CN112687738A - N极性AlGaN/GaN HEMT器件及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种N极性AlGaN/GaN HEMT器件及其生长方法，其中，N极性AlGaN/GaN HEMT器件的外延结构，从下至上依次包括硅衬底层、缓冲层、极性面转换层、耐压层、势垒层及沟道层，其中，极性面转换层为掺杂Mg的GaN层，掺杂浓度为1E20/cm3～1E21/cm3。其在缓冲层和耐压层之间添加一层极性面转换层，以此将耐压层及以上的沟道层和势垒层的极性从镓极性转变为氮极性，实现N极性AlGaN/GaN HEMT器件外延结构的制备，结构简单易实现，且具备低接触电阻和强栅控能力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种N极性AlGaN/GaN HEMT器件及其生长方法。
背景技术
AlGaN/GaN基HEMT具有高击穿电压、高电子饱和速率、高面密度和高迁移率二维电子气等优势，因此在高频大功率的电力开关和射频领域开始广泛应用。已经产业化的AlGaN/GaN HEMT器件一般都是Ga(镓)极性。目前，N极性AlGaN/GaN HEMT通常在C(碳)面SiC衬底或者蓝宝石衬底上生长，在硅衬底上生长N极性AlGaN/GaN HEMT的研究较少。
发明内容
为了克服以上不足，本发明提供了一种N极性AlGaN/GaN HEMT器件及其生长方法，有利于实现更小的源漏极接触电阻的同时获得更强的栅控能力。
本发明提供的技术方案为：
一方面，提供了一种N极性AlGaN/GaN HEMT器件的外延结构，从下至上依次包括硅衬底层、缓冲层、极性面转换层、耐压层、势垒层及沟道层，其中，所述极性面转换层为掺杂Mg的GaN层，掺杂浓度为1E20/cm3～1E21/cm3。
另一方面，提供了一种N极性AlGaN/GaN HEMT器件的外延结构制备方法，包括：
在硅衬底层表面生长缓冲层；
在所述缓冲层表面生长极性面转换层，所述极性面转换层为掺杂Mg的GaN层，掺杂浓度为1E20/cm3～1E21/cm3；
在所述极性面转换层表面依次生长耐压层、势垒层及沟道层，完成对外延结构的制备。
本发明提供的N极性AlGaN/GaN HEMT器件及其生长方法，在缓冲层和耐压层之间添加一层极性面转换层，以此将耐压层及以上的沟道层和势垒层的极性从镓极性转变为氮极性，实现N极性AlGaN/GaN HEMT器件外延结构的制备，与Ga极性的HEMT相比，N(氮)极性HEMT的欧姆接触可以直接制作在GaN层上，有利于实现更小的源漏极接触电阻。切栅极可制作在GaN沟道层上，获得更强的栅控能力。如果在GaN沟道层上生长一层AlGaN，可以耗尽沟道层中的二维电子器，简便地实现增强型器件。
附图说明
图1为本发明一实施例中N极性AlGaN/GaN HEMT器件的外延结构示意图；
图2为本发明另一实施例中N极性AlGaN/GaN HEMT器件的外延结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施案例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
在本发明的第一实施例中，一种N极性AlGaN/GaN HEMT器件的外延结构，如图1所示，该外延结构从下至上依次包括硅衬底层101、缓冲层102、极性面转换层103、耐压层104、势垒层105及沟道层106，其中，极性面转换层103为掺杂Mg的GaN层，掺杂浓度为1E20/cm3～1E21/cm3，厚度为200～1000nm。
缓冲层102中包括AlN、AlN/AlGaN等缓存层，以释放应力并过渡到之后的耐压层。耐压层104为掺碳(包括内掺和外掺)或掺铁的GaN层，厚度为1000～10000nm。势垒层105为AlxGa1-xN层，0.1<x<0.4，且厚度为10～40nm。沟道层106为非故意掺杂高质量GaN层(uid-GaN层)，厚度为100～1000nm。在该外延结构中，在缓冲层102和耐压层104之间添加一层极性面转换层，以此将耐压层104及以上的沟道层106和势垒层105的极性从镓极性转变为氮极性实现目的。
在另一实施例中，如图2所示，在该外延结构中，除了包括硅衬底层201、缓冲层202、极性面转换层203、耐压层204、势垒层205及沟道层206之外，在沟道层表面还生长有AlGaN冒层207，以耗尽沟道层中的二维电子器，简便的实现增强型HEMT器件。在该层结构中，AlGaN冒层207的厚度为0～100nm，Al组分为0.01～0.2。
