CN104241352A - 一种具有极化诱导掺杂高阻层的GaN基HEMT结构及生长方法 - Google Patents
一种具有极化诱导掺杂高阻层的GaN基HEMT结构及生长方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种GaN基HEMT外延结构及其生长方法，该外延结构沿外延生长方向依次包括：衬底、缓冲层、高阻层、沟道层和势垒层，其中：缓冲层外延生长在衬底上；高阻层外延生长在缓冲层上，其中，高阻层为极化诱导掺杂；沟道层外延生长在高阻层上；势垒层外延生长在沟道层上。本发明通过极化诱导掺杂实现无掺杂杂质的高阻层，从而降低器件缓冲层漏电，缓解由于缓冲层掺杂而加剧的电流崩塌，实现提高器件击穿电压、改善器件动态导通电阻可靠性的目的。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，适用于GaN基HEMT器件，尤其是一种具有极化诱导掺杂高阻层的GaN基HEMT结构及生长方法，本发明通过极化诱导掺杂实现无掺杂杂质的高阻层，从而降低器件缓冲层漏电，解决由于缓冲层掺杂而引入的电流崩塌，实现提高器件击穿电压、改善器件动态导通电阻可靠性的目的。
背景技术
目前，高压、高温、高频和大功率GaN电力电子器件是国际半导体领域的一个研究热点，也是当今微电子领域的战略制高点之一。美国、日本、欧洲等国家和地区都极其重视GaN电力电子器件技术的研究与开发。虽然GaN基HEMT器件已经取得很大进步，但仍然存在着一系列制约因素阻碍其发展。其中，GaN缓冲层的漏电是备受关注的一个问题，因为在大功率工作时，其将导致器件抗高电压能力和电能转换效率的降低。造成缓冲层漏电的主要原因是在异质衬底上外延的GaN基材料中存在大量的氮空位及位错等缺陷，这些缺陷能级及其他的浅施主杂质(如O原子等)可电离产生电子，使GaN缓冲层呈现弱n型导电。在这种情况下，当器件工作在栅电压夹断状态时，源、漏电极之间的电压(Vds)如果比较大，两电极之间就会通过缓冲层漏电流而导通，使器件无法彻底关断，并且Vds继续升高的话，器件会因为漏电流持续升高而被“软击穿”。这种缓冲层漏电的HEMT器件将严重降低电力电子模块的效率和电压等级。目前一般通过受主杂质掺杂的方式，补偿背景电子而获得高阻GaN缓冲层，抑制漏电现象。不过，受主杂质掺杂会提高缺陷密度，导致材料质量下降，引入的缺陷陷阱态还会加剧器件电流崩塌效应，严重影响可靠性。因此，找到一种既可获得高阻GaN基缓冲层，同时又不会引入其他杂质缺陷而造成电流崩塌的方法，对于GaN基HEMT器件至关重要。而利用极化掺杂方法，则无需引入受主杂质，通过采用组分线性渐变的AlGaN或InGaN即可实现高阻层。沿[0001]生长方向，极化电场强度随Al组分的线性降低(或In组分的线性增加)而降低，其均匀落差导致AlGaN或InGaN体内均匀分布着净极化负电荷。为保持电中性，则将感应产生等量空穴。通过选择合适的组分梯度，即可产生与背景电子浓度相当的空穴，实现电子空穴补偿，获得高阻层。
发明内容
本发明针对GaN基HEMT器件的GaN缓冲层漏电导致器件击穿电压降低的问题，提出了一种具有极化诱导掺杂高阻层的GaN基HEMT结构及生长方法。
根据本发明的一方面，提出一种GaN基HEMT外延结构，该外延结构沿外延生长方向依次包括：衬底、缓冲层、高阻层、沟道层和势垒层，其中：
所述缓冲层外延生长在所述衬底上；
所述高阻层外延生长在所述缓冲层上，其中，所述高阻层为极化诱导掺杂；
所述沟道层外延生长在所述高阻层上；
所述势垒层外延生长在所述沟道层上。
其中，外延生长方向为外延氮化物的[0001]方向，所述外延生长方向所对应的晶面为极性面(0001)面。
其中，所述缓冲层由GaN或AlN材料制成，厚度为0.1-5um；
和/或，所述沟道层由非掺杂的GaN或InGaN制成，厚度为5-200nm；
和/或，所述势垒层由应变AlGaN或InAlN制成，厚度为10-50nm。
其中，所述缓冲层中还依次包括低温成核层、高温缓冲层和/或超晶格层。
其中，所述高阻层由AlGaN材料制成，厚度为0.05-2um，且在所述高阻层中，Al的组分沿外延生长方向逐渐降低，使得组分渐变产生的极化诱导空穴浓度与背景电子浓度相当，实现电子和空穴的完全补偿，进而实现高阻特性；
或所述高阻层由InGaN材料制成，厚度为0.05-2um，且在所述高阻层中，In的组分沿外延生长方向逐渐增加，使得组分渐变产生的极化诱导空穴浓度与背景电子浓度相当，实现电子和空穴的完全补偿，进而实现高阻特性。
