑
‑
GaN
轻掺层，提升
n
‑
‑
GaN
轻掺层的材料质量及电子输运特性
。
本方法实现的
GaN SBD
外延材料质
量高
、
应力小
、
方块电阻低，有利于降低
GaN SBD
器件的串联电阻，提高器件的截止频率和工作效率，实现
GaN
太赫兹功率源电路的研制
。
[0007]为解决现有技术问题，本专利技术采取的技术方案为：
[0008]一种氮化镓肖特基二极管的材料结构，所述材料结构由下而上依次为衬底
、AlN
成核层
、Al
x
Ga1‑
x
N
下层应力调制层
、UidGaN
缓冲层
、Al
y
Ga1‑
y
N
上层应力调制层
、n
+
‑
GaN
重掺层
、n
++
‑
GaN
欧姆高掺层
、n
‑
GaN
过渡层
、n
‑
‑
GaN
轻掺层组成的
。
[0009]作为改进的是，所述
Al
x
Ga1‑
x
N
下层应力调制层的厚度
D1为
10
‑
40nm
，
x
为
10
‑
40
％，
Al
y
Ga1‑
y
N
上层应力调制层的厚度
D2为5‑
30nm
，
y
为
10
‑
35
％
。
其中，
x
表示
x,y
为对应层中
AlGaN
合金中
Al
的合金百分比
。
引入
Al
y
Ga1‑
y
N
上层应力调制层，能改善
uidGaN
缓冲层与
n
+
‑
GaN
重掺层间晶格失配应力，降低材料翘曲
。
当
Al
y
Ga1‑<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种氮化镓肖特基二极管的材料结构，其特征在于，所述材料结构由下而上依次为衬底
、AlN
成核层
、Al
x
Ga1‑
x
N
下层应力调制层
、UidGaN
缓冲层
、Al
y
Ga1‑
y
N
上层应力调制层
、n
+
‑
GaN
重掺层
、n
++
‑
GaN
欧姆高掺层
、n
‑
GaN
过渡层
、n
‑
‑
GaN
轻掺层组成的
。2.
根据权利要求1所述的氮化镓肖特基二极管的材料结构，其特征在于，所述
Al
x
Ga1‑
x
N
下层应力调制层的厚度
D1为
10
‑
40nm
，
x
为
10
‑
40%
，
Al
y
Ga1‑
y
N
上层应力调制层的厚度
D2为5‑
30nm
，
y
为
10
‑
35%。3.
根据权利要求1所述的氮化镓肖特基二极管的材料结构，其特征在于，
n
‑
GaN
过渡层，其厚度
D4范围3‑
15nm。4.
根据权利要求1所述的氮化镓肖特基二极管的材料结构，其特征在于，
n
+
‑
GaN
重掺层，其掺杂厚度和掺杂浓度的乘积
≥2.7*10
15 cm
‑2，对应方块电阻
≤12
Ω
/
□
。5.
根据权利要求1所述的氮化镓肖特基二极管的材料结构，其特征在于，
n
++
‑
GaN
欧姆高掺层的厚度
D3范围为
50
‑
200nm
，掺杂浓度
≥5*10
19 cm
‑3，且在生长期间通入铟源
。6.
基于权利要求1所述的氮化镓肖特基二极管的材料结构的外延方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）选取衬底，并置于
MOCVD
等气相外延生长的设备内基座上，在反应室内充入氢气，设定反应室压力为
30
‑
150torr
，同时升温至
1000
‑
1100℃
，确保衬底在氢气氛围下烘烤5‑
15
分钟，去除衬底表面的沾污；（2）在氨气氛围下，将反应室升温至
1100
‑
1250℃
，设定压力为
30
‑
200torr
，通入铝源，生长
15
‑
50nm
厚的
AlN
成核层，关闭铝源；（3）在氨气氛围下设定反应室温度为
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李传皓，李忠辉，彭大青，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：