CN107068750B - 一种基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构及其制造方法。该器件外延结构包括：Si衬底（1）、AlN成核层（2）、AlGaN过渡层（3‑5）、第一AlGaN缓冲层（6）、低温AlN插入层（7）、第二AlGaN缓冲层（8）、AlGaN/GaN超晶格层（9）、GaN沟道层（10）、AlGaN势垒功能层（11）、GaN帽层（12）。本发明制备的外延晶体质量高、沟道载流子限域性好、栅极漏电流小，制备的器件具有高击穿电压、高电流密度、低关态漏电、以及优良的夹断特性，且高温下性能退化小。本发明的基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构制造工艺简单，重复性好，适用于高压大功率电子器件等应用。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件，具体的说是一种基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构及其制造方法，可用于高压大功率应用场合以及构成数字电路基本单元。背景技术
随着现代武器装备和航空航天、核能、通信技术、汽车电子、开关电源的发展，对半导体器件的性能提出了更高的要求。作为宽禁带半导体材料的典型代表，GaN 基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强高、热导率高、稳定性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。另外，GaN 还具有优良的电子特性，可以和AlGaN 形成调制掺杂的AlGaN/GaN 异质结构，该结构在室温下可以获得高于1500cm2/Vs的电子迁移率，以及高达3×107cm/s 的峰值电子速度和2×107cm/s 的饱和电子速度，并获得比第二代化合物半导体异质结构更高的二维电子气密度，被誉为是研制微波功率器件的理想材料。因此，基于AlGaN/GaN 异质结的高电子迁移率晶体管HEMT 在微波大功率器件方面具有非常好的应用前景。GaN 是第三代半导体材料的典型代表，具有宽禁带、高击穿电场、高频、高效等优异性质，GaN 基材料和器件是电力电子行业发展的方向。为了替代现有的Si 基电力电子器件，GaN 基高压材料和器件需要在保持高性能的前提下极大地降低生产成本。在大尺寸 Si 衬底上制备 GaN 基外延材料和器件，是平衡性能和成本的最佳解决方案。目前，国内大量的高科技公司和科研单位希望可以在大尺寸（6英寸及以上Si衬底上生长平整、无龟裂的高质量 GaN 基高压外延材料，同时结合Si基器件CMOS工艺开发，研制600V和1200V高压开关器件，探索影响器件性能和可靠性的关键物理机制，并对所制作的器件进行应用验证和产品开发。大尺寸Si衬底上生长平整的GaN基外延材料由于GaN和Si衬底之间存在巨大的晶格失配（-17%）和热失配（116%），在Si衬底上生长GaN基材料单晶是非常困难的。特别是GaN基材料和Si衬底之间的热失配会在高温生长GaN基外延材料结束后，在降温过程中引入大的张应力（>1G帕斯卡），这个由于热失配引起的张应力会导致外延片强烈翘曲甚至龟裂。如何避免Si衬底上生长GaN基材料时外延材料的龟裂，降低大尺寸Si衬底上 GaN基外延材料的翘曲，是该领域最重大的技术难点。
大尺寸Si衬底上GaN基异质结结构的生长和优化GaN基异质结结构中，AlGaN势垒层受到了GaN沟道层施加的张应力，应力的释放会在异质结中引入各种缺陷，从而造成 GaN基高压开关器件电学性能的下降和可靠性的问题。而Si衬底上GaN基异质结结构的生长则更为困难，因为Si衬底上GaN基材料具有更高的缺陷密度（包括位错和背景杂质），而且GaN基材料受到更大的应力，此应力会与异质结结构中的应力累加，更多的缺陷和更大的应力会促使Si衬底上GaN基异质结结构中应力的加速释放，造成器件的可靠性问题。
发明内容本发明的目的在于克服上述已有技术的缺陷，从器件纵向结构的优化角度提出一种基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构及其制造方法，提高外延材料晶体质量和性能，降低工艺难度，提高器件的可靠性。本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构及其制造方法，其包括从下至少上依次层叠的Si衬底、AlN成核层、AlGaN过渡层、第一AlGaN缓冲层、低温AlN插入层、第二AlGaN缓冲层、AlGaN/GaN超晶格层、GaN沟道层、AlGaN势垒功能层、GaN帽层。
进一步地，Si衬底尺寸为2inch-10inch。
进一步地，AlGaN过渡层总共三层，其中从下至上每层的Al元素摩尔含量依次为x、y和z，并满足关1＞x＞y＞z＞0的关系。
进一步地，AlGaN过渡层总共三层，从下至上其厚度依次为h1、h2和h3，并满足关300nm＞h3＞h2＞h1＞50nm的关系。
进一步地，第一AlGaN缓冲层和第二AlGaN缓冲层中的Al元素摩尔含量分别为m和n，满足关系式m>0和n>0。
