CN205385025U - 一种硅基GaN外延结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种硅基GaN外延结构，包括P型Si衬底、位于P型Si衬底之上的成核层、位于成核层之上的N型GaN半导体层以及位于N型GaN半导体层之上的GaN器件，GaN器件最底层的材料N型GaN半导体层的材料相同；其中，成核层与N型GaN半导体层一起，在与P型Si衬底接触处形成PN结。通过上述方式，本实用新型能够利用PN结的空间耗尽区，减少GaN器件的漏电流，提高GaN器件的性能，如击穿特性等。
Description
技术领域
本实用新型涉及GaN异质结构技术领域，特别是涉及一种具有较高可靠性和耐击穿特性的硅基GaN外延结构。
背景技术
以GaN为代表的第三代半导体材料因其禁带宽度大、击穿场强高、热导率高、耐腐蚀和抗辐照等优势，特别是GaN异质结构具有高密度和高迁移率的二维电子气，被誉为是研制微波功率器件的理想材料。近年来，随着外延技术的不断进步，GaN外延材料的结晶质量也逐步提升，加上器件制造工艺的不断成熟，GaN器件性能不断提高。不过仍然存在一些关键问题制约器件性能与可靠性，如GaN缓冲层漏电问题。GaN缓冲层漏电直接使得器件的夹断特性变差，器件击穿电压不高，将严重降低器件的功率特性。
实用新型内容
本实用新型主要解决的技术问题是提供一种硅基GaN外延结构，能够有效降低衬底与外延之间的漏电流，提高器件的可靠性和击穿特性。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种硅基GaN外延结构，包括：P型Si衬底；成核层，所述成核层位于所述P型Si衬底之上；N型GaN半导体层，所述N型GaN半导体层位于所述成核层之上；GaN器件，所述GaN器件位于所述N型GaN半导体层之上，所述GaN器件最底层的材料与所述N型GaN半导体层的材料相同；其中，所述成核层与所述N型GaN半导体层一起，在与所述P型Si衬底接触处形成PN结。
优选地，所述P型Si衬底为P型高阻Si衬底；所述P型Si衬底的厚度为50～1000μm；所述P型Si衬底的外延表面具有多个通孔或多个半通孔，所述孔的形状包括圆形、椭圆、三角形以及四边形，所述孔的间距为100nm～500μm。
优选地，所述GaN器件为高电子迁移率晶体管HEMT、异质结双极型晶体管HBT、金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或金属-半导体场效应晶体管MESFET。
优选地，所述HEMT包括由下自上层叠的GaN沟道层和AlYGa1-YN肖特基势垒层，所述GaN沟道层和所述AlYGa1-YN肖特基势垒层之间形成二维电子气，所述AlYGa1-YN肖特基势垒层上形成有栅极、源极和漏极，所述GaN沟道层作为所述GaN器件最底层，其中0≤Y≤1。
优选地，所述成核层的厚度为10～1000nm，所述成核层的材料为AlN或AlXGa1-XN，其中0≤X≤1。
优选地，所述N型GaN半导体层的厚度为20～500nm。
区别于现有技术的情况，本实用新型的有益效果是：
1.成核层与N型GaN半导体层一起，在与P型Si衬底接触处形成PN结，有利于减少来自衬底和成核层的漏电流，提高GaN器件的可靠性和击穿特性；
2.利用高阻的图形化硅衬底降低衬底与外延处界面的缺陷，有利于提高外延生长质量。
附图说明
图1是本实用新型实施例一种硅基GaN外延结构的截面示意图。
图2是本实用新型另一实施例一种硅基GaN外延结构的截面示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参见图1，是本实用新型一实施例一种硅基GaN外延结构的截面示意图。本实施例的一种硅基GaN外延结构包括P型Si衬底1、成核层21、N型GaN半导体层22以及GaN器件3。
成核层21是生长在P型Si衬底1之上的N型成核层，N型GaN半导体层22形成在成核层21之上，GaN器件3形成在N型GaN半导体层22之上，GaN器件3最底层的材料与N型GaN半导体层22的材料相同。
其中，成核层21与N型GaN半导体层22一起，在与P型Si衬底1接触处形成PN结4。
