CN105336770A - 氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法 - Google Patents
氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105336770A CN105336770A CN201410384134.8A CN201410384134A CN105336770A CN 105336770 A CN105336770 A CN 105336770A CN 201410384134 A CN201410384134 A CN 201410384134A CN 105336770 A CN105336770 A CN 105336770A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- epitaxial structure
- gan
- transfer rate
- electronic transfer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
本发明公开了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法。该外延结构包括衬底层，在该衬底层上从下至上依次生长有AlN成核层、AlGaN缓冲层、Al掺杂GaN模板层和AlGaN势垒层。本发明通过在制造氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构时，利用Al掺杂形成GaN模板层的方法，能够降低材料的位错密度，改善界面的平整度，提高材料的电子迁移率，减少异质外延AlGaN势垒层表面态密度，进而降低了器件的漏电流，提高了器件的击穿电压且工艺简单易行。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法。
背景技术
GaN具有较大的直接禁带宽度（3.4ev）、高热导率、高电子饱和漂移速度等特点，因此已经成为目前半导体技术领域的研究热点。特别地，氮化镓基高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）是一种基于氮化物异质结构的新型电子器件。该器件具有高频、大功率的优异特性，广泛应用于无线通信基站、电力电子器件等信息收发、能量转换等领域。
高电子迁移率晶体管（HEMT）的原理是由于组成异质结构的两种材料的禁带宽度不同，在异质结界面处形成了势垒和势阱，由极化效应或调制掺杂产生的自由电子，积累在非掺杂的氮化镓层靠近界面的三角形势阱中，形成二维电子气，由于势阱中的这些电子与势垒中的电离杂质空间分离，大大降低了库伦散射，从而提高了材料的电子迁移率。研制成器件后，通过调节栅电极偏压可以控制异质结界面处的二维电子气密度，在一定的直流偏压下，可以对高频微波信号进行放大。
现有技术氮化镓基HEMTs器件的外延结构一般如图1所示。其生长过程是：先在Si衬底上依次生长一AlN成核层和AlGaN缓冲层；再在缓冲层上生长一GaN沟道层；随后再生长一AlGaN势垒层。但是由于AlGaN势垒层和GaN沟道层之间存在晶格失配和热失配，使得AlGaN异质外延生长时会产生高密度的位错。AlGaN/GaN异质结中高密度的位错不但增加了缓冲层和栅极的漏电流，而且对二维电子气的密度和迁移速率产生巨大的影响。如失配位错、合金混乱以及界面粗糙等缺陷都对二维电子气有很强的散射作用，进而降低了AlGaN/GaN基高电子迁移率晶体管的射频性能。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的一个目的是提供一种结构简单、位错密度小且集成电压高的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构，包括衬底层，在该衬底层上从下至上依次生长有成核层、缓冲层、模板层和势垒层，其中：所述成核层为AlN；所述缓冲层为AlGaN；所述模板层为Al掺杂GaN；所述势垒层为AlGaN。
优选地，所述氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构还包括无掺杂GaN缓冲层，其布置在所述Al掺杂GaN模板层上。
优选地，所述衬底层为蓝宝石、SiC或Si。
优选地，所述Al掺杂GaN模板层中Al掺杂的浓度为1×1016cm-3-1×1020cm-3。
优选地，所述Al掺杂GaN模板层的厚度为0.5μm-3μm。
为了实现上述氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构，本发明的另一个目的是提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构的制造方法，该方法包括：在硅衬底上依次生长完AlN成核层、AlGaN缓冲层后，形成Al掺杂GaN模板层，最后形成AlGaN势垒层。
优选地，所述氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构的制造方法还包括在所述Al掺杂GaN模板层上生长无掺杂GaN缓冲层。
优选地，所述衬底层为蓝宝石、SiC或Si。
优选地，所述Al掺杂GaN模板层中Al掺杂的浓度为1×1016cm-3-1×1020cm-3。
本发明的有益效果是：制造氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构时，掺杂的Al原子有很强的化学活性，可以和带电荷的缺陷、位错相互反应，从而提高击穿电压。同时，利用Al掺杂形成GaN模板层的方法，能够降低材料的位错密度，改善界面的平整度，提高材料的电子迁移率，减少异质外延AlGaN势垒层表面态密度，进而降低了器件的漏电流，提高了器件的击穿电压且工艺简单易行。
附图说明
图1为现有技术氮化镓基HEMTs器件的外延结构示意图。
图2为形成本发明所述GaN模板层的外延结构示意图。
图3为图2所示该实施例的击穿电压测试结果。
图4为本发明所述的一个氮化镓基高电子迁移率晶体管结构示意图。
图5为本发明所述的另一个氮化镓基高电子迁移率晶体管结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。
实施例一
图2为本发明形成所述GaN模板层的外延结构示意图。它是在硅衬底210上通过MOCVD技术依次生长AlN成核层220、AlGaN缓冲层230，Al掺杂GaN模板层240。具体生长过程如下：选择硅（111）衬底210，利用MOCVD技术生长；将硅（111）衬底210在1060℃的H2环境中表面处理5分钟；温度保持不变，在硅衬底210衬底上生长一厚度为0.3um的AlN成核层220；在AlN成核层220上生长一厚度为0.2um的AlGaN缓冲层230；然后在生长气氛中加入三甲基铝，形成厚度为2μm的Al掺杂GaN模板层240，其中Al掺杂的浓度在1×1018cm-3；关闭气体并降至室温。随后对该GaN模板层的外延结构的击穿电压进行测试，测试结果如图3所示。从图中可以看出，铝掺杂浓度为1×1018cm-3时，击穿电压达到1000V。
