[發(fā)明專利]復(fù)合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210137851.1
• 申請日: 2012-05-07
• 公開（公告）號: CN102646700A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 彭大青;李忠輝;董遜;李亮;倪金玉;張東國
• 申請（專利權(quán)）人: 中國電子科技集團公司第五十五研究所
• 主分類號: H01L29/20
• 分類號: H01L29/20;H01L29/201;H01L29/06;H01L29/778
• 代理公司: 南京君陶專利商標(biāo)代理有限公司 32215
• 代理人: 沈根水

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是復(fù)合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)，屬于半導(dǎo)體單晶薄膜的外延生長技術(shù)領(lǐng)域。?

背景技術(shù)

氮化鎵（GaN）基高電子遷移率場效應(yīng)晶體管（HEMT）是一種基于氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型電子器件，氮化物材料特有的極化效應(yīng)使得在異質(zhì)結(jié)界面勢阱中形成高濃度的二維電子氣（2DEG）溝道，通過肖特基柵壓控制溝道電子實現(xiàn)工作。器件具有高頻、大功率的優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于無線通信基站、電力電子器件等信息收發(fā)、能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域，符合當(dāng)前節(jié)能環(huán)保、綠色低碳的發(fā)展理念；GaN?HEMT外延材料結(jié)構(gòu)一般包括襯底、成核層、緩沖層、溝道層和勢壘層。襯底一般為藍(lán)寶石、碳化硅（SiC）、單晶硅（Si）。對于通常采用的鋁鎵氮/氮化鎵（AlGaN/GaN）異質(zhì)結(jié)構(gòu)，緩沖層和溝道層均為GaN，勢壘層為AlGaN。在這種單異質(zhì)結(jié)構(gòu)中溝道層和緩沖層均為GaN，之間不能形成導(dǎo)帶帶階，溝道二維電子氣的限域性較差，電子容易溢出溝道進(jìn)入緩沖層，從而降低了溝道的夾斷性能，造成器件的輸出電導(dǎo)增大和擊穿性能下降，進(jìn)而降低了器件的頻率性能和功率特性；為了增強GaN?HEMT溝道二維電子氣限域性，提高器件性能，一種有效的方法是采用低組分的AlGaN作緩沖層構(gòu)成Al_xGa_1-xN/GaN/Al_yGa_1-yN雙異質(zhì)結(jié)HEMT。在這種結(jié)構(gòu)中，2DEG溝道層與緩沖層之間形成GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)，得益于AlGaN的大帶隙和極化效應(yīng)，在GaN/AlGaN界面產(chǎn)生負(fù)極化電荷，抬高了導(dǎo)帶能級，增強了2DEG限域性。

然而，在AlGaN中由于存在聲子的合金散射，使得AlGaN合金的熱導(dǎo)率大幅下降，組分在0.2-0.8之間的AlGaN薄膜的熱導(dǎo)率只有20W/mK，顯著低于GaN薄膜130W/mK的熱導(dǎo)率。降低Al組分有助于提高熱導(dǎo)率，當(dāng)組分為0.04時，熱導(dǎo)率為70?W/mK，但仍低于GaN。由于AlGaN緩沖層較低的熱導(dǎo)率使得器件的輸出電流隨著漏極偏壓的增大而下降，造成器件的輸出功率下降，效率降低，從而影響了GaN?HEMT大功率方向的應(yīng)用潛力。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種復(fù)合緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結(jié)構(gòu)和生長方法；通過采用Al_yGa_1-yN/GaN復(fù)合結(jié)構(gòu)代替通常采用的單一結(jié)構(gòu)的Al_yGa_1-yN緩沖層；與單一結(jié)構(gòu)Al_yGa_1-yN緩沖層一樣，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)緩沖層依然能夠與GaN溝道層形成GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生導(dǎo)帶帶階，增強HEMT材料2DEG限域性，提高器件的頻率性能和功率特性；由于隨著AlGaN合金中存在合金散射，AlGaN的熱導(dǎo)率低于GaN。因此，這種Al_yGa_1-yN/GaN復(fù)合緩沖層在增強2DEG限域性的同時，熱導(dǎo)率顯著提高，是一種降低AlGaN緩沖層HEMT器件的自熱效應(yīng)的有效方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：其特征是襯底上是生長成核層；成核層上是第一緩沖層；第一緩沖層上是生長第二緩沖層；第二緩沖層上是生長溝道層；溝道層上是生長勢壘層；

其生長方法，包括以下步驟：

第一步，襯底經(jīng)清洗、吹干后在反應(yīng)室內(nèi)高溫烘烤；

第二步，在襯底上生長成核層；

第三步，在成核層上第一緩沖層；

第四步，在第一緩沖層上生長第二緩沖層；

第五步，在第二緩沖層上生長溝道層；

第六步，在溝道層上生長勢壘層；

第七步，降至室溫。

所述的襯底是藍(lán)寶石、SiC或Si；

所述的成核層是AlN、GaN或AlGaN；

所述的第一緩沖層是生長在成核層上的GaN薄膜，厚度為0.1-2.5um；

所述的第二緩沖層為生長在第一緩沖層上的Al_yGa_1-yN薄膜，可以是組分恒定的（Al組分范圍y=0.02-0.08，優(yōu)化值為0.04），也可以是組分漸變的（由第一緩沖層向溝道層方向Al組分由0漸變到y(tǒng)，y=0.02-0.08，優(yōu)化值為0.04），厚度為0.1-1.0um；

所述的溝道層為GaN，生長在第一緩沖層上，厚度為10-500nm；

所述的勢壘層生長在溝道層上，可以是III-V族氮化物多元合金薄膜及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)。