在本实施例中，P型Si衬底1为图形化的P型高阻Si衬底。衬底厚度为50～1000μm，衬底的外延表面具有多个圆形半通孔11，孔的大小为100nm～200μm，孔的间距为100nm～500μm。根据实际工艺需求，衬底上的图形也可以是三角形、椭圆形或四边形，衬底上的孔也可以是通孔，孔可以是均匀分布也可以是自由分布，孔可以布满外延表面也可以不布满外延表面。
在本实施例中，成核层21的厚度为10～1000nm，成核层的材料为AlN或AlXGa1-XN，其中0≤X≤1。N型GaN半导体层的厚度为20～500nm，掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3。
本实施例的GaN器件3可以是高电子迁移率晶体管HEMT、异质结双极型晶体管HBT、金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或金属-半导体场效应晶体管MESFET。
例如，参见图2，是本实用新型另一实施例一种硅基GaN外延结构的截面示意图。本实施例的硅基GaN外延结构中，GaN器件3为HEMT，该HEMT包括由下自上层叠的GaN沟道层和AlYGa1-YN肖特基势垒层，GaN沟道层和AlYGa1-YN肖特基势垒层之间形成二维电子气，AlYGa1-YN肖特基势垒层上形成有栅极G、源极S和漏极D；其中，GaN沟道层为GaN器件最底层。
通过上述方式，本实用新型实施例的一种硅基GaN外延结构利用P型高阻Si衬底与N型GaN外延层形成PN结，利用PN结的耗尽区降低GaN器件的漏电流，提高GaN器件的击穿等特性。同时，图形化的Si衬底还可以降低衬底与外延处界面的缺陷，有利于提高外延生长质量。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种硅基GaN外延结构，其特征在于，包括：
P型Si衬底；
成核层，所述成核层位于所述P型Si衬底之上；
N型GaN半导体层，所述N型GaN半导体层位于所述成核层之上；
GaN器件，所述GaN器件位于所述N型GaN半导体层之上，所述GaN器件最底层的材料与所述N型GaN半导体层的材料相同；
其中，所述成核层与所述N型GaN半导体层一起，在与所述P型Si衬底接触处形成PN结。
2.根据权利要求1所述的硅基GaN外延结构，其特征在于，所述P型Si衬底为P型高阻Si衬底；所述P型Si衬底的厚度为50～1000μm；所述P型Si衬底的外延表面具有多个通孔或多个半通孔，所述孔的形状包括圆形、椭圆、三角形以及四边形，所述孔的间距为100nm～500μm。
3.根据权利要求2所述的硅基GaN外延结构，其特征在于，所述GaN器件为高电子迁移率晶体管HEMT、异质结双极型晶体管HBT、金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或金属-半导体场效应晶体管MESFET。
4.根据权利要求3所述的硅基GaN外延结构，其特征在于，所述HEMT包括由下自上层叠的GaN沟道层和AlYGa1-YN肖特基势垒层，所述GaN沟道层和所述AlYGa1-YN肖特基势垒层之间形成二维电子气，所述AlYGa1-YN肖特基势垒层上形成有栅极、源极和漏极，所述GaN沟道层作为所述GaN器件最底层，其中0≤Y≤1。
5.根据权利要求1～4任一所述的硅基GaN外延结构，其特征在于，所述成核层的厚度为10～1000nm，所述成核层的材料为AlN或AlXGa1-XN，其中0≤X≤1。
6.根据权利要求1～4任一所述的硅基GaN外延结构，其特征在于，所述N型GaN半导体层的厚度为20～500nm。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201620035500.3U CN205385025U (zh) | 2016-01-14 | 2016-01-14 | 一种硅基GaN外延结构 |
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2016
- 2016-01-14 CN CN201620035500.3U patent/CN205385025U/zh active Active
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