CN220233200U - 一种氮化镓外延结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种氮化镓外延结构，包括：多晶AlN衬底；多晶AlN成核层，设置于多晶AlN衬底上；AlN外延层，设置于多晶AlN成核层上；至少一层氮化镓外延层，设置于AlN外延层上。本实用新型中的器件，通过多晶AlN衬底及其上的多晶AlN成核层和AlN外延层，为至少一层氮化镓外延层提供了低失配的外延基底，且能够有效释放氮化镓外延层和其之间的失配应力，提高了氮化镓外延结构整体的良率，降低了生产成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及微电子技术领域，尤其涉及到一种氮化镓外延结构。
背景技术
GaN具有较大的直接禁带宽度(3.4eV)、高热导率、高电子饱和漂移速度等特点，因此已经成为目前半导体技术领域的研究热点。特别地，氮化镓基高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)是一种基于氮化物异质结构的新型电子器件。该器件具有高频、大功率的优异特性，广泛应用于无线通信基站、电力电子等信息收发、能量转换领域。
传统的GaN-on-Si外延结构中，GaN和Si衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，这导致了GaN外延层厚度较低、晶圆易碎、缓冲层结构复杂、散热能力较差等严重问题。这些问题制约了GaN-on-Si晶圆成本的进一步降低以及良率的进一步提升。
因此，如何减小GaN外延层与其外延基底之间的晶格失配和热失配成为亟待解决的问题。
实用新型内容
因此，本实用新型要解决的技术问题为现有的GaN外延结构中的GaN外延层与其外延基底之间存在较大的晶格失配和热失配，GaN外延层受影响而良率较低，或者为了平衡失配而必须设置较为复杂的缓冲层，成本较高且散热较差的问题。
为此，本实用新型提供了一种氮化镓外延结构，包括：
多晶AlN衬底；
多晶AlN成核层，设置于多晶AlN衬底上；
AlN外延层，设置于多晶AlN成核层上；
至少一层氮化镓外延层，设置于AlN外延层上。
在一种可能的实现方式中，至少一层氮化镓外延层包括依次叠设的GaN缓冲层、GaN沟道层和AlxGa1-xN势垒层；其中，x是指AlxGa1-xN势垒层中的Al组分含量。
在一种可能的实现方式中，至少一层氮化镓外延层还包括AlN隔离层，AlN隔离层设置于GaN沟道层和AlxGa1-xN势垒层之间。
在一种可能的实现方式中，至少一层氮化镓外延层还包括P-GaN帽层，P-GaN帽层设置于AlxGa1-xN势垒层上。
在一种可能的实现方式中，多晶AlN衬底的厚度在100μm～2000μm之间。
在一种可能的实现方式中，多晶AlN成核层的厚度在10nm～400nm之间。
在一种可能的实现方式中，AlN外延层的厚度在10nm～200nm之间。
本实用新型提供的技术方案，具有如下优点：
本实用新型提供的氮化镓外延结构，通过设置衬底为尺寸较大且成本较低的多晶AlN衬底，并在多晶AlN衬底上依次设置同质的多晶AlN成核层和AlN外延层，为其上设置的至少一层氮化镓外延层提供了低失配的外延基底(外延基底自身的晶格失配和热失配极小)，且该外延基底能够有效释放氮化镓外延层和其之间的失配应力，最终使氮化镓外延层具有高质量和大尺寸的性能，进而提高了氮化镓外延结构整体的良率，降低了生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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。
图1为本实用新型实施例提供的氮化镓外延结构的一种结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的氮化镓外延结构的另一种结构示意图；
附图标记说明：
1-多晶AlN衬底；2-多晶AlN成核层；3-AlN外延层；41-GaN缓冲层；42-GaN沟道层；43-AlxGa1-xN势垒层；44-AlN隔离层；45-P-GaN帽层。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，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。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实施例提供了一种氮化镓外延结构，如图1所示，该氮化镓外延结构包括：多晶AlN衬底1、多晶AlN成核层2、AlN外延层3和至少一层氮化镓外延层。
