CN108615763B - 硅衬底GaN半导体器件外延材料结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件技术领域，针对硅衬底GaN半导体器件的电流崩塌问题，本发明公开了一种硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，包括自下而上逐层分布的Si基板衬底层、AlN形核层、AlGaN过渡层、AlNx/GaNx超级结构层、AlGaN约束层、GaN通道层、AlGaN障碍层和SiNx钝化层；本发明所述的硅衬底GaN半导体器件外延材料结构包括不同材料层,并且对不同材料层的厚度、所含物质进行了进一步控制，针对造成电流崩塌的每一个环节提供了解决办法，从而能够有效降低或排除硅衬底GaN半导体器件在室温和高温(>25℃)下的电流崩塌问题，使硅衬底GaN半导体器件的可靠性大幅度提高，以达到终端产品要求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体为一种硅衬底GaN半导体器件外延材料结构。
背景技术
电流崩塌是硅衬底GaN半导体器件致命的历史性问题。电流崩塌是在硅衬底GaN半导体器件在电路应用中电流突然大幅下降同时动态导通电阻突然大幅增加的现象。现有硅衬底GaN外延材料不能有效解决硅衬底GaN器件电流崩塌问题,极大的限制了硅衬底GaN半导体器件的研发与应用。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种硅衬底GaN半导体器件外延材料结构。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，包括自下而上逐层分布的Si基板衬底层、AlN形核层、AlGaN过渡层、AlNx/GaNx超级结构层、AlGaN约束层、GaN通道层、AlGaN障碍层和SiNx钝化层；
所述Si基板衬底层为单晶硅衬底层，当GaN半导体器件为功率器件时，Si基板衬底层采用P型半导体材料，Si基板衬底层的电阻值为0.001Ω·cm-10Ω·cm，厚度为100μm-2000μm，Si基板衬底层中碳杂质成分原子含量≤1E16个/cm3，当GaN半导体器件为射频器件时，Si基板衬底层采用N型半导体材料,Si基板衬底层的电阻值≥5000Ω·cm，厚度为500um-1000um，Si基板衬底层中碳杂质成分原子含量≤1E16个/cm3；
所述AlN形核层的厚度为1nm-10μm，所述AlN形核层中碳杂质成分原子含量为1E17个/cm3-5E22个/cm3；
所述AlGaN过渡层的厚度为0.01μm-10μm,所述AlGaN过渡层中Al的原子百分含量在10％-90％,碳杂质成分原子含量为1E17个/cm3-5E22个/cm3；
所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为0.1μm-1000μm且由多个AlNx/GaNx超级结构层叠而成，每个AlNx/GaNx超级结构由一层AlNx结构和一层GaNx结构构成，其中AlNx的厚度为1-10nm,GaNx的厚度为1-50nm，AlNx中Al的原子百分含量为10％-100％，GaNx中Ga的原子百分含量在50％-100％，所述AlNx/GaNx超级结构层中，碳杂质成分原子含量为1E17个/cm3-5E22个/cm3；
所述AlGaN约束层的厚度为1nm-100μm，所述AlGaN约束层中Al的原子百分含量为1-100％，碳杂质成分的原子含量≤3E16个/cm3；
所述GaN通道层的厚度为1nm-1000nm，所述GaN通道层中碳杂质成分的原子含量≤3E16个/cm3；
所述AlGaN障碍层的厚度为1nm-100nm，所述AlGaN障碍层中Al的原子百分含量在为5-100％，碳杂质成分原子含量≤3E16个/cm3，所述碳杂质成分由生长气体带入；
所述SiNx钝化层实时沉积在AlGaN障碍层上，且与AlGaN障碍层的初始的连接界面处形成连贯的原子链接；
GaN半导体器件的源极和漏极设于AlGaN障碍层之上，栅极金属和漂移区域设于SiNx钝化层之上，位移漂移区域下方的SiNx钝化层厚度为1nm-10000nm。
