[發明專利]一種具有極化誘導摻雜高阻層的GaN基HEMT結構及生長方法

有效

• 申請號: 201410505205.5
• 申請日: 2014-09-26
• 公開（公告）號: CN104241352B
• 公開（公告）日: 2018-10-02
• 發明（設計）人: 張連;張韻;閆建昌;王軍喜;李晉閩
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/06;H01L21/335
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

本發明公開了一種GaN基HEMT外延結構及其生長方法，該外延結構沿外延生長方向依次包括：襯底、緩沖層、高阻層、溝道層和勢壘層，其中：緩沖層外延生長在襯底上；高阻層外延生長在緩沖層上，其中，高阻層為極化誘導摻雜；溝道層外延生長在高阻層上；勢壘層外延生長在溝道層上。本發明通過極化誘導摻雜實現無摻雜雜質的高阻層，從而降低器件緩沖層漏電，緩解由于緩沖層摻雜而加劇的電流崩塌，實現提高器件擊穿電壓、改善器件動態導通電阻可靠性的目的。

技術領域

本發明屬于半導體器件技術領域，適用于GaN基HEMT器件，尤其是一種具有極化誘導摻雜高阻層的GaN基HEMT結構及生長方法，本發明通過極化誘導摻雜實現無摻雜雜質的高阻層，從而降低器件緩沖層漏電，解決由于緩沖層摻雜而引入的電流崩塌，實現提高器件擊穿電壓、改善器件動態導通電阻可靠性的目的。

背景技術

目前，高壓、高溫、高頻和大功率GaN電力電子器件是國際半導體領域的一個研究熱點，也是當今微電子領域的戰略制高點之一。美國、日本、歐洲等國家和地區都極其重視GaN電力電子器件技術的研究與開發。雖然GaN基HEMT器件已經取得很大進步，但仍然存在著一系列制約因素阻礙其發展。其中，GaN緩沖層的漏電是備受關注的一個問題，因為在大功率工作時，其將導致器件抗高電壓能力和電能轉換效率的降低。造成緩沖層漏電的主要原因是在異質襯底上外延的GaN基材料中存在大量的氮空位及位錯等缺陷，這些缺陷能級及其他的淺施主雜質(如O原子等)可電離產生電子，使GaN緩沖層呈現弱n型導電。在這種情況下，當器件工作在柵電壓夾斷狀態時，源、漏電極之間的電壓(Vds)如果比較大，兩電極之間就會通過緩沖層漏電流而導通，使器件無法徹底關斷，并且Vds繼續升高的話，器件會因為漏電流持續升高而被“軟擊穿”。這種緩沖層漏電的HEMT器件將嚴重降低電力電子模塊的效率和電壓等級。目前一般通過受主雜質摻雜的方式，補償背景電子而獲得高阻GaN緩沖層，抑制漏電現象。不過，受主雜質摻雜會提高缺陷密度，導致材料質量下降，引入的缺陷陷阱態還會加劇器件電流崩塌效應，嚴重影響可靠性。因此，找到一種既可獲得高阻GaN基緩沖層，同時又不會引入其他雜質缺陷而造成電流崩塌的方法，對于GaN基HEMT器件至關重要。而利用極化摻雜方法，則無需引入受主雜質，通過采用組分線性漸變的AlGaN或InGaN即可實現高阻層。沿[0001]生長方向，極化電場強度隨Al組分的線性降低(或In組分的線性增加)而降低，其均勻落差導致AlGaN或InGaN體內均勻分布著凈極化負電荷。為保持電中性，則將感應產生等量空穴。通過選擇合適的組分梯度，即可產生與背景電子濃度相當的空穴，實現電子空穴補償，獲得高阻層。

發明內容

本發明針對GaN基HEMT器件的GaN緩沖層漏電導致器件擊穿電壓降低的問題，提出了一種具有極化誘導摻雜高阻層的GaN基HEMT結構及生長方法。

根據本發明的一方面，提出一種GaN基HEMT外延結構，該外延結構沿外延生長方向依次包括：襯底、緩沖層、高阻層、溝道層和勢壘層，其中：

所述緩沖層外延生長在所述襯底上；

所述高阻層外延生長在所述緩沖層上，其中，所述高阻層為極化誘導摻雜；

所述溝道層外延生長在所述高阻層上；

所述勢壘層外延生長在所述溝道層上。

其中，外延生長方向為外延氮化物的[0001]方向，所述外延生長方向所對應的晶面為極性面(0001)面。

其中，所述緩沖層由GaN或AlN材料制成，厚度為0.1-5um；

和/或，所述溝道層由非摻雜的GaN或InGaN制成，厚度為5-200nm；

和/或，所述勢壘層由應變AlGaN或InAlN制成，厚度為10-50nm。

其中，所述緩沖層中還依次包括低溫成核層、高溫緩沖層和/或超晶格層。