CN207925476U - 一种高电子迁移率的GaN HEMT外延结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高电子迁移率的GaN HEMT外延结构，包括半绝缘SiC衬底或高阻Si衬底在所述衬底（6）上自下而上依次包括AlN成核层（1）、GaN缓冲层（2）、InGaN沟道层（3）、AlGaN势垒层（4）和GaN盖帽层（5）。本实用新型采用InGaN材料作为沟道层的材料，其与AlGaN势垒层（4）形成更深的能量势阱，能有效将电子禁闭在二维沟道中，电子在此势阱中做平面运动时更不易受到晶格散射的影响；同时InGaN材料的电子迁移率高于GaN材料的电子迁移率，故InGaN/AlGaN异质结能实现更高的电子迁移运动和二维电子浓度、以及降低器件的短沟道效应，提高工作频率和输出功率。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体材料生长技术领域，尤其设计一种高电子迁移率的GaNHEMT外延结构。
背景技术
随着无线通信产业的发展，高速、高压、耐高温、耐腐蚀、高频等晶体管的需求呼声越来越大，从而使具有这些特性的器件高电子迁移率晶体管HEMT（High ElectronMobility Transistor）得到广泛研究和发展。HEMT是一种异质结场效应晶体管，而在现有的HEMT技术中，GaN HEMT器件通常采用传统的AlGaN/GaN或AlGaN/AlN/GaN异质结外延片来制作。
在现有技术中，GaN HEMT器件存在以下缺陷：
（1）在高频率的应用中，这种标准的AlGaN/GaN或AlGaN/AlN/GaN异质结外延结构由于材料本身的限制，要提高器件的工作频率，只能通过缩小栅长度来实现，而缩小栅长度给HEMT工艺带来了严峻的挑战，成本也会随之剧增；同时，由于器件栅长度的缩小，器件的短沟道效应也更加明显，器件的稳定性也越来越差。
（2）另一方面，局限于目前的技术，GaN材料只能在异质的Si衬底、蓝宝石衬底或SiC衬底上外延生长，而较大的晶格失配会在GaN缓冲层中引入大量的晶格缺陷，并延伸至异质结甚至外延结构的表面，这些缺陷不仅会影响异质结的质量，同时也会造成器件的缓冲层漏电。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高电子迁移率的GaN HEMT外延结构。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高电子迁移率的GaN HEMT外延结构，包括半绝缘SiC衬底或高阻Si衬底；在所述衬底上自下而上依次包括AlN成核层、GaN缓冲层、InGaN沟道层、AlGaN势垒层和GaN盖帽层。
进一步地，所述半绝缘SiC衬底的厚度为350-500μm；所述的高阻Si衬底的厚度为675-1200μm。
进一步地，所述的衬底为上下表面经过抛光处理的衬底。
进一步地，所述的AlN成核层的厚度为50-150nm。
进一步地，所述的AlN成核层为经过图像化处理的AlN成核层。
进一步地，所述的AlN成核层为三角锥形或者方形的岛状结构的AlN成核层。
进一步地，所述GaN缓冲层的厚度为1.3-2.0μm。
进一步地，所述的InGaN沟道层的厚度为100-300nm，In组分为10%-20%。
进一步地，所述的AlGaN势垒层的厚度为18-25nm，Al组分为15%-25%。
进一步地，所述的GaN盖帽层的厚度为2-5nm。
本实用新型的有益效果是：
（1）采用InGaN材料作为GaN HEMT器件沟道层的材料，其与AlGaN势垒层形成更深的能量势阱，能有效将电子禁闭在二维沟道中，电子在此势阱中做平面运动时更不易受到晶格散射的影响；同时InGaN材料的电子迁移率高于GaN材料的电子迁移率，故InGaN/AlGaN异质结能实现更高的电子迁移运动和二维电子浓度、以及降低器件的短沟道效应，提高器件的工作频率和输出功率。
（2）InGaN材料与GaN、AlGaN材料属于同一材料体系，生长技术成熟，易于加工。
（3）AlN成核层通过图形化处理，使在其上外延生长的GaN缓冲层由于晶格失配产生的应力在横向方向也得到释放，可以极大程度地减少由于晶格失配产生的晶格缺陷，得到高质量的GaN缓冲层。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图中，1-AlN成核层，2-GaN缓冲层，3-InGaN沟道层，4-AlGaN势垒层，5-GaN盖帽层，6-衬底。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种高电子迁移率的GaN HEMT外延结构，包括半绝缘SiC衬底或高阻Si衬底，在所述衬底6上自下而上依次包括AlN成核层1、GaN缓冲层2、InGaN沟道层3、AlGaN势垒层4和GaN盖帽层5。
更优地，在本实施例中，衬底6为半绝缘SiC衬底或高阻Si衬底。具体地，SiC材料与GaN材料晶格失配最小且其热导率高，非常适合用于大功率器件方面，采用半绝缘SiC衬底时，厚度为350-500μm；而高阻Si衬底在价格上具有比较大的优势，在一些功率要求不高的场合也有广泛的应用，采用高阻Si衬底时，厚度为675-1200μm。