实施例二
本实施例提供一个氮化镓基高电子迁移率晶体管，如图4所示，在硅衬底310上生长一层AlN成核层320，再生长AlGaN缓冲层330，随后生长铝掺杂浓度为1×1016cm-3的GaN模板层340，然后生长一AlGaN势垒层350和生长一掺杂或非掺杂GaN盖帽层360，最后制作器件源、漏欧姆接触电极和栅电极（图4中未标出）。
实施例三
本实施例提供另一个氮化镓基高电子迁移率晶体管，如图5所示，在SiC衬底410上生长一层AlN成核层420，再生长AlGaN缓冲层430，随后生长铝掺杂浓度为1×1016cm-3的GaN模板层440，然后生长一厚度为50nm的GaN沟道层450，在沟道层上依次生长一AlGaN势垒层460和一掺杂或非掺杂GaN盖帽层470，最后制作器件源、漏欧姆接触电极和栅电极（图5中未标出）。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构，包括衬底层，在该衬底层上从下至上依次生长有成核层、缓冲层、模板层和势垒层，其中：所述成核层为AlN；所述缓冲层为AlGaN；所述模板层为Al掺杂GaN；所述势垒层为AlGaN。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构，还包括：无掺杂GaN缓冲层，其布置在所述Al掺杂GaN模板层上。
3.根据权利要求1所述的一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构，其特征在于，所述衬底层为蓝宝石、SiC或Si。
4.根据权利要求1所述的一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构，其特征在于，所述Al掺杂GaN模板层中Al掺杂的浓度为1×1016cm-3-1×1020cm-3。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构，其特征在于，所述Al掺杂GaN模板层的厚度为0.5μm-3μm。
6.一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构的制造方法，其特征在于，该方法包括：在硅衬底上依次生长完AlN成核层、AlGaN缓冲层后，形成Al掺杂GaN模板层，最后形成AlGaN势垒层。
7.根据权利要求6所述的一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构的制造方法，还包括在所述Al掺杂GaN模板层上生长无掺杂GaN缓冲层。
8.根据权利要求6所述的一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构，其特征在于，所述衬底层为蓝宝石、SiC或Si。
9.根据权利要求6所述的一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构的制造方法，其特征在于，所述Al掺杂GaN模板层中Al掺杂的浓度为1×1016cm-3-1×1020cm-3。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410384134.8A CN105336770A (zh) | 2014-08-06 | 2014-08-06 | 氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410384134.8A CN105336770A (zh) | 2014-08-06 | 2014-08-06 | 氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105336770A true CN105336770A (zh) | 2016-02-17 |
Family
ID=55287188
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410384134.8A Pending CN105336770A (zh) | 2014-08-06 | 2014-08-06 | 氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105336770A (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105322009A (zh) * | 2015-11-09 | 2016-02-10 | 江西省昌大光电科技有限公司 | 氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法 |
| CN107546198A (zh) * | 2016-06-29 | 2018-01-05 | 江西省昌大光电科技有限公司 | 一种gan基电子器件及其制备方法 |
| CN111129114A (zh) * | 2019-12-26 | 2020-05-08 | 西安电子科技大学芜湖研究院 | 一种Si基GaN外延低位错薄膜及其制备方法 |
| CN112510088A (zh) * | 2020-12-01 | 2021-03-16 | 晶能光电（江西）有限公司 | 沟槽栅增强型GaN基HEMT器件及其制备方法 |
| CN113594247A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-11-02 | 电子科技大学 | 一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管 |
| CN115842042A (zh) * | 2023-02-20 | 2023-03-24 | 江苏能华微电子科技发展有限公司 | 一种外延层结构及其制备方法和应用 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102064108A (zh) * | 2010-11-12 | 2011-05-18 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种制造介质/氮化物复合结构增强型场效应管的方法 |
| CN202564376U (zh) * | 2010-11-16 | 2012-11-28 | 罗姆股份有限公司 | 氮化物半导体元件及氮化物半导体封装 |
| US20140054607A1 (en) * | 2009-10-14 | 2014-02-27 | International Rectifier Corporation | Group III-V Device with Strain-Relieving Layers |
-
2014
- 2014-08-06 CN CN201410384134.8A patent/CN105336770A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140054607A1 (en) * | 2009-10-14 | 2014-02-27 | International Rectifier Corporation | Group III-V Device with Strain-Relieving Layers |
