CN117352537B - 氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法、hemt - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法、HEMT，所述氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、高阻层、电子限制层、沟道层、势垒层、盖帽层；所述电子限制层包括交替层叠的P型AlInGaN层和氮极性A掺杂GaN层，A包括B、Sc、Al中的一种或多种组合，所述氮极性A掺杂GaN层的禁带宽度大于所述P型AlInGaN层，所述氮极性A掺杂GaN层的晶格常数小于P型AlInGaN层。本发明提供的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片能够降低缓冲层的漏电流，同时降低沟道层电子被高阻层中深能级缺陷俘获的数量，减少电流崩塌效应。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片及其制备方法、HEMT。
背景技术
常规AlGaN/GaN异质结构的高电子迁移率晶体管，其外延结构包括衬底、缓冲层、高阻层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层、GaN盖帽层。为提高器件的耐压能力，降低缓冲层漏电流，通常会在GaN材料中掺杂C元素，以此来形成高电阻的GaN层。GaN沟道层电子较容易泄漏至缓冲层，且在GaN材料中进行高C（碳）浓度的掺杂会引入高密度的深能级缺陷，沟道层的电子在电场的作用下易进入到高阻层，从而被其中的深能级缺陷俘获，易造成电流崩塌效应。限制了高频、高功率器件的输出，降低了器件耐压能力以及可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其能够降低缓冲层的漏电流，同时降低沟道层电子被高阻层中深能级缺陷俘获的数量，减少电流崩塌效应。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法，其工艺简单，能够稳定制得发光效率良好的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、高阻层、电子限制层、沟道层、势垒层、盖帽层；
所述电子限制层包括交替层叠的P型AlInGaN层和氮极性A掺杂GaN层，A包括B、Sc、Al中的一种或多种组合，所述氮极性A掺杂GaN层的禁带宽度大于所述P型AlInGaN层，所述氮极性A掺杂GaN层的晶格常数小于P型AlInGaN层。
在一种实施方式中，所述P型AlInGaN层和氮极性A掺杂GaN层的交替生长周期数为3~10。
在一种实施方式中，所述P型AlInGaN层的厚度为3nm~15nm；
所述氮极性A掺杂GaN层的厚度为10nm~50nm。
在一种实施方式中，所述P型AlInGaN层的P型掺杂剂为Mg或Zn；
所述P型AlInGaN层的P型掺杂浓度为1×1018atoms/cm3~1×1019atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述P型AlInGaN层为P型AlxInyGa1-x-yN层，其中x，y取值满足y≥1.1x，且x+y＜1。
在一种实施方式中，所述氮极性A掺杂GaN层包括依次层叠的氮极性BAlGaN子层和氮极性ScAlGaN子层。
为解决上述问题，本发明还提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备衬底；
S2、在所述衬底上依次沉积缓冲层、高阻层、电子限制层、沟道层、势垒层、盖帽层；
所述电子限制层包括交替层叠的P型AlInGaN层和氮极性A掺杂GaN层，A包括B、Sc、Al中的一种或多种组合，所述氮极性A掺杂GaN层的禁带宽度大于所述P型AlInGaN层，所述氮极性A掺杂GaN层的晶格常数小于P型AlInGaN层。
在一种实施方式中，所述P型AlInGaN层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在700℃~1000℃，压力控制在100torr~250torr，通入Al源、In源、N源、Ga源和P型掺杂剂，生长P型AlInGaN层。
在一种实施方式中，所述氮极性A掺杂GaN层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在900℃~1100℃，压力控制在150torr~250torr，通入NH3对外延片表面进行氮化1min-2min，随后通入A掺杂剂、Ga源、N源，且通入的N源摩尔流量与Ga源摩尔流量比值≥1500，所述A掺杂剂包括B源、Sc源、Al源中的一种或多种组合，生长氮极性A掺杂GaN层。