根据本发明的另一方面，还提出一种GaN基HEMT结构的外延生长方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：在衬底上沿外延生长方向生长缓冲层；
步骤2：在所述缓冲层上沿外延生长方向生长高阻层，其中，所述高阻层为极化诱导掺杂；
步骤3：在所述高阻层上沿外延生长方向生长沟道层；
步骤4：在所述沟道层上沿外延生长方向生长势垒层。
其中，所述外延生长方向为外延氮化物的[0001]方向，所述外延生长方向所对应的晶面为极性面(0001)面。
其中，在生长缓冲层时，所述方法还包括沿外延生长方向依次生长低温成核层、高温缓冲层和/或超晶格层。
其中，所述高阻层由AlGaN材料制成，厚度为0.05-2um，且在所述高阻层中，Al的组分沿外延生长方向逐渐降低；
或所述高阻层由InGaN材料制成，厚度为0.05-2um，且在所述高阻层中，In的组分沿外延生长方向逐渐增加。
其中，当所述高阻层由AlGaN材料制成时，在N2或H2的保护下，依据反应室的生长温度条件下AlGaN的热力学气-固组分关系，对输入反应室的Ⅲ族金属有机源材料铝的流量和金属有机源材料镓的流量进行控制，控制反应室中三甲基铝(TMAl)/三甲基镓(TMGa)+三甲基铝(TMAl)的比例，形成组分渐变的AlGaN高阻层；
当所述高阻层由InGaN材料制成时，在N2或H2的保护下，依据反应室的生长温度条件下InGaN的热力学气-固组分关系，使Ⅲ族金属有机源材料铟和镓的流量保持不变输入生长反应室，控制反应室生长温度线性变化，形成组分渐变的InGaN高阻层。
本发明HEMT结构可制作在多种衬底上，包括蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓、氮化铝。本发明利用极化掺杂原理，在缓冲层上沿极性面方向生长非掺杂的组分渐变的InGaN层或AlGaN层。通过组分设计使渐变InGaN或AlGaN中产生极化感应空穴，且使空穴浓度与渐变InGaN或AlGaN材料的背景电子浓度相当，从而产生补偿效应，最终形成无掺杂的组分渐变InGaN或AlGaN高阻层。
附图说明
图1为具有渐变InGaN高阻层或AlGaN高阻层的GaN基HEMT外延结构示意图。
图2为具有渐变InGaN高阻层或AlGaN高阻层的GaN基HEMT外延结构生长工艺示意图。
图3为具有渐变AlGaN高阻层的GaN基HEMT结构制作过程中反应室中的TMAl和TMGa随时间的变化情况。
图4为具有渐变InGaN高阻层的GaN基HEMT结构制作过程中反应室中的温度随时间的变化情况。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
根据本发明的一方面，公开了一种具有极化诱导掺杂高阻层的GaN基HEMT外延结构，图1为本发明具有极化诱导掺杂高阻层的GaN基HEMT外延结构的示意图，图1中，从下往上为外延生长方向，如图1所示，所述GaN基HEMT外延结构沿外延生长方向依次包括：衬底1、缓冲层2、高阻层3、沟道层4和势垒层5，其中：
所述缓冲层2外延生长在所述衬底1上；
其中，外延生长方向为外延氮化物的[0001]方向，所述外延生长方向所对应的晶面为极性面(0001)面。
所述衬底1可以为(0001)面蓝宝石、(0001)面碳化硅、(0001)面氮化镓、(0001)面氮化铝或(111)面晶体硅。
所述缓冲层2可以由GaN或AlN材料制成，厚度为0.1-5um。在本发明一实施例中，所述缓冲层2中还依次包括低温成核层、高温缓冲层和/或超晶格层，外延生长温度为常规的GaN、AlN生长温度。所述高阻层3外延生长在所述缓冲层2上；
其中，所述高阻层3为极化诱导掺杂(polarization-induced doping)。
在本发明一实施例中，所述高阻层3由AlGaN材料制成，且在所述高阻层3中，Al的组分渐变，厚度为0.05-2um，其中，Al的组分沿外延生长方向逐渐降低，比如从x0线性降低到x1，0≤x1<x0≤1。Al组分渐变的AlGaN高阻层可以为非故意掺杂(undoped)。由于六方晶系中存在自发极化和压电极化效应，且极化电场强度与Al组分有关，因此将在Al组分沿外延生长方向线性减少的AlGaN层中产生一定的极化电场差，并由此感应产生极化空穴。Al组分沿外延生长方向线性变化的趋势，即组分坡度直接决定了产生极化感应空穴的浓度，因此可根据AlGaN材料中的背景电子浓度设计特定的Al组分线性斜率，进而获得与背景电子浓度相当的空穴浓度，实现极化空穴对AlGaN材料中的背景电子的全补偿，这样Al组分渐变的AlGaN高阻层就可以不需要杂质掺杂，即得到高阻且无掺杂杂质的高阻层3。即，Al组分的渐变梯度需要根据背景电子浓度进行设计，使得组分渐变产生的极化诱导空穴浓度与背景电子浓度相当，实现电子和空穴的完全补偿，进而实现高阻特性。
在本发明另一实施例中，所述高阻层3由InGaN材料制成，且在所述高阻层3中，In的组分渐变，厚度为0.05-2um，其中，In的组分沿外延生长方向逐渐增加，比如从y0线性增加到y1，0≤y0<y1≤1。In组分渐变的InGaN高阻层为非故意掺杂。由于六方晶系中存在自发极化和压电极化效应，且极化电场强度与In组分有关，因此将在In组分沿外延生长方向线性增加的InGaN层中产生一定的极化电场差，并由此感应产生极化空穴。In组分沿外延生长方向线性变化的趋势，即组分坡度直接决定了产生极化感应空穴的浓度，因此可根据InGaN材料中的背景电子浓度设计特定的In组分线性斜率，进而获得与背景电子浓度相当的空穴浓度，实现极化空穴对InGaN材料中的背景电子的全补偿，这样In组分渐变的InGaN高阻层就可以不需要杂质掺杂，即得到高阻且无掺杂杂质的高阻层3。即，In组分的渐变梯度需要根据背景电子浓度进行设计，使得组分渐变产生的极化诱导空穴浓度与背景电子浓度相当，实现电子和空穴的完全补偿，进而实现高阻特性。
所述沟道层4外延生长在所述高阻层3上；
在本发明一实施例中，所述沟道层4由非掺杂的GaN或InGaN制成，厚度为5-200nm。
所述势垒层5外延生长在所述沟道层4上。
在本发明一实施例中，所述势垒层5由应变AlGaN或InAlN制成，厚度为10-50nm，所述势垒层5中Al的组分为0.1-0.5。由于极化效应，沟道层4与势垒层5的界面处存在大量的极化电荷，并在沟道层4一侧形成三角势阱，此为HEMT器件的载流子沟道。
根据本发明的另一方面，还公开了一种具有极化诱导掺杂高阻层的GaN基HEMT外延结构的外延生长方法，图2为具有渐变InGaN高阻层或AlGaN高阻层的GaN基HEMT外延结构生长工艺示意图，图3为具有渐变AlGaN高阻层的GaN基HEMT结构的外延生长方法中反应室中的TMAl和TMGa随时间的变化情况，图4为具有渐变InGaN高阻层的GaN基HEMT结构的外延生长方法中反应室中的温度随时间的变化情况。
如图2-4所示，所述具有极化诱导掺杂高阻层的GaN基HEMT结构的外延生长方法包括以下步骤：
步骤1：在衬底1上沿外延生长方向生长缓冲层2；
其中，外延生长方向为外延氮化物的[0001]方向。
所述衬底1可以为c面蓝宝石、c面碳化硅、c面氮化镓、c面氮化铝、或(111)面晶体硅。
所述缓冲层2可以由GaN或AlN材料制成，厚度为0.1-5um。
在本发明一实施例中，在生长缓冲层2时，所述方法还包括沿外延生长方向依次生长低温成核层、高温缓冲层和/或超晶格层，外延生长温度为常规的GaN、AlN生长温度。
其中，所述低温成核层、高温缓冲层和超晶格层的生长属于现有技术，本发明对其制作材料和制作工艺等不作任何限定。
步骤2：在所述缓冲层2上沿外延生长方向生长高阻层3；
其中，所述高阻层3为极化诱导掺杂。
在本发明一实施例中，所述高阻层3由AlGaN材料制成，且在所述高阻层3中，Al的组分渐变，具体地，Al的组分沿外延生长方向逐渐降低，比如从x0线性降低到x1，0≤x1<x0≤1。
其中，在N2或H2的保护下，依据反应室的生长温度条件下AlGaN的热力学气-固组分关系，对输入生长反应室的Ⅲ族金属有机源材料Al的流量和金属有机源材料镓的流量进行控制，控制反应室中TMAl/(TMGa+TMAl)的比例，使TMAl流量随时间线性降低，TMGa流量随时间线性增加，最终形成Al组分渐变的AlGaN高阻层。
在本发明另一实施例中，所述高阻层3由InGaN材料制成，且在所述高阻层3中，In的组分渐变，厚度为0.05-2um，其中，In的组分沿外延生长方向逐渐增加，比如从y0线性增加到y1，0≤y0<y1≤1。
其中，在N2或H2的保护下，使Ⅲ族金属有机源材料铟和镓的流量保持不变输入生长反应室，控制反应室生长温度线性变化，反应室内温度满足随生长时间线性降低，形成组分渐变的InGaN高阻缓冲层。
