CN107546261A - 半绝缘GaN薄膜及高电子迁移率晶体管外延结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半绝缘GaN薄膜及高电子迁移率晶体管外延结构，其中，该半绝缘GaN薄膜为碳和铁掺杂的半绝缘GaN薄膜层，其中，碳的掺杂浓度范围为1×10¹⁶cm^‑3～1×10²⁰cm^‑3；铁的掺杂浓度范围为1×10¹⁶cm^‑3～1×10²⁰cm^‑3。本发明操作方法简单、成本低、工作效率高，通过该方法制备的半绝缘GaN品质高、纯度高，对杂质的记忆效应小，绝缘性能好，并能有效的减少漏电流。

Description

半绝缘GaN薄膜及高电子迁移率晶体管外延结构

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种半绝缘GaN薄膜及高电子迁移率晶体管外延结构。

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，GaN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。

由于AlGaN/GaN异质结构击穿电压大，因极化可产生高浓度二维电子气(2DEG)，并具有很高的电子迁移率，因此在微波功率器件应用方面引起了广泛关注。如有时GaN晶体管的基板和有源器件之间的隔离电压超过300V，此时一高阻GaN层作为隔离层，这样使得GaN晶体管与底层绝缘，这种方法能以单片方式制造出任何结构的多个晶体管器件，并且本身就具有高效通用的散热机制，在器件和散热器之间不需要绝缘层，同时也减少漏电流，提高了AlGaN/GaN HEMT器件的功率密度及其高温、高频性能。因此在器件材料结构中外延生长高阻GaN层是十分必要的。

GaN薄膜一般呈现n型导电类型，单晶薄膜的晶格中容易自然形成大量的氮空位缺陷并结合其他的浅施主杂质而产生较高的背景电子浓度。在现有技术中，多数采用在GaN中添加过渡金属深受体掺杂剂，例如Mn、Fe、Co、Ni、Cu等以补偿其中的供体物质赋予GaN半绝缘特性来解决这一问题。当然，也有通过将Fe或Cr添加到通过氢化物气相外延生长的GaN获得高电阻晶体、将Fe引入由金属有机化学气相沉积生长的GaN膜类似地获得半绝缘特性等方法解决该问题。但是，由于过渡金属有很强的散射作用，会减小HEMT器件沟道层中电子的迁移速率。

另外，已公开了一种制造高电阻GaN块体晶体的方法，所述方法在约0.5-2.0GPa的高压和1300-1700摄氏度的高温下镓和Ⅱ族金属氮化物中的氮原子进行结晶。获得104-108欧姆-厘米电阻的GaN晶体。

除上文所述，添加过渡金属深受体掺杂剂Fe等获得高电阻晶体外，同时采用非故意掺杂碳作为一种P型掺杂剂，还具有其它P型掺杂剂无法企及的有点：(1)最低的扩散系数；(2)较低的电离能；(3)和故意掺杂碳相比没有记忆效应。同时碳作为两性杂质，在GaN中的掺杂具有自补偿效应，其补偿度对载流子浓度有重要影响。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种半绝缘GaN薄膜及高电子迁移率晶体管外延结构，该方法操作简单、成本低、工作效率高，能有效的控制半绝缘GaN的电阻。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种半绝缘GaN薄膜，该半绝缘GaN薄膜为碳和铁掺杂的半绝缘GaN薄膜层，其中，碳的掺杂浓度范围为1×10¹⁶cm^-3～1×10²⁰cm^-3；铁的掺杂浓度范围为1×10¹⁶cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

进一步优选地，所述GaN薄膜的厚度范围为0.5μm～6μm。

进一步优选地，在所述半绝缘GaN薄膜中，铁掺杂的掺杂剂为二茂铁。

进一步优选地，在所述半绝缘GaN薄膜层中，通过调整生长参数的方式实现碳和铁的掺杂，所述生长参数包括生长压力、生长温度、生长速率和V/III比。

进一步优选地，所述半绝缘GaN薄膜层的生长温度范围为800℃～1200℃，生长室的压力范围为30torr～760torr，生长速率的范围为1μm/h～10μm/h，V/III比的范围为5～500。

本发明还提供了一种高电子迁移率晶体管外延结构，包括：在衬底上从下到上依次生长的AlN和AlGaN位错过滤层、应力控制层、如权利要求1-5任意一项所述的半绝缘GaN薄膜层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层以及GaN冒层。

进一步优选地，在所述半绝缘GaN薄膜层中，碳的浓度范围为1×10¹⁶cm^-3～1×10²⁰cm^-3，铁的浓度范围为1×10¹⁶cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

本发明的有益效果：本发明操作方法简单、成本低、工作效率高，通过该方法制备的半绝缘GaN品质高、纯度高，杂质的记忆效应小，绝缘性能好，能有效的减少漏电流。

附图说明

图1为本发明中半绝缘GaN薄膜生长结构示意图；

图2为本发明中高电子迁移率晶体管外延结构示意图。

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1

如图1所示为本实施方式制备的半绝缘GaN薄膜的结构示意图，具体，制备该半绝缘GaN薄膜包括以下步骤：

首先，将(0001)晶向的蓝宝石衬底101放入MOCVD反应室中；然后，在H₂(氢气)环境中升温至1180℃(摄氏度)进行高温处理衬底10min(分钟)；接着，降温至550℃，600mbar(毫巴)压力条件下生长25nm(纳米)厚的GaN缓冲层102；之后，升温至1150℃，在50torr压力条件下，通入二茂铁掺杂气体，同时改变生长条件，例如低压、低温、低V/III比，生长碳和铁浓度为1×10¹⁸cm^-3(每立方厘米)3um(微米)厚的半绝缘GaN薄膜层103；最后，降温至室温，生长结束，得到该半绝缘GaN薄膜。

实施例2

如图2所示为基于本发明提供的半绝缘GaN薄膜制备的高电子迁移率晶体管外延结构示意图，具体，制备步骤包括：

首先，将硅衬底201放入MOCVD系统的生长室中；然后，在H₂环境中升温至1180℃进行高温处理衬底10min；之后，降温至

1060℃，通入三甲基铝处理20s，在硅衬底表面形成Al层202；之后，通入氨气和三甲基铝生长100nm厚的AlN层203；之后，通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生长0.5um厚的AlGaN层204；之后，采用低温、低压和低V/III比条件，在1050℃和60torr压力条件下，通入二茂铁掺杂气体，生长铁和碳浓度为1×10¹⁸cm^-3的2um厚的半绝缘GaN薄膜层205；之后，关闭二茂铁在1080℃和200torr压力条件下，生长1.0um厚GaN沟道层206；之后，关闭三甲基镓，打开三甲基铝，在1100℃下生长1nm厚AlN插入层207；之后，打开三甲基稼，在1100℃下生长30nm厚AlGaN势垒层208；之后，关闭三甲基铝，在1100℃下生长2nm厚GaN冒层209；最后，关闭降温至室温，生长结束，得到该高电子迁移率晶体管外延结构。

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 (7)

1.一种半绝缘GaN薄膜，其特征在于，所述半绝缘GaN薄膜为碳和铁掺杂的半绝缘GaN薄膜层，其中，碳的掺杂浓度范围为1×10¹⁶cm^-3～1×10²⁰cm^-3；铁的掺杂浓度范围为1×10¹⁶cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

2.根据权利要求1所述的半绝缘GaN薄膜，其特征在于，所述GaN薄膜的厚度范围为0.5μm～6μm。

3.根据权利要求1或2所述的半绝缘GaN薄膜，其特征在于，在所述半绝缘GaN薄膜中，铁掺杂的掺杂剂为二茂铁。

4.根据权利要求1所述的半绝缘GaN薄膜，其特征在于，在所述半绝缘GaN薄膜层中，通过调整生长参数的方式实现碳和铁的掺杂，所述生长参数包括生长压力、生长温度、生长速率和V/III比。

5.根据权利要求4所述的半绝缘GaN薄膜，其特征在于，所述半绝缘GaN薄膜层的生长温度范围为800℃～1200℃，生长室的压力范围为30torr～760torr，生长速率的范围为1μm/h～10μm/h，V/III比的范围为5～500。

6.一种高电子迁移率晶体管外延结构，其特征在于，所述高电子迁移率晶体管外延结构中包括：在衬底上从下到上依次生长的AlN和AlGaN位错过滤层、应力控制层、如权利要求1-5任意一项所述的半绝缘GaN薄膜层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层以及GaN冒层。

7.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，在所述半绝缘GaN薄膜层中，碳的浓度范围为1×10¹⁶cm^-3～1×10²⁰cm^-3，铁的浓度范围为1×10¹⁶cm^-3～1×10²⁰cm^-3。