相应地，本发明还提供了一种HEMT，所述HEMT包括上述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其在高阻层和沟道层之间插入特定结构的电子限制层，所述电子限制层包括交替层叠的P型AlInGaN层和氮极性A掺杂GaN层，A包括B、Sc、Al中的一种或多种组合，所述氮极性A掺杂GaN层的禁带宽度大于所述P型AlInGaN层，所述氮极性A掺杂GaN层的晶格常数小于P型AlInGaN层。
所述氮极性A掺杂GaN层具有较大的禁带宽度可阻挡沟道层电子向缓冲层迁移，且因具有相对P型AlInGaN层而言更小的晶格常数，其受到P型AlInGaN层的拉应力作用，产生的极化电场以及自发极化电场可进一步将电子限制在沟道层，减少缓冲层漏电流，提高沟道层二维电子气浓度。而具较小禁带宽度的P型AlInGaN层，可将穿过氮极性A掺杂GaN层的电子进行限制，P型AlInGaN层中的空穴可与电子发生复合，降低高阻层中深能级缺陷俘获沟道层电子的数量，减小电流崩塌效应。
附图说明
图1为本发明提供的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图；
图2为本发明提供的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法的流程图；
图3为本发明提供的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法的步骤S2的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明作进一步地详细描述。
除非另外说明或存在矛盾之处，本文中使用的术语或短语具有以下含义：
本发明中，“优选”仅为描述效果更好的实施方式或实施例，应当理解，并不构成对本发明保护范围的限制。
本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，则包括数值区间的两个端点。
为解决上述问题，本发明提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，如图1所示，包括衬底1，所述衬底1上依次设有缓冲层2、高阻层3、电子限制层4、沟道层5、势垒层6、盖帽层7；
所述电子限制层4包括交替层叠的P型AlInGaN层41和氮极性A掺杂GaN层42，A包括B、Sc、Al中的一种或多种组合，所述氮极性A掺杂GaN层42的禁带宽度大于所述P型AlInGaN层41，所述氮极性A掺杂GaN层42的晶格常数小于P型AlInGaN层41。
本发明提供的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其在高阻层和沟道层之间插入特定结构的电子限制层，其中，所述氮极性A掺杂GaN层42具有较大的禁带宽度可阻挡沟道层电子向缓冲层迁移，且因具有相对P型AlInGaN层41而言更小的晶格常数，其受到P型AlInGaN层41的拉应力作用，产生的极化电场以及自发极化电场可进一步将电子限制在沟道层5，减少缓冲层漏电流，提高沟道层二维电子气浓度。而具较小禁带宽度的P型AlInGaN层41，可将穿过氮极性A掺杂GaN层42的电子进行限制，P型AlInGaN层42中的空穴可与电子发生复合，降低高阻层中深能级缺陷俘获沟道层电子的数量，减小电流崩塌效应。
所述电子限制层4的具体结构如下：
在一种实施方式中，所述P型AlInGaN层41和氮极性A掺杂GaN层42的交替生长周期数为3~10；示例性周期数为3、4、5、6、7、8、9；需要说明的是，周期性交替层叠的P型AlInGaN层41和氮极性A掺杂GaN层42的结构可提升对电子的限制能力，周期数过少时其对沟道层电子的限制能力有限，而过高的周期数将导致电子限制层中的位错密度逐渐累积增大，进而延伸至沟道层乃至外延层表面，降低器件的晶体质量，影响器件的性能。
在一种实施方式中，所述P型AlInGaN层41的厚度为3nm~15nm；所述P型AlInGaN层41的示例性厚度为4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、11nm、12nm、13nm、14nm，但不限于此；所述氮极性A掺杂GaN层42的厚度为10nm~50nm；所述氮极性A掺杂GaN层42的示例性厚度为15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm，但不限于此。