更优地，在本实施例中，所述的AlN成核层1的厚度为50-150nm。进一步地，该成核层需经过图形化处理，使其成三角锥型或方型等岛状结构。具体技术方案为：先使用MOCVD生长50-150nm厚度的AlN成核层1，然后通过光刻（步进式光刻或电子书曝光）形成尺度为10nm-1μm的三角形或方形等图形，最后再通过湿法或干法刻蚀使成核层呈岛状结构。
由于GaN材料是在异质衬底上外延生长，GaN材料与衬底6的晶格失配在GaN材料的生长中会引入较大的应力，传统的AlN成核层1只能使GaN缓冲层2的应力在纵向方向得到部分释放，而通过对成核层进行图形化处理，使应力在横向方向也得到释放，因此，本实施例可极大改善GaN缓冲层2材料的结晶质量，从而提高AlGaN/InGaN异质结的质量。在本实施例中，图形化的AlN岛状结构横向尺寸优选为100nm。
更优地，在本实施例中，GaN缓冲层2的厚度为1.3-2.0μm。GaN缓冲层2用来为沟道/势垒层异质结提供支撑结构，通常GaN缓冲层2会采用C或Fe掺杂来得到高阻特性，减小器件的缓冲层漏电。在本实施例中，GaN缓冲层2的厚度优选为1.7μm，采用Fe掺杂来实现高阻，掺杂浓度为1×1018cm-3。
更优地，在本实施例中，InGaN沟道层3的In组分为10%-20%，厚度为100-300nm。相对于传统的GaN沟道，InGaN材料与AlGaN材料具有更大的能带差，因此InGaN/AlGaN异质结比GaN/AlGaN异质结具有更深的能量势阱，电子在此势阱中做平面运动时更不易受到晶格散射的影响；同时InGaN材料的电子迁移率高于GaN材料的电子迁移率，故InGaN/AlGaN异质结能实现更高的电子迁移运动和二维电子浓度以及降低器件的短沟道效应，提高器件的工作频率和输出功率。
更优地，在本实施例中，AlGaN势垒层4的厚度为18-25nm，Al组分为15%-25%。AlGaN势垒层4的厚度及Al组分实际根据器件的用途确定，同时需考虑栅对沟道的控制能力。
更优地，在本实施例中，GaN盖帽层5的厚度为为2-5nm。GaN盖帽层5被用来改善AlGaN势垒层4的表面不均一性；同时由于压电极化效应，GaN盖帽层5还可增加有效肖特基势垒高度，从而减小器件反向泄露电流，提高器件的可靠性。
本实用新型是通过实施例来描述的，但并不对本实用新型构成限制，参照本实用新型的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本实用新型权利要求限定的范围之内。
Claims (8)
1.一种高电子迁移率的GaN HEMT外延结构，包括半绝缘SiC衬底或高阻Si衬底，其特征在于：在所述衬底（6）上自下而上依次包括AlN成核层（1）、GaN缓冲层（2）、InGaN沟道层（3）、AlGaN势垒层（4）和GaN盖帽层（5）。
2.根据权利要求1所述的一种高电子迁移率的GaN HEMT外延结构，其特征在于：所述半绝缘SiC衬底的厚度为350-500μm；所述的高阻Si衬底的厚度为675-1200μm。
3.根据权利要求1所述的一种高电子迁移率的GaN HEMT外延结构，其特征在于：所述的衬底（6）为上下表面经过抛光处理的衬底（6）。
4.根据权利要求1所述的一种高电子迁移率的GaN HEMT外延结构，其特征在于：所述的AlN成核层（1）的厚度为50-150nm。
5.根据权利要求1所述的一种高电子迁移率的GaN HEMT外延结构，其特征在于：所述的AlN成核层（1）为经过图像化处理的AlN成核层（1）。
6.根据权利要求5所述的一种高电子迁移率的GaN HEMT外延结构，其特征在于：所述的AlN成核层（1）为三角锥形或者方形的岛状结构的AlN成核层（1）。
7.根据权利要求1所述的一种高电子迁移率的GaN HEMT外延结构，其特征在于：所述GaN缓冲层（2）的厚度为1.3-2.0μm。
8.根据权利要求1所述的一种高电子迁移率的GaN HEMT外延结构，其特征在于：所述的GaN盖帽层（5）的厚度为2-5nm。
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| CN201720642985.7U CN207925476U (zh) | 2017-06-05 | 2017-06-05 | 一种高电子迁移率的GaN HEMT外延结构 |
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN109920851A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-06-21 | 华灿光电（浙江）有限公司 | Hemt外延结构及其制备方法 |
| CN111463273A (zh) * | 2020-03-25 | 2020-07-28 | 西北工业大学 | 一种基于氮化镓异质结外延的长关型hemt器件及其制备方法 |
| WO2023116875A1 (zh) * | 2021-12-24 | 2023-06-29 | 苏州能讯高能半导体有限公司 | 一种半导体器件的外延结构及其制备方法、半导体器件 |
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