作为改进，位移漂移区域下方的SiNx钝化层中还插入有AlN插入层，所述AlN插入层的厚度为1nm-10nm。
作为优选，当GaN半导体器件为650V功率器件时，Si基板衬底层的电阻值为0.01Ω·cm-1.0Ω·cm，厚度为600μm-1500μm；当GaN半导体器件为1200V功率器件时，Si基板衬底层的电阻值为0.01Ω·cm-1.0Ω·cm，Si基板衬底层厚度为1000μm-2000μm；当GaN半导体器件为射频器件时，Si基板衬底层的电阻值为10000Ω·cm-50000Ω·cm。
作为改进，所述Si基板衬底层中，从上表面起计算，深度为50um-100um的区域内，碳杂质成份原子含量为1E19个/cm3-1E21个/cm3。
作为优选，所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为1μm-100μm，每个AlNx/GaNx超级结构中AlNx的厚度为4nm-6nm,GaNx的厚度为10nm-30nm，AlNx中Al的原子百分含量为80％-100％，GaNx中Ga的原子百分含量在80％-100％，所述AlNx/GaNx超级结构层中，碳杂质成分原子含量为5E17个/cm3-5E20个/cm3。
作为优选，当GaN半导体器件为射频器件时，所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为0.2μm-2μm，当GaN半导体器件为650VGaN功率器件时，所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为0.5μm-5μm，当GaN半导体器件为1200VGaN功率器件时，所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为2μm-7μm。
作为优选，所述AlGaN约束层的厚度为0.1μm-10μm，所述AlGaN约束层中Al的原子百分含量为5-100％。
作为优选，当GaN半导体器件为射频器件时，所述AlGaN约束层的厚度为0.2μm-1μm，当GaN半导体器件为650VGaN功率器件时，所述AlGaN约束层的厚度为0.5μm-2μm，当GaN半导体器件为1200VGaN功率器件时，所述AlGaN约束层的厚度为1μm-6μm。
作为优选，位于漂移区域下方的SiNx钝化层厚度为20-100nm。
作为优选，当GaN半导体器件为GaN射频器件时，位于栅极金属下方的SiNx钝化层厚度为0.5nm-10nm；当GaN半导体器件为650V或者1200VGaN功率器件时，位于栅极金属下方的SiNx钝化层厚度为10nm-50nm.
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：本发明所述的硅衬底GaN半导体外延材料结构，能够有效降低或排除硅衬底GaN半导体器件在室温和高温(>25℃)下的电流崩塌问题,使硅衬底GaN半导体器件的可靠性大幅度提高，以达到终端产品要求，使利用硅衬底GaN半导体器件研发设计相关整机产品(例如开关电源产品和能源转换产品等)成为可能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明各层碳杂质成分的分布示意图；
图3是本发明具有AlN插入层的结构示意图；
图4是本发明Si基板衬底层碳杂质成分的分布示意图；
图5是基于本发明设计的650V功率器件在150℃下的动态导通电阻与现有其他650V功率器件在150℃下的动态导通电阻对比示意图。
具体实施方式
结合图1至图5，详细说明本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
如图1和图2所示，一种硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，包括自下而上逐层分布的Si基板衬底层、AlN形核层、AlGaN过渡层、AlNx/GaNx超级结构层、AlGaN约束层、GaN通道层、AlGaN障碍层和SiNx钝化层；
其中：
(1)Si基板衬底层为单晶硅衬底层。
根据GaN半导体器件的具体类型，Si基板衬底层进行相应设计。具体地：a)当GaN半导体器件为功率器件时，Si基板衬底层采用P型半导体材料，其电阻值为0.001Ω·cm-10Ω·cm，典型的电阻值为0.01Ω·cm-1.0Ω·cm，理想的电阻值为0.05Ω·cm-0.5Ω·cm，Si基板衬底层的厚度为100μm-2000μm，典型的厚度为600μm-1500μm，Si基板衬底层中碳杂质成分原子含量≤1E16个/cm3；b)当GaN半导体器件为1200V功率器件时，Si基板衬底层采用P型半导体材料，其电阻值为0.001Ω·cm-10Ω·cm，典型的电阻值为0.01Ω·cm-1.0Ω·cm，理想的电阻值为0.05Ω·cm-0.5Ω·cm，Si基板衬底层的典型厚度为1000μm-2000μm，理想厚度为1200μm-1500μm，Si基板衬底层中碳杂质成分原子含量≤1E16个/cm3；c)当GaN半导体器件为射频器件时，Si基板衬底层采用N型半导体材料,其电阻值≥5000Ω·cm，典型的电阻值为10000-50000Ω·cm，厚度为500um-1000um，Si基板衬底层中碳杂质成分原子含量≤1E16个/cm3；
当针对其他GaN半导体器件时，可视应用特性，电压，晶圆尺寸，翘曲度要求调整Si基板衬底厚度。
(2)AlN形核层的厚度为1nm-10μm，典型厚度为0.1μm-1.0μm，理想厚度为0.2μm-0.5μm，AlN形核层中碳杂质成分原子含量为1E17个/cm3-5E22个/cm3，典型含量为5E17个/cm3-5E20个/cm3，理想含量为1E19个/cm3-1E20个/cm3。
对于高电压应用，AlN形核层的厚度可适当上调。当针对其他GaN半导体器件时，可视应用特性及电压调整AlN形核层厚度。
在AlN形核层中，由于大力增加碳杂质的含量，使得可以降低通过器件的漏电流，并且可以建立一个内在的反向电场来有效抑制和阻挡从Si/AlN界面产生的电子注射进入AlN形核层，从而大幅提高硅衬底GaN半导体器件的可靠性。
(3)AlGaN过渡层的厚度为0.01μm-10μm,典型厚度为0.1μm-1.0μm，理想厚度为0.2μm-0.6μm，AlGaN过渡层中Al的原子百分含量在10％-90％,典型含量为20％-60％，理想含量为30％-40％，碳杂质成分原子含量为1E17个/cm3-5E22个/cm3，典型含量为5E17个/cm3-5E20个/cm3，理性含量为1E18个/cm3-5E18个/cm3；
对于高电压应用，AlGaN过渡层的厚度可适当上调。当针对其他GaN半导体器件时，可视应用特性及电压调整AlGaN过渡层厚度。
在AlGaN过渡层中，由于大力增加碳杂质的含量，使得可以降低通过器件的漏电流，并且可以建立一个内在的反向电场来抑制和阻挡从Si/AlN界面产生的电子注射进入AlGaN过渡层，从而大幅提高硅衬底GaN半导体器件的可靠性。
(4)AlNx/GaNx超级结构层由多个AlNx/GaNx超级结构层叠而成，每个AlNx/GaNx超级结构由一层AlNx结构和一层GaNx结构构成，在每个AlNx/GaNx超级结构中：a)AlNx实为AlGaN,其中Ga的成分偏低，所以一般简称AlNx或Al(Ga)Nx,加入Ga的原因是便于生长，AlNx的厚度为1nm-10nm，典型厚度为4nm-6nm，理想厚度为5nm，AlNx中Al的原子百分含量为10％-100％，典型含量为80％-100％，理想含量为90％左右，当AlNx中Al的原子百分含量达到90％时，其Ga的原子百分含量为10％；b)GaNx实为AlGaN,其中Al的成分偏低，所以一般简称GaNx或(Al)GaNx,加入Al的原因是便于生长，GaNx的厚度为1nm-50nm，典型厚度为10nm-30nm，理想厚度为20nm左右，GaNx中Ga的原子百分含量在50％-100％，典型含量为80％-100％，理想含量为90％左右,当GaNx中Ga的原子百分含量达到90％时，其Al的原子百分含量为10％；而AlNx/GaNx超级结构层的总体厚度为0.1μm-1000μm，典型厚度为1μm-100μm，AlNx/GaNx超级结构层中，碳杂质成分原子含量为1E17个/cm3-5E22个/cm3，典型含量为5E17个/cm3-5E20个/cm3，理想含量为1E18个/cm3-5E18个/cm3；例如：如果一个AlNx/GaNx超级结构中，AlNx的厚度为5nm，GaNx的厚度为20nm，那么要形成2.5μm AlNx/GaNx超级结构层,那就需要100个AlNx(5nm)/GaNx(20nm)超级结构叠加而成。
根据GaN半导体器件的具体类型，AlNx/GaNx超级结构层可以做进一步地优化设计，具体地：a)当GaN半导体器件为射频器件时，AlNx/GaNx超级结构层的厚度可适当降低，典型厚度为0.2μm-2μm；b)当GaN半导体器件为650VGaN功率器件时，AlNx/GaNx超级结构层的典型厚度为0.5μm-5μm，理想厚度为3μm左右；c)当GaN半导体器件为1200VGaN功率器件时，AlNx/GaNx超级结构层的典型厚度为2μm-7μm，理想厚度为3μm-5μm。
当针对其他电压范围的GaN半导体器件时，可根据需要调节AlNx/GaNx超级结构层的厚度。例如：对1700V GaN功率器件，可以以300V/μm的比例和上面材料厚度所需要的压应力来抗衡冷却过程中产生的张应力增加AlNx/GaNx超级结构层厚度。多个AlNx/GaNx超级结构中AlNx高的禁带宽度和形成的多个AlNx/GaNx界面能够有效的阻挡电子的迁移并能够利用界面吸收消除位错。可利用调节AlNx/GaNx超级结构层厚度来控制所需要的压应力来抗衡冷却过程中产生的张应力。
在AlNx/GaNx超级结构层中，碳杂质可在GaN或AlGaN材料中形成陷阱，俘获在高的电场驱动下跑出来二维电子气的电子。在AlNx/GaNx超级结构层中，由于大力增加碳杂质的含量，使得可以降低通过的器件的漏电流，并且可以建立一个内在的反向电场来抑制和阻挡从Si/AlN界面产生的电子注射，从而提高硅衬底GaN半导体器件的可靠性。
(5)AlGaN约束层的厚度为1nm-100μm，典型厚度为0.1μm-10μm，AlGaN约束层中Al的原子百分含量为1-100％，典型含量为5-100％，理想含量为6-8％，碳杂质成分的原子含量≤3E16个/cm3；
根据GaN半导体器件的具体类型，AlGaN约束层可以做进一步地优化设计，具体地：a)当GaN半导体器件为射频器件时，AlGaN约束层的厚度可适当降低，典型厚度为0.2μm-1μm；b)当GaN半导体器件为650VGaN功率器件时，AlGaN约束层的典型厚度为0.5μm-2μm，理想厚度为1.3μm左右；c)当GaN半导体器件为1200VGaN功率器件时，AlGaN约束层的典型厚度为1μm-6μm，理想厚度为2.6mm左右。
当针对其他电压范围的GaN半导体器件时，可根据需要调节AlGaN约束层的厚度。AlGaN约束层的厚度应当以实际应用工作电压来决定。例如，对650VGaN功率器件，实际应用工作电压是400V，以每um GaN材料能承受300V电压为准，需要AlGaN约束层厚度1.3um.而对1200V GaN功率器件，实际应用工作电压是800V，以每um GaN材料能承受300V电压为准，需要AlGaN约束层厚度2.6um.以此类推。不论AlGaN约束层厚度多少，其中碳杂质成分在AlGaN约束层必须低于3E16/cm3以保证在开关转换过程中不产生电流崩塌。
在AlGaN约束层中，利用AlGaN高的禁带宽度，在导带中造成高的能带位置，以约束二维电子气保留在GaN通道层内，而不能跑到它外面，从而保持二维电子气的浓度和器件的电阻不变，进而防止电流崩塌。
碳杂质可在GaN或AlGaN材料中形成陷阱，俘获在高的电场驱动下跑出来二维电子气的电子，从而导致AlGaN约束层的电阻增加，造成电流崩塌。控制AlGaN约束层碳杂质含量处于较低水平，能够有助于消除电流崩塌。
(6)GaN通道层的厚度为1nm-1000nm，所述GaN通道层中碳杂质成分的原子含量≤3E16个/cm3。在AlGaN障碍层与GaN通道层之间的界面，产生二维电子气(two dimensionelectron gas,简称2DEG)，是导电载体，如图1中虚线所示。
根据GaN半导体器件的具体类型，GaN通道层可以做进一步地优化设计，具体地：a)当GaN半导体器件为射频器件时，GaN通道层的厚度可适当降低，典型厚度为20nm-300nm；b)当GaN半导体器件为650VGaN功率器件时，GaN通道层的典型厚度为50nm-500nm，理想厚度为200nm左右，c)当GaN半导体器件为1200VGaN功率器件时，GaN通道层的典型厚度为100nm-1000nm，理想厚度为300nm左右。
当针对其他电压范围的GaN半导体器件时，可视应用特性及电压调节GaN通道层的厚度。
由于碳杂质可在GaN或AlGaN材料中形成陷阱，俘获在高的电场驱动下跑出来二维电子气的电子，从而导致GaN通道层的电阻增加，造成电流崩塌。因此，在GaN通道层中，通过控制GaN通道层碳杂质含量处于较低水平，能够有助于消除电流崩塌。
(7)AlGaN障碍层的厚度为1nm-100nm，典型厚度为10nm-30nm，理想厚度为15nm-20nm，在AlGaN障碍层中Al的原子百分含量在为5-100％，典型含量为20-30％，理想含量为25％左右，碳杂质成分原子含量≤3E16个/cm3，碳杂质成分由生长气体带入。碳杂质成分含量可通过控制生长温度，生长气体的相对流量，薄膜生长速度等来控制。
同样基于碳杂质可在GaN或AlGaN材料中形成陷阱，俘获在高的电场驱动下跑出来二维电子气的电子，从而导致GaN通道的电阻增加，造成电流崩塌的原因，在AlGaN障碍层中，通过控制AlGaN障碍层中的碳杂质含量处于较低水平，能够有助于消除电流崩塌。
(8)SiNx钝化层实时沉积在AlGaN障碍层上，且与AlGaN障碍层的初始的连接界面处形成连贯的原子链接，GaN半导体器件的源极和漏极设于AlGaN障碍层之上，栅极金属和漂移区域设于SiNx钝化层之上，位移漂移区域下方的SiNx钝化层厚度为1nm-10000nm，典型厚度为20-100nm，理想厚度为30nm左右。
在AlGaN障碍层上，通过实时沉积的SiNx层来钝化表面，即在沉积完AlGaN障碍层之后，马上在同一个金属氧化物化学气相沉积腔体内生长，在最初的界面处，SiNx层钝化层能够与下面的AlGaN障碍层形成连贯的原子链接。
根据GaN半导体器件的具体类型，SiNx钝化层可以做进一步地优化设计，具体地：a)当GaN半导体器件为GaN射频器件时，位于栅极金属下方的SiNx钝化层厚度为0.5nm-10nm，典型厚度为10-50nm；当GaN半导体器件为650VGaN功率器件时，位于栅极金属下方的SiNx钝化层厚度为0.5nm-100nm，典型厚度为10nm-50nm，理想厚度为30-40nm。
为了进一步提高器件性能，对上述技术方案进行改进：
1.如图3所示，在位于漂移区域下方的实时沉积的SiNx钝化层中，可以插入一层实时AlN(氮化铝)插入层，在漂移区域里面，通过利用AlN高的禁带宽度(6.1eV)来抑制阻挡下面GaN通道里的二维电子气的电流载体电子跑掉到表面，形成电场减少GaN通道里的二维电子气的电流载体电子浓度而增加电阻，从而有助于消除电流崩塌。在栅极和欧姆接触(源极和漏极)下面不需要AlN插入层时，可通过刻蚀去除AlN插入层。可利用实时AlN插入层高的禁带宽度(6.1eV)和与实时SiNx的化学区别来作为刻蚀的阻挡层，例如，利用干法刻蚀气体如CF4或SF6时，刻蚀到AlN插入层时，刻蚀速率大大下降，之后再用BCl3去除AlN插入层，AlN插入层的厚度在1nm-10nm之间。
2.无论是功率器件还是射频器件，在Si基板衬底层中，碳杂质的具体分布情形可以进一步做优化设计，以碳杂质为碳杂质的情况为例，如图4所示，在Si基板衬底层中，从上表面起计算，深度为50um-100um的区域内，控制碳杂质成份原子含量为1E19个/cm3-1E21个/cm3，典型含量在5E19个/cm3-5E20个/cm3，理想含量为1E20个/cm3左右，即硅材料每立方厘米原子数的1％。由于碳杂质成份含量高，可以通过外延生长或离子注入来实现。在完成器件加工后，可进行背面减薄至Si基板衬底层上部100um左右。这样就可以利用碳原子高的黏着力，降低Si基板衬底晶格常数，从而降低晶格常数不匹配度，增加材料韧性，可在器件加工完成后进行背面减薄到75um-100um，提高导热效率，使高碳Si基板衬底上部50um-100um左右具有类似于碳化硅(SiC)的材料特性。
将本发明应用于650V功率器件对其在150℃下的动态导通电阻进行测量，并将测量结果与现有其他类型的650V功率器件的性能进行比较，如图5所示，为基于本发明设计的650V功率器件在150℃下的动态导通电阻与现有其他650V功率器件在150℃下的动态导通电阻对比示意图，从图中可以看出利用本发明的所述的硅衬底GaN外延材料加工的650V功率器件在150℃下的动态导通电阻消失。
从上述描述可以看出，本发明具有以下优点：
1.本发明通过对硅衬底GaN半导体器件外延材料结构进行八层设计，并且对每层碳杂质含量进行控制，能够有效抑制或去除硅衬底GaN半导体器件在室温和高温(>25℃)下的电流崩塌效应，从而解决电流崩塌问题。
2.本发明通过对AlGaN约束层的成分(尤其是Al的原子百分含量)、厚度和碳杂质含量进行控制，能够有效抑制或去除硅衬底GaN半导体器件在室温和高温(>25℃)下降低或排除电流崩塌效应。
3.本发明通过增加AlN插入层，利用AlN本身高的禁带宽度(6.1eV)来抑制下面的电流载体(二维电子气)的电子跑掉到表面，从而抑制电流崩塌效应。
4.本发明通过实时沉积的SiNx钝化层，来钝化AlGaN障碍层表面，从而降低或排除在不同电压下GaN半导体器件在室温和高温(>25℃)下电流崩塌问题。
5.本发明利用具有高的禁带宽度的AlN插入层与实时沉积的SiNx钝化层的化学区别能够将AlN插入层作为栅极开槽刻蚀时的中断层。
6.本发明利用实时沉积的SiNx钝化层作为栅极介质来降低栅极漏电，进而提高器件栅极可靠性。
7.本发明根据不同电压下GaN半导体器件的区别，对硅衬底GaN半导体器件外延材料结构进行针对性设计和碳杂质控制，能够提高不同电压下GaN半导体器件在室温和高温(>25℃)下的可靠性要求权利。
8.本发明通过对Si基板衬底层中深度为50um-100um的区域内的碳杂质分布进行控制，利用碳原子高的黏着力和高的碳含量，降低了Si基板衬底晶格常数，从而降低晶格常数不匹配度,减少位错密度和其它缺陷，获得类似于/倾向于SiC(碳化硅)的导热性能，增加材料韧性，并且可在器件加工完成后进行背面减薄到75um-100um然后镀金封装，提高导热效率。
综上所述，本发明基于对硅衬底GaN半导体器件行为的研究，特别是对硅衬底GaN半导体器件电流崩塌与外延材料结构设计/杂质含量控制互动的研究，针对不同的硅衬底GaN半导体器件(如GaN射频器件、650V GaN功率器件、1200V GaN功率器件等),设计了相应的硅衬底GaN半导体外延材料结构。本发明所述的硅衬底GaN半导体器件外延材料结构包括不同材料层,并且对不同材料层的厚度、所含物质进行了进一步控制，针对造成电流崩塌的每一个环节提供了解决办法。本发明所述的硅衬底GaN半导体外延材料结构，能够有效降低或排除硅衬底GaN半导体器件在室温和高温(>25℃)下的电流崩塌问题,使硅衬底GaN半导体器件的可靠性大幅度提高达到终端产品要求，使利用硅衬底GaN半导体器件研发设计相关整机产品(例如开关电源产品和能源转换产品等)成为可能。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，其特征在于：包括自下而上逐层分布的Si基板衬底层、AlN形核层、AlGaN过渡层、AlNx/GaNx超级结构层、AlGaN约束层、GaN通道层、AlGaN障碍层和SiNx钝化层；
所述Si基板衬底层为单晶硅衬底层，当GaN半导体器件为功率器件时，Si基板衬底层采用P型半导体材料，Si基板衬底层的电阻值为0.001Ω·cm-10Ω·cm，厚度为100μm-2000μm，Si基板衬底层中碳杂质成分原子含量≤1E16个/cm3，当GaN半导体器件为射频器件时，Si基板衬底层采用N型半导体材料,Si基板衬底层的电阻值≥5000Ω·cm，厚度为500um-1000um，Si基板衬底层中碳杂质成分原子含量≤1E16个/cm3；
所述AlN形核层的厚度为1nm-10μm，所述AlN形核层中碳杂质成分原子含量为1E17个/cm3-5E22个/cm3；
所述AlGaN过渡层的厚度为0.01μm-10μm,所述AlGaN过渡层中Al的原子百分含量在10％-90％,碳杂质成分原子含量为1E17个/cm3-5E22个/cm3；
所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为0.1μm-1000μm且由多个AlNx/GaNx超级结构层叠而成，每个AlNx/GaNx超级结构由一层AlNx结构和一层GaNx结构构成，其中AlNx的厚度为1-10nm,GaNx的厚度为1-50nm，AlNx中Al的原子百分含量为10％-100％，GaNx中Ga的原子百分含量在50％-100％，所述AlNx/GaNx超级结构层中，碳杂质成分原子含量为1E17个/cm3-5E22个/cm3；
所述AlGaN约束层的厚度为1nm-100μm，所述AlGaN约束层中Al的原子百分含量为1-100％，碳杂质成分的原子含量≤3E16个/cm3；
所述GaN通道层的厚度为1nm-1000nm，所述GaN通道层中碳杂质成分的原子含量≤3E16个/cm3；
所述AlGaN障碍层的厚度为1nm-100nm，所述AlGaN障碍层中Al的原子百分含量在为5-100％，碳杂质成分原子含量≤3E16个/cm3，所述碳杂质成分由生长气体带入；
所述SiNx钝化层实时沉积在AlGaN障碍层上，且与AlGaN障碍层的初始的连接界面处形成连贯的原子链接；
GaN半导体器件的源极和漏极设于AlGaN障碍层之上，栅极金属和漂移区域设于SiNx钝化层之上，位移漂移区域下方的SiNx钝化层厚度为1nm-10000nm。
2.根据权利要求1所述的硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，其特征在于：位移漂移区域下方的SiNx钝化层中还插入有AlN插入层，所述AlN插入层的厚度为1nm-10nm。
3.根据权利要求1所述的硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，其特征在于：当GaN半导体器件为650V功率器件时，Si基板衬底层的电阻值为0.01Ω·cm-1.0Ω·cm，厚度为600μm-1500μm；当GaN半导体器件为1200V功率器件时，Si基板衬底层的电阻值为0.01Ω·cm-1.0Ω·cm，Si基板衬底层厚度为1000μm-2000μm；当GaN半导体器件为射频器件时，Si基板衬底层的电阻值为10000Ω·cm-50000Ω·cm。
4.根据权利要求1所述的硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，其特征在于：所述Si基板衬底层中，从上表面起计算，深度为50um-100um的区域内，碳杂质成份原子含量为1E19个/cm3-1E21个/cm3。
5.根据权利要求1所述的硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，其特征在于：所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为1μm-100μm，每个AlNx/GaNx超级结构中AlNx的厚度为4nm-6nm,GaNx的厚度为10nm-30nm，AlNx中Al的原子百分含量为80％-100％，GaNx中Ga的原子百分含量在80％-100％，所述AlNx/GaNx超级结构层中，碳杂质成分原子含量为5E17个/cm3-5E20个/cm3。
6.根据权利要求5所述的硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，其特征在于：当GaN半导体器件为射频器件时，所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为0.2μm-2μm，当GaN半导体器件为650VGaN功率器件时，所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为0.5μm-5μm，当GaN半导体器件为1200VGaN功率器件时，所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为2μm-7μm。