步骤3：在所述高阻层3上沿外延生长方向生长沟道层4；
在本发明一实施例中，所述沟道层4由非掺杂的GaN或InGaN制成，厚度为5-200nm。
步骤4：在所述沟道层4上沿外延生长方向生长势垒层5。
在本发明一实施例中，所述势垒层5由应变AlGaN或InAlN制成，厚度为10-50nm，所述势垒层5中Al的组分为0.1-0.5。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基HEMT外延结构，其特征在于，该外延结构沿外延生长方向依次包括：衬底、缓冲层、高阻层、沟道层和势垒层，其中：
所述缓冲层外延生长在所述衬底上；
所述高阻层外延生长在所述缓冲层上，其中，所述高阻层为极化诱导掺杂；
所述沟道层外延生长在所述高阻层上；
所述势垒层外延生长在所述沟道层上。
2.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，外延生长方向为外延氮化物的[0001]方向，所述外延生长方向所对应的晶面为极性面(0001)面。
3.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述缓冲层由GaN或AlN材料制成，厚度为0.1-5um；
和/或，所述沟道层由非掺杂的GaN或InGaN制成，厚度为5-200nm；
和/或，所述势垒层由应变AlGaN或InAlN制成，厚度为10-50nm。
4.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述缓冲层中还依次包括低温成核层、高温缓冲层和/或超晶格层。
5.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述高阻层由AlGaN材料制成，厚度为0.05-2um，且在所述高阻层中，Al的组分沿外延生长方向逐渐降低，使得组分渐变产生的极化诱导空穴浓度与背景电子浓度相当，实现电子和空穴的完全补偿，进而实现高阻特性；
或所述高阻层由InGaN材料制成，厚度为0.05-2um，且在所述高阻层中，In的组分沿外延生长方向逐渐增加，使得组分渐变产生的极化诱导空穴浓度与背景电子浓度相当，实现电子和空穴的完全补偿，进而实现高阻特性。
6.一种GaN基HEMT结构的外延生长方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：在衬底上沿外延生长方向生长缓冲层；
步骤2：在所述缓冲层上沿外延生长方向生长高阻层，其中，所述高阻层为极化诱导掺杂；
步骤3：在所述高阻层上沿外延生长方向生长沟道层；
步骤4：在所述沟道层上沿外延生长方向生长势垒层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述外延生长方向为外延氮化物的[0001]方向，所述外延生长方向所对应的晶面为极性面(0001)面。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在生长缓冲层时，所述方法还包括沿外延生长方向依次生长低温成核层、高温缓冲层和/或超晶格层。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述高阻层由AlGaN材料制成，厚度为0.05-2um，且在所述高阻层中，Al的组分沿外延生长方向逐渐降低；
或所述高阻层由InGaN材料制成，厚度为0.05-2um，且在所述高阻层中，In的组分沿外延生长方向逐渐增加。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当所述高阻层由AlGaN材料制成时，在N2或H2的保护下，依据反应室的生长温度条件下AlGaN的热力学气-固组分关系，对输入反应室的Ⅲ族金属有机源材料铝的流量和金属有机源材料镓的流量进行控制，控制反应室中三甲基铝(TMAl)/三甲基镓(TMGa)+三甲基铝(TMAl)的比例，形成组分渐变的AlGaN高阻层；
当所述高阻层由InGaN材料制成时，在N2或H2的保护下，依据反应室的生长温度条件下InGaN的热力学气-固组分关系，使Ⅲ族金属有机源材料铟和镓的流量保持不变输入生长反应室，控制反应室生长温度线性变化，形成组分渐变的InGaN高阻层。
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