在一种实施方式中，所述P型AlInGaN层41的P型掺杂剂为Mg或Zn；所述P型AlInGaN层41的P型掺杂浓度为1×1018atoms/cm3~1×1019atoms/cm3。优选地，所述P型AlInGaN层41的P型掺杂浓度为2×1018atoms/cm3~9×1018atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述P型AlInGaN层41为P型AlxInyGa1-x-yN层，其中x，y取值满足y≥1.1x，且x+y＜1。需要说明的是，In组分过低时导致P型AlxInyGa1-x-yN层势阱较浅，对电子的限制能力较弱，而过高的In组分则会导致P型AlxInyGa1-x-yN层缺陷密度增加。优选地，y取值范围为0.2≤y≤0.5，更佳地，y为0.35。另外，出于其它角度考虑，优选地，x取值范围为0≤x≤0.1，更佳地，x取值沿生长方向从0.1下降至0随后升高至0.1，Al组分先减少后增大的变化，可减少P型AlxInyGa1-x-yN层与相邻的氮极性A掺杂GaN层42间的晶格失配，提高电子限制层的晶体质量。
在一种实施方式中，所述氮极性A掺杂GaN层42包括氮极性BGaN层、氮极性AlGaN层、氮极性ScGaN层、氮极性BAlGaN层、氮极性ScAlGaN层中任意一种或其组合。优选地，所述氮极性A掺杂GaN层42包括依次层叠的氮极性BAlGaN子层和氮极性ScAlGaN子层。其中，氮极性BAlGaN子层中B元素具有较小的原子半径，可有效填平P型氮化物层中因In掺杂而引入的缺陷，提高电子限制层的晶体质量。氮极性ScAlGaN子层中Sc元素的引入使其具有更强的极化作用，其产生的极化电场可阻挡沉积在其上的沟道层中的电子向缓冲层方向迁移，减少漏电流，提高沟道层二维电子气浓度。
综上，本发明提供的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片可降低缓冲层的漏电流，同时降低沟道层电子被高阻层中深能级缺陷俘获的数量，减少电流崩塌效应。
相应地，本发明提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、准备衬底1；
在一种实施方式中，所述衬底可选用蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底中的一种。优选地，衬底选用硅衬底。
S2、在所述衬底1上依次沉积缓冲层2、高阻层3、电子限制层4、沟道层5、势垒层6、盖帽层7；
如图3所示，步骤S2包括以下步骤：
S21、在衬底1上沉积缓冲层2。
在一种实施方式中，所述缓冲层包括AlN、AlGaN、GaN中的一种或多种组合。优选地，缓冲层为AlGaN缓冲层，具体沉积工艺为：控制反应室温度为750℃~1050℃，压力为80torr~180torr，生长厚度为1.8μm~3μm的AlGaN缓冲层。
S22、在缓冲层2上沉积高阻层3。
在一种实施方式中，所述高阻层包括碳掺杂AlGaN层和/或碳掺杂GaN层。优选地，高阻层为碳掺杂GaN层，具体沉积工艺为：控制反应室温度为900℃~1200℃，压力为50torr~200torr，通入N源、Ga源、碳源，生长厚度为1μm~3μm的高阻层。
S23、在高阻层3上沉积电子限制层4。
所述电子限制层4包括交替层叠的P型AlInGaN层41和氮极性A掺杂GaN层42。
在一种实施方式中，所述P型AlInGaN层41采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在700℃~1000℃，压力控制在100torr~250torr，通入Al源、In源、N源、Ga源和P型掺杂剂，生长P型AlInGaN层；
所述氮极性A掺杂GaN层42采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在900℃~1100℃，压力控制在150torr~250torr，通入NH3对外延片表面进行氮化1min-2min，随后通入A掺杂剂、Ga源、N源，且通入的N源摩尔流量与Ga源摩尔流量比值≥1500，所述A掺杂剂包括B源、Sc源、Al源中的一种或多种组合，生长氮极性A掺杂GaN层。优选地，N源流量为150slm~250slm，Ga源流量为50sccm~200sccm。
S24、在电子限制层4上沉积沟道层5。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在650℃~950℃，压力为50torr~200torr，通入N源、Ga源，生长厚度为50nm~300nm的GaN沟道层。
S25、在沟道层5上沉积势垒层6。
在一种实施方式中，在沉积势垒层之前沉积AlN插入层，具体沉积工艺为：控制反应室温度为750℃~1050℃，压力为100torr~150torr，通入N源、Al源，生长厚度为1nm~6nm的AlN插入层。
在一种实施方式中，势垒层的具体沉积工艺为：将反应室的温度控制在850℃~1150℃，腔体压力为100torr~200torr，通入N源、Al源、Ga源，生长厚度为10nm~45nm的AlGaN势垒层。