以下通过2个实例对上述实施例的制备过程进行说明：
实施例一：
首先，将直径为150mm(111)晶向的硅衬底放入MOCVD反应室中，在70torr压力、1050℃温度的条件下进行高温H2处理，去除表面氧化物；然后在硅衬底表面，70torr压力、1000℃温度下生长一层800nm的AlN/AlGaN的多层缓冲层，其中，AlN层和AlGaN层的厚度分别为200nm和600nm；接着，改变气氛至200torr压力、950℃温度氮化镓生长条件下，在多层缓冲层表面生长500nm的重掺Mg极性面转化层，在该层中掺Mg的浓度为2E20/cm3；之后，改变气氛至70torr压力、1000℃温度氮化镓生长条件下，在极性面转化层表面生长3000nm的内掺碳高阻氮化镓耐压薄膜层；接着，改变条件至100torr压力、1030℃AlGaN生长条件，在耐压薄膜层表面生长20nm的25％Al组分AlGaN势垒层；最后，改变条件至200torr压力、1050℃温度，在势垒层表面以2μm/h的速度生长300nm GaN沟道层，完外延结构的生长。
实施例二：
首先，将直径为200mm的(111)晶向的硅衬底放入MOCVD反应室中，在70torr压力、1050℃温度的条件下进行高温H2处理，去除表面氧化物；然后在硅衬底表面，70torr压力、1000℃温度下生长一层1000nm的AlN/AlGaN的多层缓冲层，其中，AlN层和AlGaN层的厚度分别为300nm和700nm；接着，改变气氛至200torr压力、950℃温度氮化镓生长条件下，在多层缓冲层表面生长200nm的重掺Mg极性面转化层，掺Mg浓度在5E20/cm3；之后，改变气氛至100torr压力、1050℃温度的条件下通入乙烷，生长3000nm的外掺碳高阻氮化镓耐压薄膜层；接着，改变条件至100torr压力、1030℃AlGaN生长条件，在耐压薄膜层表面生长20nm的25％Al组分AlGaN势垒层；之后，改变条件至200torr、1050C、1050℃温度，在势垒层表面以2μm/h的速度生长300nm GaN沟道层；最后，70torr压力、1000℃温度下，在沟道层表面生长一层50nm的AlGaN的冒层，完外延结构的生长。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种N极性AlGaN/GaN HEMT器件的外延结构，其特征在于，所述外延结构从下至上依次包括硅衬底层、缓冲层、极性面转换层、耐压层、势垒层及沟道层，其中，所述极性面转换层为掺杂Mg的GaN层，掺杂浓度为1E20/cm3～1E21/cm3。
2.如权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述极性面转换层的厚度为200～1000nm。
3.如权利要求1所述的外延结构，其特征在于，
所述耐压层为掺碳或掺铁的GaN层，厚度为1000～10000nm；和/或，
所述势垒层为AlxGa1-xN层，0.1<x<0.4，且厚度为10～40nm；和/或，
所述沟道层为非故意掺杂GaN层，厚度为100～1000nm。
4.如权利要求1-3任意一项所述的外延结构，其特征在于，所述外延结构中还包括生长于沟道层表面的AlGaN冒层。
5.如权利要求4所述的外延结构，其特征在于，所述AlGaN冒层的厚度为0～100nm，Al组分为0.01～0.2。
6.一种N极性AlGaN/GaN HEMT器件的外延结构制备方法，其特征在于，包括：
在硅衬底层表面生长缓冲层；
在所述缓冲层表面生长极性面转换层，所述极性面转换层为掺杂Mg的GaN层，掺杂浓度为1E20/cm3～1E21/cm3；
在所述极性面转换层表面依次生长耐压层、势垒层及沟道层，完成对外延结构的制备。
7.如权利要求6所述的外延结构制备方法，其特征在于，所述极性面转换层的厚度为200～1000nm。
8.如权利要求6所述的外延结构制备方法，其特征在于，
所述耐压层为掺碳或掺铁的GaN层，厚度为1000～10000nm；和/或，
所述势垒层为AlxGa1-xN层，0.1<x<0.4，且厚度为10～40nm；和/或，
所述沟道层为非故意掺杂GaN层，厚度为100～1000nm。
9.如权利要求6-8任意一项所述的外延结构制备方法，其特征在于，在所述极性面转换层表面依次生长耐压层、势垒层及沟道层之后还包括：
在所述沟道层表面生长AlGaN冒层。
10.如权利要求9所述的外延结构制备方法，其特征在于，所述AlGaN冒层的厚度为0～100nm，Al组分为0.01～0.2。
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