其中，多晶AlN成核层2设置于多晶AlN衬底1上，AlN外延层3设置于多晶AlN成核层2上，至少一层氮化镓外延层设置于AlN外延层3上。
具体地，如图1所示，至少一层氮化镓外延层可以包括依次叠设的GaN缓冲层41、GaN沟道层42和AlxGa1-xN势垒层43；其中，x是指AlxGa1-xN势垒层43中的Al组分含量。其中，GaN缓冲层41具体可以为GaN结构层，也可以为AlGaN结构层；GaN沟道层42具体可以为GaN结构层，也可以为AlGaN结构层，或者渐变铝组分的AlGaN结构层，或者AlN/GaN超晶格结构层，或者AlN/AlGaN超晶格结构层，或者掺杂C元素的GaN结构层等。
具体地，多晶AlN成核层2可以通过磁控溅射工艺设置于多晶AlN衬底1上，AlN外延层3可以通过气相外延生长工艺设置于多晶AlN成核层2上，且GaN缓冲层41、GaN沟道层42和AlxGa1-xN势垒层43也均可以通过气相外延生长工艺设置。具体实施时，可以设置AlxGa1-xN势垒层43中铝组分x在0.1～0.5之间；多晶AlN衬底1的厚度在100μm～2000μm之间，多晶AlN成核层2的厚度在10nm～400nm之间，AlN外延层3的厚度在10nm～200nm之间，GaN缓冲层41的厚度在1μm～20μm之间，GaN沟道层42的厚度在50nm～500nm之间，AlxGa1-xN势垒层43的厚度在10nm～50nm之间。
在本实施例的一种实施方式中，如图2所示，还可以设置至少一层氮化镓外延层包括一AlN隔离层44，该AlN隔离层44设置于GaN沟道层42和AlxGa1-xN势垒层43之间。
具体地，AlN隔离层44同样可以采用气相外延生长工艺设置，且具体实施时，可以设置其厚度在0.5nm～3nm之间。
在本实施例的一种实施方式中，如图2所示，还可以设置至少一层氮化镓外延层包括一P-GaN帽层45，该P-GaN帽层45设置于AlxGa1-xN势垒层43上。
具体地，P-GaN帽层45同样可以采用气相外延生长工艺设置。具体实施时，可以设置P-GaN帽层45中的掺杂元素为Mg，且可以设置Mg的掺杂浓度在1018cm-3～1020cm-3之间；可以设置P-GaN帽层45的厚度在50nm～500nm之间。
本实施例中的氮化镓外延结构，通过设置衬底为尺寸较大且成本较低的多晶AlN衬底1，并在多晶AlN衬底1上依次设置同质的多晶AlN成核层2和AlN外延层3，为其上设置的至少一层氮化镓外延层提供了低失配的外延基底(外延基底自身的晶格失配和热失配极小)，且该外延基底能够有效释放氮化镓外延层和其之间的失配应力，最终使氮化镓外延层具有高质量和大尺寸的性能，进而提高了氮化镓外延结构整体的良率，降低了生产成本。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种氮化镓外延结构，其特征在于，包括：
多晶AlN衬底(1)；
多晶AlN成核层(2)，设置于所述多晶AlN衬底(1)上；
AlN外延层(3)，设置于所述多晶AlN成核层(2)上；
至少一层氮化镓外延层，设置于所述AlN外延层(3)上。
2.根据权利要求1所述的氮化镓外延结构，其特征在于，所述至少一层氮化镓外延层包括依次叠设的GaN缓冲层(41)、GaN沟道层(42)和AlxGa1-xN势垒层(43)；其中，x是指AlxGa1-xN势垒层中的Al组分含量。
3.根据权利要求2所述的氮化镓外延结构，其特征在于，所述至少一层氮化镓外延层还包括AlN隔离层(44)，所述AlN隔离层(44)设置于所述GaN沟道层(42)和AlxGa1-xN势垒层(43)之间。
4.根据权利要求3所述的氮化镓外延结构，其特征在于，所述至少一层氮化镓外延层还包括P-GaN帽层(45)，所述P-GaN帽层(45)设置于所述AlxGa1-xN势垒层(43)上。
5.根据权利要求1-4任一项所述的氮化镓外延结构，其特征在于，所述多晶AlN衬底(1)的厚度在100μm～2000μm之间。
6.根据权利要求1-4任一项所述的氮化镓外延结构，其特征在于，所述多晶AlN成核层(2)的厚度在10nm～400nm之间。
7.根据权利要求1-4任一项所述的氮化镓外延结构，其特征在于，所述AlN外延层(3)的厚度在10nm～200nm之间。
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