S26、在势垒层6上沉积盖帽层7。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在750℃~1100℃，压力控制在150torr~250torr，通入N源、Ga源，生长厚度为10nm~50nm的GaN盖帽层。
相应地，本发明还提供了一种HEMT，所述HEMT包括上述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片。
下面以具体实施例进一步说明本发明：
实施例1
本实施例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、高阻层、电子限制层、沟道层、势垒层、盖帽层；
所述电子限制层包括6个周期交替层叠的P型AlInGaN层和氮极性A掺杂GaN层，所述氮极性A掺杂GaN层的禁带宽度大于所述P型AlInGaN层，所述氮极性A掺杂GaN层的晶格常数小于P型AlInGaN层，其中，所述氮极性A掺杂GaN层包括依次层叠的氮极性BAlGaN子层和氮极性ScAlGaN子层。
所述P型AlInGaN层为P型AlxInyGa1-x-yN层，其中x沿生长方向从0.1下降至0随后升高至0.1，y为0.35。
实施例2
本实施例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、高阻层、电子限制层、沟道层、势垒层、盖帽层；
所述电子限制层包括6个周期交替层叠的P型AlInGaN层和氮极性BGaN层，所述氮极性BGaN层的禁带宽度大于所述P型AlInGaN层，所述氮极性BGaN层的晶格常数小于P型AlInGaN层。
所述P型AlInGaN层为P型AlxInyGa1-x-yN层，其中x沿生长方向从0.1下降至0随后升高至0.1，y为0.35。
实施例3
本实施例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、高阻层、电子限制层、沟道层、势垒层、盖帽层；
所述电子限制层包括6个周期交替层叠的P型AlInGaN层和氮极性AlGaN层，所述氮极性AlGaN层的禁带宽度大于所述P型AlInGaN层，所述氮极性AlGaN层的晶格常数小于P型AlInGaN层。
所述P型AlInGaN层为P型AlxInyGa1-x-yN层，其中x沿生长方向从0.1下降至0随后升高至0.1，y为0.35。
实施例4
本实施例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、高阻层、电子限制层、沟道层、势垒层、盖帽层；
所述电子限制层包括6个周期交替层叠的P型AlInGaN层和氮极性ScGaN层，所述氮极性ScGaN层的禁带宽度大于所述P型AlInGaN层，所述氮极性ScGaN层的晶格常数小于P型AlInGaN层。
所述P型AlInGaN层为P型AlxInyGa1-x-yN层，其中x沿生长方向从0.1下降至0随后升高至0.1，y为0.35。
实施例5
本实施例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、高阻层、电子限制层、沟道层、势垒层、盖帽层；
所述电子限制层包括6个周期交替层叠的P型AlInGaN层和氮极性BAlGaN层，所述氮极性BAlGaN层的禁带宽度大于所述P型AlInGaN层，所述氮极性BAlGaN层的晶格常数小于P型AlInGaN层。
所述P型AlInGaN层为P型AlxInyGa1-x-yN层，其中x沿生长方向从0.1下降至0随后升高至0.1，y为0.35。
实施例6
本实施例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、高阻层、电子限制层、沟道层、势垒层、盖帽层；
所述电子限制层包括6个周期交替层叠的P型AlInGaN层和氮极性ScAlGaN层，所述氮极性ScAlGaN层的禁带宽度大于所述P型AlInGaN层，所述氮极性ScAlGaN层的晶格常数小于P型AlInGaN层。
所述P型AlInGaN层为P型AlxInyGa1-x-yN层，其中x沿生长方向从0.1下降至0随后升高至0.1，y为0.35。
对比例1
本对比例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，与实施例1不同之处在于：其不设有所述电子限制层，其它与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，与实施例1不同之处在于：其所述电子限制层仅包括P型AlInGaN层，不包括氮极性A掺杂GaN层，其它与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，与实施例1不同之处在于：其所述电子限制层仅包括氮极性A掺杂GaN层，不包括P型AlInGaN层，其它与实施例1相同。