进一步地，第一AlGaN缓冲层和第二AlGaN缓冲层中间穿插低温AlN插入层，以降低材料累积应力。
进一步地，GaN沟道层下有AlGaN/GaN超晶格层，超晶格周期大于5个周期。
进一步地，GaN沟道层和AlGaN势垒功能层界面处形成的高浓度二维电子气的沟道。
进一步地，AlGaN势垒功能层上有一层GaN帽层。
制备所述的基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构的方法，包括如下步骤：
1)在反应室中对Si衬底表面进行退火处理；
2)在衬底上外延AlN成核层，为后续生长提供成核节点；
3)在AlN成核层的基础上外延生长AlGaN过渡层，共三层，其Al元素的摩尔含量依次下降，厚度依次增加；
4)在AlGaN过渡层基础上外延第一AlGaN缓冲层和第二AlGaN缓冲层作为器件材料的主干层，其中Al组分大于零，中间穿插低温AlN插入层以降低材料累积应力；
5)在第二AlGaN缓冲层基础上外延AlGaN/GaN超晶格层，超晶格周期大于5个周期；
6)外延生长GaN沟道层；
7)外延生长AlkGa（1-k）N势垒功能层，其Al元素的摩尔含量k满足0.5>k>0.2；
8)外延生长GaN帽层。
进一步地，所述退火处理的温度为1100摄氏度，时间15分钟。
进一步地，所述AlGaN过渡层，通过渐变Al组分和厚度，缓解晶格失配程度，降低失配应力，提高材料的晶体质量。
进一步地，所述低温AlN插入层和AlGaN/GaN超晶格层，缓解晶格累积的失配应力的同时，提高材料的结晶质量。
进一步地，所述第二AlGaN缓冲层、AlGaN/GaN超晶格层、GaN沟道层和AlGaN势垒功能层，形成AlGaN/GaN/AlGaN双异质结结构，提高沟道载流子限域性，增强器件的击穿电压。
进一步地，所述GaN帽层，一方面使AlGaN势垒功能层处于应变状态，改善AlGaN/GaN界面质量，提高载流子迁移率，另一方面降低栅极漏电流。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
该外延是基于Si衬底上的GaN基高压高电子迁移率晶体管器件外延结构，通过优化工艺条件，一方面抑制材料失效，另一方面提高薄膜质量，在大尺寸的Si衬底上制备的外延具有晶体质量高、沟道载流子限域性好、栅极漏电流小的特点。该外延结构可以更为容易的实现CMOS兼容的GaN电子器件工艺，制备GaN基高压HEMT器件。采用发明的外延结构制备的器件高击穿电压、高电流密度、低关态漏电、优良的夹断特性，且高温下性能退化小。本发明的基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构制造工艺简单，重复性好，适用于高压大功率电子器件等应用。
附图说明 图1 是实例中基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构及其制造方法的结构示意图。
图2a~图2j是本发明实例中基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构的制备过程示意图。
图3 是本发明和传统结构的电流-电压曲线。
具体实施方式 以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或工艺参数，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
参照图1，一种基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构，包括：Si衬底1、AlN成核层2、AlGaN过渡层（3-5）、第一AlGaN缓冲层6、低温AlN插入层7、第二AlGaN缓冲层8、AlGaN/GaN超晶格层9、GaN沟道层10、AlGaN势垒功能层即AlGaN势垒层11、GaN帽层12。
AlN成核层2外延在Si衬底1上面；AlxGa（1-x）N过渡层（3-5）外延在AlN成核层2上面，一共三层，从下至上其Al元素摩尔含量依次下降，分别取值0.75、0.40和0.2，单层厚度h依次增加，分别取值为140nm、190nm和240nm；AlmGa（1-m）N缓冲层即对应第一AlGaN缓冲层6外延在AlxGa（1-x）N过渡层（3-5）上面，其Al元素摩尔含量为7%,厚度为200nm；低温AlN插入层7外延在AlyGa（1-y）N缓冲层上面，厚度为10nm。
AlnGa（1-n）N缓冲层即对应第二AlGaN缓冲层8外延在低温AlN插入层7上面，其Al元素摩尔含量为5%,厚度为1.2µm；AliGa（1-i）N/GaN超晶格层9外延在AlnGa（1-n）N缓冲层上面，超晶格周期为8个周期，其中AliGa（1-i）N和GaN单层厚度分别为5nm和10nm，AliGa（1-i）N中的Al元素摩尔含量为10%；GaN沟道层10外延在AliGa（1-i）N/GaN超晶格层9上面，厚度为2.4µm；AlkGa（1-k）N势垒功能层11外延在GaN沟道层10上面，其Al元素摩尔含量为27%，厚度为27nm；GaN帽层12外延在AlkGa（1-k）N势垒功能层11上，厚度1.5nmm。
