CN105428395A - 高电子迁移率晶体管及其外延结构、及外延结构制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高电子迁移率晶体管及其外延结构、以及该外延结构制造方法。该外延结构包括衬底层，在该衬底层上从下至上依次生长成核层AlN；缓冲层AlGaN；模板层GaN；电子气限制层AlGaN；沟道层GaN；势垒层AlGaN。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AlGaN电子限制层限制二维电子气跳出量子阱的方法，能够提高材料的电子迁移率，降低GaN模板层中的缺陷对电子气的影响，进而降低了器件的电流坍塌，提高了器件的动态效应，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，以及该高电子迁移率晶体管的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(硅)衬底上依次生长一AlN(氮化铝)成核层和AlGaN(氮化镓铝)缓冲层；再在缓冲层上生长一GaN(氮化镓)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。电流坍塌一直以来制约着该级舰的动态输出功率和可靠性，外延材料中的体缺陷和界面态是引起电流坍塌的主要因素之一。
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电流坍塌效应小的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构，以及一种高电子迁移率晶体管。
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、电子气限制层、沟道层和势垒层，其中：所述成核层为AlN；所述缓冲层为AlGaN；所述模板层为GaN；所述电子气限制层为AlGaN，且在所述电子气限制层中包括预设组分的Al；所述沟道层为GaN；所述势垒层为AlGaN。
优选地，所述衬底层为蓝宝石、SiC(碳化硅)或Si。
优选地，所述GaN模板层的厚度为0.5μm～3μm(微米)。
优选地，所述AlGaN电子限制层厚度为0.1μm-3μm，Al组分小于20％或者大于50％。
为了得到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，生长GaN模板层；以及电子气限制层AlGaN，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电子气限制层AlGaN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AlGaN电子限制层厚度为0.1μm～3μm，Al组分小于20％或者大于50％。
基于以上氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构及其制造方法，本发明中还提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，其包括除了包括上述的高电子迁移率晶体管外延结构之外，还包括一盖帽层；且所述盖帽层为掺杂或非掺杂GaN。
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，利用AlGaN电子限制层有效的防止电子溢出，提高电子迁移率，降低GaN材料中缺陷对于电子气的影响，能够降低器件的电流坍塌效应，提高器件的动态特性，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为本发明中低电流坍塌的高电子迁移率晶体管外延结构的示意图；
图3为本发明中一种氮化镓基高电子迁移率晶体管结构示意图；
图4为本发明中另一种氮化镓基高电子迁移率晶体管结构示意图。
附图说明：
210-硅衬底，310-SiC衬底，220-AlN成核层，230-AlGaN缓冲层，240-GaN模板层，250-AlGaN电子限制层，260-GaN沟道层，270-AlGaN势垒层，280-GaN盖帽层。
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为本发明中提供的低电流坍塌的高电子迁移率晶体管外延结构的示意图，从图中可以看出，其在硅衬底210上通过MOCVD技术依次生长AlN成核层220、AlGaN缓冲层230、GaN模板层240、AlGaN电子限制层250、GaN沟道层260、以及AlGaN势垒层270。具体生长过程如下：选择硅(111)衬底210，首先，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；然后，温度保持不变，在硅衬底210衬底上生长一厚度为0.3μm的AlN成核层220；接着，在AlN成核层220上生长一厚度为0.2μm的AlGaN缓冲层230；随后，在AlGaN缓冲层230上生长厚度为2μm的GaN模板层240；再在GaN模板层240上依次生长AlGaN电子限制层250、GaN沟道层260、以及AlGaN势垒层270；关闭气体并降至室温。
实施例二
基于实施例一种提供的低电流坍塌的高电子迁移率晶体管外延结构，本实施例中提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，如图3所示，该氮化镓基高电子迁移率晶体管中除了包括如图2所示的高电子迁移率晶体管外延结构之外，还包括一GaN盖帽层280。在制作过程中，首先，利用MOCVD技术生长，将硅衬底210在1060℃的H2环境中表面处理5分钟；然后，温度保持不变，在硅衬底210衬底上生长一厚度为0.3μm的AlN成核层220；接着，在AlN成核层220上生长一厚度为0.2μm的AlGaN缓冲层230；随后，在AlGaN缓冲层230上生长厚度为2μm的GaN模板层240；再在GaN模板层240上依次生长AlGaN电子限制层250、GaN沟道层260、以及AlGaN势垒层270，紧接着再在AlGaN势垒层270上生长一掺杂或非掺杂GaN盖帽层280；最后制作器件源、欧姆接触电极和栅电极(图3中未标出)完成该高电子迁移率晶体管的制作。
实施例三
基于实施例一种提供的低电流坍塌的高电子迁移率晶体管外延结构，本实施例中提供另一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，如图4所示，与上一实施例中不同的是，在本实施例中，我们选用SiC衬底310作为衬底层。在制作过程中，利用MOCVD技术生长，首先，在SiC衬底310衬底上生长一厚度为0.3μm的AlN成核层220；接着，在AlN成核层220上生长一厚度为0.2μm的AlGaN缓冲层230；随后，在AlGaN缓冲层230上生长厚度为2μm的GaN模板层240；再在GaN模板层240上依次生长AlGaN电子限制层250、GaN沟道层260、以及AlGaN势垒层270，紧接着再在AlGaN势垒层270上生长一掺杂或非掺杂GaN盖帽层280；最后制作器件源、欧姆接触电极和栅电极(图4中未标出)完成该高电子迁移率晶体管的制作。
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)
1.一种低电流坍塌的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、电子气限制层、沟道层和势垒层，其中：所述成核层为AlN；所述缓冲层为AlGaN；所述模板层为GaN；所述电子气限制层为AlGaN，且在所述电子气限制层中包括预设组分的Al；沟道层为GaN；所述势垒层为AlGaN。
2.根据权利要求1所述的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衬底层或SiC衬底层或Si衬底层。
3.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管外延结构，其特征在于，所述电子气限制层中Al组分小于20％或者大于50％。
4.根据权利要求1或2或3所述高电子迁移率晶体管外延结构，其特征在于，所述电子气限制层的厚度为0.1μm～3μm。
5.一种低电流坍塌的高电子迁移率晶体管外延结构的制造方法，其特征在于，所述制造方法中包括以下步骤：
在衬底层上生长成核层；
在所述成核层上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长模板层；
在所述模板层上生长电子气限制层；
在所述电子气限制层上生长沟道层；以及
在所述沟道层上生长势垒层；
其中，所述成核层为AlN；所述缓冲层为AlGaN；所述模板层为GaN；所述电子气限制层为AlGaN，且在所述电子气限制层中包括预设组分的Al；沟道层为GaN；所述势垒层为AlGaN。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述衬底层为蓝宝石衬底层或SiC衬底层或Si衬底层。
7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述电子气限制层中的Al组分小于20％或者大于50％。
8.根据权利要求5或6或7所述的制造方法，其特征在于，所述电子气限制层的厚度为0.1μm～3μm。
9.一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述氮化镓基高电子迁移率晶体管中包括如权利要求1-4任意一项所述的低电流坍塌的高电子迁移率晶体管外延结构，还包括一盖帽层；所述盖帽层为掺杂或非掺杂GaN。
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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 | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160323 |