【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体，尤其涉及一种具有2dhg和2deg的增强型sic外延结构及制备方法。
技术介绍
1、在氮化镓高电子迁移率晶体管(gan hemt)器件中，一般选择si、sic或者是蓝宝石作为生长gan的衬底。然而，gan与这些衬底材料均存在晶格失配和热失配，使得生长的gan的晶体质量较差，存在大量的缺陷。
2、algan/gan hemt器件中，提高algan势垒层中的al组分或厚度可以有效提高二维电子气(2deg)的浓度。但是，al组分的增加会使algan与gan之间的晶格失配加大，容易产生弛豫，所以又必须限制algan层的厚度。
3、二维电子气迁移率也会随着al组分或厚度的增大而发生变化，势垒层al组分或厚度增加引起二维电子气密度增加、分布变窄且更靠近异质界面造成各种散射作用发生变化，是导致二维电子气迁移率下降的主要原因。当al组分增加时，界面粗超度散射和合金无序散射在所有散射机制中的比重越来越大，是影响迁移率的主要因素。
4、基于硅材料的功率半导体的性能已经接近其物理极限，无法满足当今社会中对能源高效转换的要求，要进一步提高电力电子器件的性能则需诉诸于综合性能更优越的第三代半导体。
5、第三代半导体材料包括氮化镓、碳化硅等宽禁带化合物半导体材料，其中，碳化硅具备低导通电阻、高频、耐高温与耐高压等优势，可应用于1200伏特以上的高压环境。相较于氮化镓，碳化硅更耐高温、耐高压，较适合应用于严苛的环境，应用层面广泛，如风电、铁路等大型交通工具，及太阳能逆变器、不断电系统、智慧
6、在sic多型体中，3c-sic、4h-sic、6h-sic等晶型应用最广泛，在这些晶型当中，3c-sic的饱和电子漂移速率、电子迁移率和空穴迁移率最高，而4h-sic的禁带宽度和临界击穿场强最高。同时，3c-sic禁带宽度为2.3ev，4h-sic的禁带宽度高达3.2ev，禁带宽度差达0.9ev，由于禁带宽度相差大，3c-sic与4h-sic形成的异质结结构在异质结器件里有很大的潜力。
7、影响异质结能带结构的另一个重要因素是纤锌矿结构sic的自发极化。六方晶系如4h-sic、6h-sic等晶型对称性较低并且c、si原子对电子的吸引程度不一样，六方晶系的sic存在自发极化效应，而立方形结构的3c-sic由于各向对称度比较高无自发极化特性。当考虑sic的自发极化效应时，异质结能带的结构变的更为复杂。主要体现，在4h-sic衬底上生长3c-sic时，3c-sic在si面上外延得到的是二维空穴气，在c面上外延得到的是二维电子气。
8、cn115346873a公开了一种碳化硅(sic)异构结常闭型高电子迁移率晶体管的制备方法，包括选择一非故意掺杂n型4h-sic晶片为衬底；在衬底的表面同构外延生长4h-sic过渡层，并在4h-sic过渡层的上表面外延生长出c面；在4h-sic过渡层的c面生长非故意掺杂的3c-sic势阱层；在3c-sic势阱层上表面生长n型掺杂的4h-sic势垒层，并在4h-sic势垒层的上表面外延生长出si面；在4h-sic势垒层的si面生长非故意掺杂的3c-sic帽层；制作电极和保护膜，得到3c-sic/4h-sic异构结常闭型单沟道高电子迁移率晶体管。
9、cn115440573a公开了一种单晶sic/si晶圆基底、异质结构及其制备方法。所述单晶sic/si晶圆基底包括：si衬底，所述si衬底上形成有图案化的多个单元区域，多个所述单元区域彼此由间隔区间隔开，并且每一单元区域包括形成于相应的单元区域上的单晶sic层。所述异质结构包括前述的单晶sic/si和gan层。所述制备方法包括通过退火工艺使所述含碳材料层与凹槽中暴露出的所述si衬底反应以选择性地生长单晶sic层。相似地，通过mocvd外延生长工艺使所述含氮气体和含镓的气相材料在图案化的单晶sic/si晶圆基底上反应形成单晶gan层。所得到的单元区域内的单晶sic和gan结构具有高质量和低缺陷密度。
10、但上述sic异质结结构仍存在晶格失配和热失配的问题。
技术实现思路
1、鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种具有2dhg和2deg的增强型sic外延结构及制备方法，较传统的algan/gan异质结结构而言，3c-sic与4h-sic形成的异质结结具有可忽略的热匹配和晶格匹配，具有更好的界面结构；而且在势垒层上生长p型3c-sic层，进一步提高了器件的可靠性。
2、为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、第一方面，本专利技术提供一种具有2dhg和2deg的增强型sic外延结构，所述sic外延结构包括依次设置的si面p型3c-sic层、si面3c-sic势垒层、2dhg、si面4h-sic沟道层、si面n型4h-sic漂移层、si面n型4h-sic缓冲层、si面导电型衬底、c面n型4h-sic缓冲层、c面n型4h-sic漂移层、c面4h-sic沟道层、2deg、c面3c-sic势垒层和c面p型3c-sic层。
4、本专利技术所述2dhg是二维空穴气，定义是：如果三维固体中空穴的运动在某一个方向(如z方向)上受到阻挡或限制，那么，空穴就只能在另外两个方向(x、y方向)上自由运动，这种具有两个自由度的自由空穴就称为二维空穴气；
5、2deg是二维电子气，定义是：如果三维固体中电子的运动在某一个方向(如z方向)上受到阻挡或限制，那么，电子就只能在另外两个方向(x、y方向)上自由运动，这种具有两个自由度的自由电子就称为二维电子气。
6、本专利技术所述的具有2dhg和2deg的增强型sic外延结构在si面3c-sic势垒层和si面4h-sic沟道层之间形成了2dhg，在c面4h-sic沟道层和c面3c-sic势垒层之间形成了2deg，解决了晶格失配和热失配的问题；而且在势垒层上生长p型3c-sic层，进一步提高了器件的可靠性，应用前景广阔。
7、优选地，所述si面n型4h-sic缓冲层的厚度为1～1.5μm，例如可以是1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.45μm或1.5μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；n掺杂浓度为1×1018cm-3～1.5×1018cm-3，例如可以是1×1018cm-3、1.1×1018cm-3、1.2×1018cm-3、1.25×1018cm-3、1.3×1018cm-3、1.4×1018cm-3或1.5×1018cm-3等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
8、优选地，所述si面n型4h-sic漂移层的厚度为5～10μm，例如可以是5μm、5.5μm、6μm、7μm、8μm或10μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；n掺杂浓度为5×1015cm-3～1.5×1016cm-3，例如可以是5×1015cm-3、6×本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有2DHG和2DEG的增强型SiC外延结构，其特征在于，所述增强型SiC外延结构包括依次设置的Si面P型3C-SiC层、Si面3C-SiC势垒层、2DHG、Si面4H-SiC沟道层、Si面N型4H-SiC漂移层、Si面N型4H-SiC缓冲层、Si面导电型衬底、C面N型4H-SiC缓冲层、C面N型4H-SiC漂移层、C面4H-SiC沟道层、2DEG、C面3C-SiC势垒层和C面P型3C-SiC层。
2.根据权利要求1所述的SiC外延结构，其特征在于，所述Si面N型4H-SiC缓冲层的厚度为1～1.5μm，N掺杂浓度为1×1018cm-3～1.5×1018cm-3；
3.根据权利要求1或2所述的SiC外延结构，其特征在于，所述C面N型4H-SiC缓冲层的厚度为1～1.5μm，N掺杂浓度1×1018cm-3～1.5×1018cm-3；
4.一种如权利要求1～3任一项所述的具有2DHG和2DEG的增强型SiC外延结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述原位
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述原位刻蚀以150～300slm的流量通入H2，50～100sccm的流量通入HCl，于50～500mbar压力和1600～1650℃温度下刻蚀5～10min；
7.根据权利要求4～6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述Si面4H-SiC沟道层的生长条件为：关闭氮源，分别以50～300slm、80～200sccm和80～200sccm的流量通入H2、SiHCl3和碳源，于1580～1650℃温度和50～500mbar压力下生长；
8.根据权利要求4～7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述4H-SiC衬底减薄是从330～380μm减薄至150～200μm。
9.根据权利要求4～8任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述原位刻蚀以150～300slm的流量通入H2，50～100sccm的流量通入HCl，于10～50mbar压力和1700～1750℃温度下刻蚀10～20min；
10.根据权利要求6～9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述硅源包括SiH4、SiHCl3、SiH2Cl2或SiH3Cl中的任意一种或至少两种的组合；
...【技术特征摘要】
1.一种具有2dhg和2deg的增强型sic外延结构，其特征在于，所述增强型sic外延结构包括依次设置的si面p型3c-sic层、si面3c-sic势垒层、2dhg、si面4h-sic沟道层、si面n型4h-sic漂移层、si面n型4h-sic缓冲层、si面导电型衬底、c面n型4h-sic缓冲层、c面n型4h-sic漂移层、c面4h-sic沟道层、2deg、c面3c-sic势垒层和c面p型3c-sic层。
2.根据权利要求1所述的sic外延结构，其特征在于，所述si面n型4h-sic缓冲层的厚度为1～1.5μm，n掺杂浓度为1×1018cm-3～1.5×1018cm-3；
3.根据权利要求1或2所述的sic外延结构，其特征在于，所述c面n型4h-sic缓冲层的厚度为1～1.5μm，n掺杂浓度1×1018cm-3～1.5×1018cm-3；
4.一种如权利要求1～3任一项所述的具有2dhg和2deg的增强型sic外延结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述原位刻蚀选取偏向<11-20>方向4°或者8°的导电型si面4h-sic衬底。<...
【专利技术属性】
技术研发人员：姚力军，费磊，边逸军，
申请(专利权)人：晶丰芯驰上海半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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