[發明專利]一種厚膜高耐壓氮化物半導體外延結構及其生長方法

在審

• 申請號: 201410731135.5
• 申請日: 2014-12-05
• 公開（公告）號: CN104465749A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 劉揚;周德秋;倪毅強;賀致遠
• 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: 陳衛

技術領域

?本發明涉及半導體的技術領域，更具體地，涉及一種厚膜高耐壓氮化物半導體外延結構及其生長方法。

背景技術

GaN?作為第三代半導體的代表，以其禁帶寬度大，擊穿電場強，介電常數大，飽和電子漂移速度高和異質界面二維電子氣濃度高等優良的材料性能特點成為現今電力電子器件最重要的材料之一。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，加上大尺寸、價格低、導熱性好等方面的優勢，Si襯底成為GaN材料異質生長的理想材料。但是傳統地采用異質結溝道的平面型Si基氮化鎵功率器件并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。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。這說明達到飽和電壓后，器件水平方向發生擊穿之前，垂直方向材料就先發生了擊穿。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飽和擊穿電壓是亟需攻克的關鍵問題。

研究表明，提高Si襯底上氮化物外延層晶體質量和厚度，是提高Si襯底氮化物功率器件擊穿電壓的有效手段。但是由于Si襯底和氮化物之間存在的晶格失配和熱失配使得在生長厚膜氮化物時很難控制生長過程中產生的應力，容易導致外延片發生龜裂。為了平衡這種晶格失配和熱失配產生的應力問題，通常采用應力工程即插入應力緩沖層的方式在Si襯底上厚膜無龜裂的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。

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。該溝道層成為外延層結構的漏電通道，從而使得實際的耐壓層僅僅為最頂層的GaN層，而不是整層氮化物外延層。

發明內容

本發明為克服上述現有技術所述的至少一種缺陷，提供一種工藝簡單，穩定性高，通過粗化界面破壞富Al氮化物插入層和其下方的GaN外延層的界面處產生的二維電子氣溝道，從而最大化利用由采用富Al氮化物插入層技術而獲得的厚膜高耐壓氮化物半導體外延結構，該外延結構具有更高的耐壓能力。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種厚膜高耐壓氮化物半導體外延結構。其中，由下至上依次包括襯底、成核層、氮化物半導體材料層，所述氮化物半導體材料層包括在所述氮化物半導體材料層內被隔開的多個在具有粗化界面結構插入層上生長的基本氮化物夾層。所述氮化物半導體材料層包括具有粗化界面的氮化物插入層和位于所述具有粗化界面的氮化物層上方的氮化物夾層，所述氮化物夾層為一層弛豫氮化物夾層。

所述具有粗化界面結構的氮化物插入層和弛豫氮化物夾層在氮化物半導體材料層中的個數由實際耐壓和厚度需求而定。

優選的，所述襯底為硅襯底、絕緣襯底硅、藍寶石襯底、碳化硅、鈮酸鋰、氮化鎵或氮化鋁襯底中的任一種。

優選的，所述成核層為AlGaN層、AlInGaN層、AlN層或GaN層。

優選的，所述氮化物半導體材料層為AlGaN層、AlInGaN層或GaN層；其厚度為100nm~20μm。

優選的，所述氮化物插入層具有經過粗化的界面結構。

優選的，所述粗化界面形成方法可為通過調整氮化物外延生長參數（如生長氣壓，生長五三比等）改變氮化物表面粗糙度，或通過雜質摻雜改變氮化物表面粗糙度，或通過生長過程中通入氣體在線刻蝕方法改變氮化物表面粗糙度，或其他可以改變所述插入層表面粗糙度的方法。