CN218039219U - 一种高迁移率晶体管的外延结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及半导体技术领域，尤其是一种高迁移率晶体管的外延结构，所述外延结构包括GaN盖帽层、超晶格势垒层、AlN插入层、GaN沟道层、GaN半绝缘层、中温AlGaN缓冲层、高温AlGaN过渡层、高温AlN层及Si衬底，本方案通过Si作为衬底，采用金属有机物化学气相沉积在Si衬底上外延生长超晶格势垒层，与传统AlGaN势垒层相比，晶体管表面的形貌粗糙度更低、晶体管表面电阻更低，同时电学性能2DEG面电子浓度也有所增加并提高二维电子气迁移率，通过本方案制造的高迁移率晶体管在高频大功率器件应用领域具有广阔前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体技术领域，尤其是一种高迁移率晶体管的外延结构。
背景技术
HEMT作为微波器件的重要组成部分，广泛用于移动通信、卫星通信、雷达等设备中。GaN及其Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料由于具有大的禁带宽度、高的电子饱和漂移速等优点，特别是在非掺杂的情况下，在GaN/AlN异质结界面就可形成的具有高电子浓度和高电子迁移率的二维电子气，使其在大功率、高电压的HEMT器件中有巨大的应用价值。由于二维电子气的迁移率和浓度与器件的功率密度密切相关，所以提高二维电子气的迁移率和浓度是GaN基HEMT的关键所在。
为了提高二维电子气的性能参数，很多新型结构、生长方法被提出，利用薄的AlN插层减少合金散射和提高导带带阶，从而提高二维电子气的迁移率和浓度，由于增加Al组分提高二维电子气的迁移率和浓度时还会出现一些负面问题：晶体管表面变粗糙，面电阻增加对器件接触电阻造成影响。
实用新型内容
针对上述Al组分对器件接触电阻造成影响的问题，本实用新型提供降低晶体管表面形貌粗糙度、降低晶体管面电阻且具备提高二维电子气的迁移率及浓度的一种高迁移率晶体管的外延结构。
一种高迁移率晶体管的外延结构，所述外延结构包括GaN盖帽层、超晶格势垒层、AlN插入层、GaN沟道层、GaN半绝缘层、中温AlGaN缓冲层、高温AlGaN过渡层、高温AlN层及Si衬底。
进一步的，所述超晶格势垒层包括若干超晶格AlN层及若干超晶格GaN层。
进一步的，所述超晶格势垒层由三甲基铝、三甲基镓及氨气进行生长。
进一步的，所述超晶格势垒层中Al的组分为20％-45％。
进一步的，所述超晶格势垒层的厚度为22nm-26nm。
相比于现有技术，本实用新型的优点及有益效果在于：本方案通过Si作为衬底，采用金属有机物化学气相沉积在Si衬底上外延生长超晶格势垒层，与传统AlGaN势垒层相比，晶体管表面的形貌粗糙度更低、晶体管表面电阻更低，同时电学性能2DEG面电子浓度也有所增加并提高二维电子气迁移率，通过本方案制造的高迁移率晶体管在高频大功率器件应用领域具有广阔前景。
附图说明
图1为本实用新型中高电子迁移率晶体管的外延结构示意图；
图2为本实用新型中若干超晶格AlN层与若干超晶格GaN层交替结构示意图；
图3为本实用新型中实施例1提供的若干超晶格AlN层与若干超晶格GaN层交替方式示意图；
图4为本实用新型中实施例2提供的若干超晶格AlN层与若干超晶格GaN层交替方式示意图；
其中，1-超晶格GaN层，2-超晶格GaN层。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型提供的高迁移率晶体管的外延结构由以下步骤制造：
S1、将Si衬底在氢气气氛以1050℃进行处理10分钟；
S2、以生长温度为1100℃，反应室压力为50mbar，Ⅴ-Ⅲ比为520环境下，利用TMAl(三甲基铝)和纯度为99.99994％的氨气在氢气气氛下生长厚度为240nm的AlN；
S3、将温度降到1080℃，反应室压力为60mbar，Ⅴ-Ⅲ变为1010，利用TMGa(三甲基镓)、TMAl(三甲基铝)和氨气生长厚度为100nm的AlGaN过渡层；
S4、将温度降至1050℃，保持反应室压力为60mbar，Ⅴ-Ⅲ变为93，生长厚度为1500nm的中温AlGaN过渡层。
S5、将温度降至950℃，保持反应室压力为60mbar，Ⅴ-Ⅲ为332，生长厚度为1500nm的半绝缘高温GaN层，其厚度为1500nm。
