[發明專利]組分漸變AlyGa1-yN緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結構無效
| 申請號： | 201210446920.7 | 申請日： | 2012-11-09 |
| 公開（公告）號： | CN102969341A | 公開（公告）日： | 2013-03-13 |
| 發明（設計）人： | 彭大青;李忠輝 | 申請（專利權）人： | 中國電子科技集團公司第五十五研究所 |
| 主分類號： | H01L29/201 | 分類號： | H01L29/201;H01L29/778;H01L29/06 |
| 代理公司： | 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204 | 代理人： | 柏尚春 |
| 地址： | 210016 江蘇*** | 國省代碼： | 江蘇;32 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 組分 漸變 al sub ga 緩沖 氮化物 電子 遷移率 晶體管 外延 結構 | ||
技術領域
本發明屬于半導體單晶薄膜技術領域，尤其涉及AlxGa1-xN緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結構。?
背景技術
氮化鎵（GaN）基高電子遷移率場效應晶體管（HEMT）是一種基于氮化物異質結構的新型電子器件，氮化物材料特有的極化效應使得在異質結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工作。器件具有高頻、大功率的優異特性，廣泛應用于無線通信基站、電力電子器件等信息收發、能量轉換等領域，符合當前節能環保、綠色低碳的發展理念；GaN?HEMT外延材料結構一般包括襯底、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）異質結構，緩沖層和溝道層均為GaN，勢壘層為AlGaN。在這種單異質結構中溝道層和緩沖層均為GaN，之間不能形成導帶帶階，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增大和擊穿性能下降，進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作緩沖層構成AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN雙異質結HEMT。在這種結構中，2DEG溝道層與緩沖層之間形成GaN/AlGaN異質結，得益于AlGaN的大帶隙和極化效應，在GaN/AlGaN界面產生負極化電荷，抬高了導帶能級，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合金的熱導率大幅下降，組分在0.2-0.8之間的AlGaN薄膜的熱導率只有20W/mK，顯著低于GaN薄膜130W/mK的熱導率。降低Al組分有助于提高熱導率，當組分為0.04時，熱導率為70W/mK，但仍低于GaN。由于AlGaN緩沖層較低的熱導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大功率方向的應用潛力。?
發明內容
發明目的：針對上述現有存在的問題和不足，本發明的目的是提出一種組分漸變AlyGa1-yN緩沖層GaN?HEMT外延材料結構和生長方法；通過采用組分漸變AlyGa1-yN代替通常采用的組分恒定的AlyGa1-yN緩沖層；與組分恒定AlyGa1-yN緩沖層一樣，這種組分漸變緩沖層依然能夠與GaN溝道層形成GaN/AlGaN異質結，產生導帶帶階，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的熱導率低于GaN。因此，這種組分漸變AlyGa1-yN緩沖層在增強2DEG限域性的同時，熱導率顯著提高，是一種降低AlGaN緩沖層HEMT器件的自熱效應的有效方法。?
技術方案：為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案：一種組分漸變AlyGa1-yN緩沖層的氮化物高電子遷移率晶體管外延結構，包括襯底層，該襯底層上從下至上依次生長有成核層、緩沖層、溝道層和勢壘層，其中：所述襯底層為藍寶石、SiC或Si；所述成核層為ALN、GaN或AlGaN；所述溝道層為GaN；所述勢壘層為III-V族氮化物多元合金薄膜；所述緩沖層為AlyGa1-yN，其中Al組分含量沿成核層向溝道層方向由0漸變到y，y為0.02～0.08。?
作為優選，所述AlyGa1-yN緩沖層的厚度為0.5～3.0μm。?
作為優選，所述溝道層厚度為10～500nm。?
作為優選，所述AlyGa1-yN緩沖層的生長溫度為700～1200℃。?
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