测试实施例1~实施例6和对比例1~对比例3制得氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片制成HEMT器件，在HEMT器件中，测试器件缓冲层漏电流以及器件二维电子气浓度。
表1 实施例1~实施例6和对比例1~对比例3制得氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的性能测试结果
对比实施例1~实施例6和对比例1~对比例3的测试数据可知，本发明提供的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其在高阻层和沟道层之间插入特定结构的电子限制层，在上述特定结构下，本发明可降低缓冲层的漏电流，同时降低沟道层电子被高阻层中深能级缺陷俘获的数量，减少电流崩塌效应，提高二维电子气浓度。
以上所述是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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其特征在于，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、高阻层、电子限制层、沟道层、势垒层、盖帽层；
所述电子限制层包括交替层叠的P型AlInGaN层和氮极性A掺杂GaN层，所述氮极性A掺杂GaN层包括依次层叠的氮极性BAlGaN子层和氮极性ScAlGaN子层，所述氮极性A掺杂GaN层的禁带宽度大于所述P型AlInGaN层，所述氮极性A掺杂GaN层的晶格常数小于P型AlInGaN层。
2.如权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其特征在于，所述P型AlInGaN层和氮极性A掺杂GaN层的交替生长周期数为3~10。
3.如权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其特征在于，所述P型AlInGaN层的厚度为3nm~15nm；
所述氮极性A掺杂GaN层的厚度为10nm~50nm。
4.如权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其特征在于，所述P型AlInGaN层的P型掺杂剂为Mg或Zn；
所述P型AlInGaN层的P型掺杂浓度为1×1018atoms/cm3~1×1019atoms/cm3。
5.如权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片，其特征在于，所述P型AlInGaN层为P型AlxInyGa1-x-yN层，其中x，y取值满足y≥1.1x，且x+y＜1。
6.一种如权利要求1~5任一项所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备衬底；
S2、在所述衬底上依次沉积缓冲层、高阻层、电子限制层、沟道层、势垒层、盖帽层；
所述电子限制层包括交替层叠的P型AlInGaN层和氮极性A掺杂GaN层，所述氮极性A掺杂GaN层包括依次层叠的氮极性BAlGaN子层和氮极性ScAlGaN子层，所述氮极性A掺杂GaN层的禁带宽度大于所述P型AlInGaN层，所述氮极性A掺杂GaN层的晶格常数小于P型AlInGaN层。
7.如权利要求6所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法，其特征在于，所述P型AlInGaN层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在700℃~1000℃，压力控制在100torr~250torr，通入Al源、In源、N源、Ga源和P型掺杂剂，生长P型AlInGaN层。
8.如权利要求6所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片的制备方法，其特征在于，所述氮极性A掺杂GaN层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在900℃~1100℃，压力控制在150torr~250torr，通入NH3对外延片表面进行氮化1min-2min，随后通入A掺杂剂、Ga源、N源，且通入的N源摩尔流量与Ga源摩尔流量比值≥1500，生长氮极性A掺杂GaN层。
9.一种HEMT，其特征在于，所述HEMT包括如权利要求1~5任一项所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片。
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