[發明專利]一種GaN異質結材料及其制作方法

在審

• 申請號: 202011506533.9
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112635551A
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 薛軍帥;劉芳;張進成;郝躍;張赫朋;孫志鵬;李藍星;姚佳佳;楊雪妍
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L29/20
• 分類號: H01L29/20;H01L29/06;H01L21/02
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;王喜媛

本發明涉及一種GaN異質結材料同質外延生長方法，主要解決現有氮化物異質結材料同質外延界面漏電及載流子輸運特性差的問題。其自下而上包括襯底(1)、成核層(2)、GaN緩沖層(3)、溝道層(4)、AlN插入層(5)、AlGaN帽層(6)、InAlGaN勢壘層(7)和勢壘保護層(8)。其中成核層、GaN緩沖層、溝道層、AlN插入層和AlGaN帽層均采用MOCVD工藝生長；InAlGaN勢壘層和勢壘保護層均采用采用MBE工藝生長。本發明避免了同質外延界面寄生漏電，減小了異質結材料的位錯密度，提高了材料結構設計的自由度，且載流子輸運特性好，生長工藝簡單，可用于制備高電子遷移率晶體管和肖特基二極管。

技術領域

本發明屬于半導體材料生長領域，特別涉及一種GaN異質結材料，可用于制備高電子遷移率晶體管和肖特基二極管。

背景技術

GaN異質結材料具有寬禁帶、高臨界擊穿場強、高電子飽和漂移速度等出色的材料性能，其自身強的自發極化效應和因應變產生的壓電極化效應能在異質結界面產生高面密度、具有高電子遷移率特性的二維電子氣，在高電子遷移率晶體管和微波整流肖特基二極管等微波功率器件應用方面有獨一無二的優勢。基于GaN異質結材料的電子器件得到了國內研究人員廣泛而深入的研究，并取得了一系列令人矚目的研究成果，逐步從實驗基礎研究進入產品應用領域。

為進一步提高GaN固態微波功率器件的工作頻率、轉換效率和輸出功率，需要從材料結構設計與外延、器件結構創新與制造工藝、新材料應用方面提高GaN異質結材料輸運特性，尤其是在滿足器件柵長和勢壘層厚度等比例縮小的前提下，在盡可能薄的勢壘層厚度下產生高面密度二維電子氣。其中，GaN異質結材料外延生長方法成為提高材料輸運特性的主要途徑之一。由于氮化鎵單晶襯底尺寸小且價格高，GaN異質結材料常在SiC等其他襯底材料上異質外延獲得。傳統的AlGaN/GaN異質結材料結構，如圖1所示，其自下而上包括襯底、成核層、GaN溝道層、AlN插入層和AlGaN勢壘層。該異質結材料存在以下缺點：

一是異質外延GaN材料過程會產生高密度位錯缺陷，器件長時間高溫高壓工作時位錯缺陷會形成漏電通道，引起器件擊穿電壓降低和可靠性退化；

二是AlGaN勢壘層和GaN溝道層存在大的晶格失配和張應變，在高的電場強度下AlGaN勢壘層中會產生逆壓電效應，形成晶格缺陷，降低器件可靠性；

三是AlGaN勢壘層組分單一，不能在更寬的禁帶范圍內對GaN異質結材料極化特性和能帶結構進行調控和設計，限制了GaN異質結材料的應用潛力；

四是傳統AlGaN/GaN異質結勢壘層鋁組分較低，異質結界面二維電子氣濃度不夠高，限制了微波功率器件輸出功率和轉換效率；

五是AlGaN勢壘層沒有加以保護，其表面容易形成表面態，進而降低二維電子氣濃度，影響器件電流和功率輸出特性；

六是傳統AlGaN/GaN異質結勢壘層較厚，需要增加柵極長度來有效調控溝道二維電子氣輸運，限制了GaN微波功率器件工作頻率的提高。

發明內容

本發明目的在于針對上述已有技術的缺點，提出一種GaN異質結材料結構及其制作方法，以有效抑制同質外延界面漏電，增大材料外延尺寸，降低材料缺陷密度，從而提高器件的工作頻率和輸出功率。

本發明的技術方案是這樣實現的：

1、一種GaN異質結材料，包括襯底、成核層、溝道層、AlN插入層和勢壘層，其特征在于：

所述成核層與溝道層之間增設有GaN緩沖層；

所述插入層和勢壘層之間插入AlGaN帽層；

所述勢壘層采用厚度為3nm-30nm，In組分x在0％-20％之間，Al組分y在80％-100％之間的In_xAl_yGa_1-x-yN，其上增設有勢壘保護層。