[發明專利]一種厚膜高阻氮化物半導體外延結構及其生長方法

有效

• 申請號: 201310673040.8
• 申請日: 2013-12-12
• 公開（公告）號: CN103633134A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 劉揚;倪毅強;賀致遠;周德秋;張佰君
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L21/335;H01L29/06
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 林麗明

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技術領域

本發明涉及半導體技術領域，更具體地，涉及一種厚膜高阻氮化物半導體外延結構及其生長方法。

背景技術

以GaN為代表的第三代寬禁帶半導體材料具有寬禁帶、高擊穿電場強度、高飽和電子漂移速度、高熱導率、異質界面二維電子氣濃度高等優良的材料性能特點，相比于Si材料，GaN更加適合制作大功率高容量、高開關速度以及高頻的電子器件。與傳統Si器件相比，GaN器件能承載更高的功率密度，具有更高的能量轉換效率，可以使整個系統的體積和重量減少，從而降低系統成本。

由于缺乏同質襯底，目前在廉價的大尺寸Si襯底上生長GaN外延層制備功率器件成為了推動GaN功率器件市場化的主流方向。

傳統的采用異質結溝道的平面型硅基氮化鎵功率器件不能像在藍寶石或碳化硅襯底上的GaN功率器件一樣，單純的靠增大柵漏間距或者引入場板技術來獲得高的擊穿電壓。實驗表明，Si基GaN功率器件存在一個飽和擊穿電壓。也就是說當增大柵漏間距時，擊穿電壓并非一直線性增大，而是在達到某一個柵漏間距后，擊穿電壓趨于飽和。這說明在器件水平方向發生擊穿之前，垂直方向材料就發生了擊穿。這主要是由于Si襯底材料本身的導電性和低的臨界擊穿電場導致了垂直方向的擊穿。所以，提高Si襯底上氮化物功率器件的擊穿電壓是急需攻克的關鍵問題。

通過增加Si襯底上氮化物外延層的厚度可以達到提高硅襯底氮化物功率器件的擊穿電壓的目的。但是由于Si襯底與氮化物之間存在晶格失配和熱失配，為了平衡失配所產生應力不均，采用應力工程技術可以很好的在Si襯底上生長出厚膜無龜裂的GaN外延層。Dadgar在2000年等人（Dadgar,et.al?,Metalorganic?Chemical?Vapor?Phase?Epitaxy?of?Crack-Free?GaN?on?Si?(111)?Exceeding?1?μm?in?Thickness?Armin?Jpn.?J.?Appl.?Phys.?39?(2000)?L1183）提出了采用多層富Al的氮化物插入層的方法獲得了Si襯底上異質生長1微米以上的高質量無龜裂GaN外延層。這種采用富Al氮化物插入層的思路是該應力釋放后的富Al氮化物插入層與其上面贗配生長或部分應力釋放的GaN外延層會給后續的GaN外延層提供一個壓應力，從而很好的平衡應力獲得無龜裂的氮化物外延層。該方法的一個缺點是最上層的GaN層厚度不能太厚，通常為2-3微米。但是，該方法可以得到非常厚的氮化物外延層（14.6μm）（A.?Dadgar?et?al.:?Improving?GaN-on-silicon?properties?for?GaN?device?epitaxy,?Phys.?Status?Solidi?C?8,?No.?5,?1503–1508?(2011)）。這是目前主流技術中唯一可以生長超過10μm外延層厚度的插入層技術。

但是，實驗表明采用多層富Al氮化物插入層的技術生長出的厚膜外延層并不能有效的提升材料的耐壓能力。這是因為，由于極化效應的存在，該富Al氮化物插入層會在其與下方的GaN外延層的界面處產生一層埋層二維電子氣溝道。該埋層溝道扮演著一個埋層漏電流通道的角色，從而使得實際耐壓層僅為最頂層的GaN層，而不是整層氮化物外延層。（Ni?Yi?Qiang，He?Zhi?Yuan?et?al.:?Electrical?properties?of?MOCVD-grown?GaN?on?Si?(111)?substrates?with?low-temperature?AlN?interlayers,?Chin.?Phys.?B?Vol.?22,?No.?8?(2013)?088104;?Zhiyuan?He,?Yiqiang?Ni?et?al:?Investigations?of?Leakage?Current?Properties?in?Semi-insulating?GaN?Grown?on?Si?(111)?Substrate?with?Low?Temperature?AlN?Interlayers,?Journal?of?Physics?D:Applied?Physics,2013,accepted）。

發明內容

為了克服現有采用富Al氮化物插入層技術外延生長厚膜GaN耐壓能力不足的問題，首先提出一種具有更高耐壓能力的厚膜高阻氮化物半導體外延結構。

為了實現上述目的，技術方案如下：