7.根据权利要求1所述的硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，其特征在于：所述AlGaN约束层的厚度为0.1μm-10μm，所述AlGaN约束层中Al的原子百分含量为5-100％。
8.根据权利要求7所述的硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，其特征在于：当GaN半导体器件为射频器件时，所述AlGaN约束层的厚度为0.2μm-1μm，当GaN半导体器件为650VGaN功率器件时，所述AlGaN约束层的厚度为0.5μm-2μm，当GaN半导体器件为1200VGaN功率器件时，所述AlGaN约束层的厚度为1μm-6μm。
9.根据权利要求1所述的硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，其特征在于：位于漂移区域下方的SiNx钝化层厚度为20-100nm。
10.根据权利要求9所述的硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，其特征在于：当GaN半导体器件为GaN射频器件时，位于栅极金属下方的SiNx钝化层厚度为0.5nm-10nm；当GaN半导体器件为650V或者1200VGaN功率器件时，位于栅极金属下方的SiNx钝化层厚度为10nm-50nm。
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| CN101136432A (zh) * | 2006-09-01 | 2008-03-05 | 中国科学院半导体研究所 | 宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构及制作方法 |
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| US9780181B1 (en) * | 2016-12-07 | 2017-10-03 | Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. | Semiconductor device with multi-function P-type diamond gate |
| US20180069086A1 (en) * | 2016-09-06 | 2018-03-08 | Fujitsu Limited | Semiconductor crystal substrate and semiconductor device |
-
2018
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101136432A (zh) * | 2006-09-01 | 2008-03-05 | 中国科学院半导体研究所 | 宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构及制作方法 |
| CN103367417A (zh) * | 2012-03-31 | 2013-10-23 | 稳懋半导体股份有限公司 | 三族氮化物高电子迁移率晶体管 |
| CN106409900A (zh) * | 2015-07-31 | 2017-02-15 | 英飞凌科技奥地利有限公司 | 抗击穿的hemt衬底和器件 |
| US20180069086A1 (en) * | 2016-09-06 | 2018-03-08 | Fujitsu Limited | Semiconductor crystal substrate and semiconductor device |
| US9780181B1 (en) * | 2016-12-07 | 2017-10-03 | Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. | Semiconductor device with multi-function P-type diamond gate |
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