| CN102064108A (zh) * | 2010-11-12 | 2011-05-18 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种制造介质/氮化物复合结构增强型场效应管的方法 |
| CN202564376U (zh) * | 2010-11-16 | 2012-11-28 | 罗姆股份有限公司 | 氮化物半导体元件及氮化物半导体封装 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105322009A (zh) * | 2015-11-09 | 2016-02-10 | 江西省昌大光电科技有限公司 | 氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法 |
| CN107546198A (zh) * | 2016-06-29 | 2018-01-05 | 江西省昌大光电科技有限公司 | 一种gan基电子器件及其制备方法 |
| CN111129114A (zh) * | 2019-12-26 | 2020-05-08 | 西安电子科技大学芜湖研究院 | 一种Si基GaN外延低位错薄膜及其制备方法 |
| CN112510088A (zh) * | 2020-12-01 | 2021-03-16 | 晶能光电（江西）有限公司 | 沟槽栅增强型GaN基HEMT器件及其制备方法 |
| CN112510088B (zh) * | 2020-12-01 | 2023-08-29 | 晶能光电股份有限公司 | 沟槽栅增强型GaN基HEMT器件及其制备方法 |
| CN113594247A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-11-02 | 电子科技大学 | 一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管 |
| CN113594247B (zh) * | 2021-07-30 | 2024-01-26 | 电子科技大学 | 一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管 |
| CN115842042A (zh) * | 2023-02-20 | 2023-03-24 | 江苏能华微电子科技发展有限公司 | 一种外延层结构及其制备方法和应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105336770A (zh) | 氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法 | |
| US9331163B2 (en) | Transistor with diamond gate | |
| CN104201202B (zh) | 一种具有复合势垒层的氮化镓基异质结场效应管 | |
| JP2009049121A (ja) | ヘテロ接合型電界効果トランジスタ及びその製造方法 | |
| CN108140563A (zh) | 半导体元件用外延基板、半导体元件和半导体元件用外延基板的制造方法 | |
| JP2008091595A (ja) | 半導体装置およびその製造方法 | |
| CN105322009A (zh) | 氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法 | |
| CN102969341A (zh) | 组分渐变AlyGa1-yN缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构 | |
| CN102931229B (zh) | 一种AlGaN/GaN/InGaN双异质结材料及其生产方法 | |
| US9382641B2 (en) | Epitaxial substrate for semiconductor device, semiconductor device, and method of manufacturing epitaxial substrate for semiconductor device | |
| CN102646700A (zh) | 复合缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构 | |
| US10770552B2 (en) | Epitaxial substrate for semiconductor elements, semiconductor element, and manufacturing method for epitaxial substrates for semiconductor elements | |
| CN102931230B (zh) | 铝镓氮做高阻层的双异质结氮化镓基hemt及制作方法 | |
| US20140167058A1 (en) | Compositionally graded nitride-based high electron mobility transistor | |
| Kikkawa et al. | Current status and future prospects of GaN HEMTs for high power and high frequency applications | |
| CN102427084A (zh) | 氮化镓基高电子迁移率晶体管及制作方法 | |
| CN104465403B (zh) | 增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法 | |
| JP2016139655A (ja) | 半導体装置及び半導体装置の製造方法 | |
| CN102544086A (zh) | 氮化镓基高电子迁移率晶体管及其制作方法 | |
| JP2018041786A (ja) | 半導体結晶基板、半導体装置、半導体結晶基板の製造方法及び半導体装置の製造方法 | |
| JP6944569B2 (ja) | 半導体素子用エピタキシャル基板および半導体素子 | |
| CN105428395A (zh) | 高电子迁移率晶体管及其外延结构、及外延结构制造方法 | |
| CN109888009B (zh) | 具有AlGaN/GaN异质结的横向晶体管及其制作方法 | |
| CN110838518A (zh) | 一种hemt器件的外延结构及其制备方法和应用 | |
| CN213459745U (zh) | 高电子迁移率晶体管外延结构及高电子迁移率晶体管 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160217 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |