[發(fā)明專利]一種在硅襯底上生長的氮化鎵外延結構

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• 申請日: 2014-02-20
• 公開（公告）號: CN104733511A
• 公開（公告）日: 2015-06-24
• 發(fā)明（設計）人: 陳振
• 申請（專利權）人: 江西省昌大光電科技有限公司
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術領域

本發(fā)明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種在硅襯底上生長的氮化鎵外延結構。

背景技術

GaN具有較大的直接禁帶寬度（3.4ev）、高熱導率、高電子飽和漂移速度等特點，因此已經(jīng)成為目前半導體技術領域的研究熱點。特別地，氮化鎵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。該器件具有高頻、大功率的優(yōu)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(fā)、能量轉換等領域。

由于AlGaN/GaN異質結構擊穿電壓大，因極化可產(chǎn)生高濃度二維電子氣（2DEG），并具有很高的電子遷移率，因此在微波功率器件應用方面引起了廣泛關注。如有時氮化鎵晶體管的基板和有源器件之間的隔離電壓超過300V，此時一高阻GaN層作為隔離層，這樣使得氮化鎵晶體管與底層絕緣，這種方法能以單片方式制造出任何結構的多個晶體管器件，并且本身就具有高效通用的散熱機制，在器件和散熱器之間不需要絕緣層，同時也減少漏電流，提高了AlGaN/GaN?HEMT器件的功率密度及其高溫、高頻性能。因此在器件材料結構中外延生長高阻GaN層是十分必要的。

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目前主要采用異質外延生長的辦法在藍寶石、SiC等襯底材料生長GaN外延層及器件。但是這兩種襯底價格昂貴，而且這兩種襯底的尺寸都比較小，增加了器件的制作成本。此外，藍寶石襯底還有硬度極高，導電差，導熱差等特點，對器件的制作和性能不利。Si作為目前最成熟的半導體材料，具有價格便宜，尺寸大，晶體質量高，導熱能力好等優(yōu)點，用Si作為外延層的襯底可大大降低器件的制作成本，提高經(jīng)濟效益。

但是，在Si襯底上生長一高阻厚膜GaN層的一個主要問題是在生長的過程中，特別是剛開始生長過程中，襯底上的Si原子會擴散到GaN層中，增加了Si施主的濃度，降低GaN的絕緣性，同時回爐時Ga原子會擴散到Si襯底上形成合金，并且Si原子會與N原子形成Si_xN_y非晶薄膜，Si_xN_y會阻止GaN在Si襯底表面的沉積，降低GaN的質量和表面形貌。

在硅襯底上生長高質量的GaN厚膜，超晶格結構因為能夠消除應力和阻擋穿透位錯被看作是有效的生長結構。目前主要采用而AlN/GaN超晶格層緩沖層的方法也有存在的問題，由于直接在Si襯底上生長超晶格比較困難，這樣超晶格緩沖層的作用也比較微弱，也不能在很大程度上阻止Si原子以及Ga原子的擴散。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目是提供一種在硅襯底上生長的氮化鎵外延結構，該結構能有效的消除應力和阻擋穿透位錯，阻止Si原子擴散到GaN層，并減少GaN層裂紋的形成。

本發(fā)明采用以下技術方案予以實現(xiàn)：一種在硅襯底上生長的氮化鎵外延結構，從下到上依次包括硅襯底層，氮化鋁成核層，漸變Al_XGa_1-XN緩沖層，周期性GaN/AlGaN超晶格插入層，氮化鎵層。

優(yōu)選地，所述硅襯底為硅（111）襯底。

優(yōu)選地，所述AlN成核層的生長溫度為1020-1060℃，厚度為95-350nm優(yōu)選地，所述漸變Al_XGa_1-XN緩沖層中Al摩爾含量從下至上由0漸變到X，X為0.08-0.4。

優(yōu)選地，所述緩沖層Al_XGa_1-XN的厚度為200-1000nm。

優(yōu)選地，所述周期性GaN/AlGaN超晶格插入層的生長溫度為1000-1300℃，生長周期為5-100，每周期生長GaN的厚度為1-20nm，AlGaN的厚度為1-20nm。

優(yōu)選地，所述氮化鎵層的厚度為0.5-3μm。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的這種氮化鎵外延結構能夠有效的阻止Si原子從襯底層擴散到GaN層中，減少了氮化鎵外延層中的位錯等缺陷密度，提高了半絕緣GaN的晶體質量和表面形貌，優(yōu)化了生長工藝，降低了生長成本，提高了產(chǎn)品的良率。此外，該半絕緣氮化鎵基高電子遷移率晶體管（HEMTs）具有更高的電子遷移速率、高功率密度等優(yōu)點。

附圖說明??

圖1為本發(fā)明所述的在硅襯底上生長的氮化鎵外延結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體的實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均在本申請所附權利要求所限定的范圍。

實施例1