仅作为举例，如图2a～图2j，具体实施步骤如下：：
步骤一，对衬底进行退火处理,温度1100摄氏度，时间15分钟；
步骤二，AlN成核层2外延在Si衬底1上面；
步骤三，AlxGa（1-x）N过渡层（3-5）外延在AlN成核层2上面，一共三层，其Al元素摩尔含量依次下降，分别取值0.75、0.40和0.2，单层厚度h依次增加，分别取值为140nm、190nm和240nm；
步骤四，AlmGa（1-m）N缓冲层16外延在AlxGa（1-x）N过渡层（3-5）上面，其Al元素摩尔含量为7%,厚度为200nm；
步骤五，低温AlN插入层7外延在AlyGa（1-y）N缓冲层上面，厚度为10nm；
步骤六，AlnGa（1-n）N缓冲层外延在低温AlN插入层7上面，其Al元素摩尔含量为5%,厚度为1.2µm；
步骤七，AliGa（1-i）N/GaN超晶格层9外延在AlnGa（1-n）N缓冲层28上面，超晶格周期为8个周期，其中AliGa（1-i）N和GaN单层厚度分别为5nm和10nm，AliGa（1-i）N中的Al元素摩尔含量为10%；
步骤八，GaN沟道层10外延在AliGa（1-i）N/GaN超晶格层9上面，厚度为2.4µm；
步骤九，AlkGa（1-k）N势垒功能层11外延在GaN沟道层10上面，其Al元素摩尔含量为27%，厚度为27nm；
步骤十，GaN帽层12外延在AlGaN势垒功能层11上。
该外延是基于Si衬底上的GaN基高压高电子迁移率晶体管器件外延结构，通过优化工艺条件，一方面抑制材料失效，另一方面提高薄膜质量，在大尺寸的Si衬底上制备的外延具有晶体质量高、沟道载流子限域性好、栅极漏电流小的特点。该外延结构可以更为容易的实现CMOS兼容的GaN电子器件工艺，制备GaN基高压HEMT器件。采用发明的外延结构制备的器件高击穿电压、高电流密度、低关态漏电、优良的夹断特性，且高温下性能退化小。本发明的基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构制造工艺简单，重复性好，适用于高压大功率电子器件等应用。本发明和传统结构相比，漏电流明显减小，如图3所示。
上述实施例仅本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构，其特征在于包括从下至少上依次层叠的Si衬底(1)、AlN成核层(2)、AlGaN过渡层(3-5)、第一AlGaN缓冲层(6)、低温AlN插入层(7)、第二AlGaN缓冲层(8)、AlGaN/GaN超晶格层(9)、GaN沟道层(10)、AlGaN势垒功能层(11)、GaN帽层(12)；AlGaN过渡层(3-5)总共三层，其中从下至上每层的Al元素摩尔含量依次为x、y和z，并满足关1＞x＞y＞z＞0的关系；AlGaN过渡层(3-5)总共三层，从下至上其厚度依次为h1、h2和h3，并满足关300nm＞h3＞h2＞h1＞50nm的关系；第一AlGaN缓冲层(6)和第二AlGaN缓冲层(8)中的Al元素摩尔含量分别为m和n，满足关系式m>0和n>0。
2.根据权利要求1所述的一种基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构，其特征在于Si衬底尺寸为2inch-10inch。
3.根据权利要求1所述的一种基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构，其特征在于GaN沟道层(10)下有AlGaN/GaN超晶格层，超晶格周期大于5个周期。
4.根据权利要求1所述的一种基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构，其特征在于GaN沟道层(10)和AlGaN势垒功能层(11)界面处形成的高浓度二维电子气(2DEG)的沟道。
5.根据权利要求1所述的一种基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构，其特征在于AlGaN势垒功能层(11)上外延生长一层GaN帽层(12)。
6.制备权利要求1～5任一项所述的一种基于Si衬底的GaN基高压HEMT器件外延结构的方法，其特征在于包括如下步骤:
1)在反应室中对Si衬底表面进行退火处理，温度1100摄氏度，时间15分钟；
2)在衬底上外延AlN成核层(2)，为后续生长提供成核节点；
3)在AlN成核层(2)的基础上外延生长AlGaN过渡层(3-5)，共三层，其Al元素的摩尔含量依次下降，厚度依次增加；
4)在AlGaN过渡层(3-5)基础上外延第一AlGaN缓冲层(6)和第二AlGaN缓冲层(8)作为器件材料的主干层，其中Al组分大于零，中间穿插低温AlN插入层(7)以降低材料累积应力；
5)在第二AlGaN缓冲层(8)基础上外延AlGaN/GaN超晶格层(9)，超晶格周期大于5个周期；
6)外延生长GaN沟道层(10)；
7)外延生长AlkGa(1-k)N势垒功能层(11)，其Al元素的摩尔含量k满足0.5>k>0.2；
外延生长GaN帽层(12)，厚度1～5nm。
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