S6、将温度升至1050℃，反应室压力升至200mbar，Ⅴ-Ⅲ为830，在半绝缘高温GaN层上生长高电子迁移率的沟道层，其厚度为200nm。
S7、保持温度为1050℃，压力降至75mbar，Ⅴ-Ⅲ调为2080，生长厚度为1nm的AlN。
S8、保持温度、压力不变，利用TMAl、TMGa和氨气生长Al组分为22-26％的超晶格势垒层，其AlN厚度约为2.4nm，GaN厚度约为3.6nm，总厚度为22nm-26nm。
S9、保持温度、压力不变，利用TMGa和氨气生长1nm的GaN盖帽层。
如图1-2所示，本实施例提供的高电子迁移率晶体管的外延结构的超晶格势垒层包括若干超晶格AlN层2及若干超晶格GaN层1，本实施例中超晶格GaN层1及超晶格GaN层1的层数及Al组分可以根据需求灵活设置。例如，一种示例中，可以包括四层或四层以上的超晶格AlN层2，以及四层或四层以上的超晶格GaN层1。本实施例中超晶格AlN层2和超晶格GaN层1的交替方式可包括但不限于以下两种方式：
实施例1：如图3所示，超晶格势垒层包括交替生长的超晶格GaN层1和包括的超晶格AlN层2的数量相同，例如参见图3所示的势垒层，其包括n(n取值范围为正整数)个超晶格GaN层1和n个超晶格AlN层2，该n个超晶格GaN层1和n个超晶格AlN层2从下往上依次交替设置，此时位于最顶层的超晶格AlN层2的上方未设置超晶格GaN层1。
实施例2：如图4所示，交替生长的超晶格GaN层1和超晶格AlN层2的数量不相同，超晶格GaN层1的数量比超晶格AlN层2多一层，具体的，包括n+1个超晶格GaN层1和n个AlN层，该n+1个超晶格GaN层1和n个超晶格AlN层2从下往上依次交替设置，此时位于最顶层的超晶格AlN层2的上方还设置有一层超晶格GaN层1。
当然，应当理解的是，本实施例中超晶格GaN层1和超晶格AlN层2的交替方式并不限于上述实施例1、2两种方式，还可根据需求进行等同的变形，这些变形方案也都在本实施例的范围内，在此不再赘述。
本发明方法通过在Si上直接生长外延层，之后优化生长条件得到载流子浓度更高的超晶格势垒层，同时降低面电阻降低晶体管表面粗糙度。
以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所做的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人们来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (2)
1.一种高迁移率晶体管的外延结构，其特征在于，所述外延结构包括从上至下依次设有的GaN盖帽层、超晶格势垒层、AlN插入层、GaN沟道层、GaN半绝缘层、中温AlGaN缓冲层、高温AlGaN过渡层、高温AlN层及Si衬底；
所述超晶格势垒层包括若干超晶格AlN层(2)及若干超晶格GaN层(1)。
2.根据权利要求1所述的一种高迁移率晶体管的外延结构，其特征在于，所述超晶格势垒层的厚度为22nm-26nm。
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| CN202221528720.1U CN218039219U (zh) | 2022-06-15 | 2022-06-15 | 一种高迁移率晶体管的外延结构 |
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN116153970A (zh) * | 2023-03-14 | 2023-05-23 | 苏州汉骅半导体有限公司 | 半导体外延结构及制备方法和半导体器件 |
| CN117423741A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-01-19 | 英诺赛科(苏州)半导体有限公司 | 一种半导体器件及半导体器件的制作方法 |
| CN118299413A (zh) * | 2023-11-30 | 2024-07-05 | 润新微电子(大连)有限公司 | 一种半导体器件 |
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