[發明專利]一種HEMT器件的外延結構及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201910957484.1
• 申請日: 2019-10-10
• 公開（公告）號: CN110838518A
• 公開（公告）日: 2020-02-25
• 發明（設計）人: 劉新科;賁建偉;陳勇;利鍵;吳健華;敖金平;賀威
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/20;H01L29/207;H01L29/778;H01L21/335
• 代理公司: 深圳市恒申知識產權事務所(普通合伙) 44312
• 代理人: 鮑竹

本發明提供了一種HEMT器件的外延結構，包括：襯底層、沿襯底往上依次貼合設置有AlN層、極化緩沖層、GaN層和AlGaN層；所述極化緩沖層由Al含量沿AlN層到GaN層逐漸降低的AlGaN材料構成。與現有技術相比，本發明所述的HEMT器件的外延結構在AlN模板上外延生長Al組分由高到低漸變的AlGaN緩沖層，直到過渡到GaN材料。利用極化效應誘導自由空穴載流子產生，復合背景電子載流子，實現高阻緩沖層制備，基于此外延結構可最終實現低漏電流的HEMT器件。由于降低了漏電流，一方面可使HEMT器件的工作性能提升；另一方器件漏電流降低，進一步增大器件擊穿電壓，降低能耗。

技術領域

本發明屬于半導體器件領域，具體涉及一種HEMT器件的外延結構及其制備方法和應用。

背景技術

作為第三代半導體材料，GaN半導體材料具有寬禁帶、高擊穿場強、以及自發極化、壓電極化特性?？稍贕aN與AlGaN界面處形成二維電子氣溝道，理論上溝道電子遷移率可達2000cm²/(V·S)，有利于制備高壓、高頻電力電子器件。同時GaN基材料物理化學性質穩定，耐腐蝕，抗輻射，所制備器件穩定性高，適用于在復雜環境下工作，因此GaN基器件具有廣闊的應用前景。其中，制備高電子遷移率晶體管(High electron mobility transistor，HEMT)是GaN基材料的重要應用之一。然而，傳統制備方法在外延生長過程中，由于會不可避免的出現N空位等施主型缺陷，使非故意摻雜GaN材料呈n型，其背景電子載流子濃度可高達10¹⁷cm^-3量級。這會導致利用GaN基材料制備的HEMT器件漏電流大，從而增大工作器件能耗，降低器件的擊穿電壓以及導通/關斷電流比，對器件的應用產生不利影響。

因此設計一種新的GaN基材料HEMT器件外延結構解決上述問題十分有必要。

相應的設計一種GaN基材料HEMT器件外延結構的制備方法是實現的基礎。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有極化緩沖層的HEMT器件外延結構及其制備方法以解決現有的GaN基HEMT器件的外延結構漏電流大的問題。

為解決上述技術問題本發明一方面提供了一種具有極化緩沖層的HEMT器件的外延結構，包括：襯底層、沿遠離所述襯底層方向依次設置的AlN層、極化緩沖層、GaN層和AlGaN層；所述極化緩沖層由Al含量沿AlN層到GaN層方向逐漸降低的AlGaN材料構成。

優選地，所述極化緩沖層的Al含量隨厚度變化梯度為0.05％Al/nm-5％Al/nm。

優選地，所述GaN層的厚度小于等于50nm。

優選地，所述AlGaN層中的Al的含量為在10％-40％。

優選地，所述襯底材料為藍寶石。

本發明另一方面提供了一種HEMT器件的制備方法，包括如下步驟：

在襯底上外延生長AlN層；

在所述AlN層的基礎上通入氣態Ga源，流量由0逐漸增大；同時通入氣態Al源，流量逐漸減小至0；同時均勻通入NH₃作為N源，外延生長極化緩沖層；

在所述極化緩沖層上外延生長GaN層；

在所述GaN層上外延生長AlGaN層。

優選地，所述AlN層的生長壓強<50mBar；生長溫度大于1000℃。

優選地，所述各層的生長方法包括MOCVD法、MBE法、HVPE法中至少一種。

優選地，所述所氣態Ga源為TMGa；所述氣態Al源為TMAl。