[發(fā)明專利]一種InAlGaN/GaN異質(zhì)結結構及其生長方法

在審

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• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN113066851A
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發(fā)明（設計）人: 張源濤;秦維泉;鄧高強;董鑫;張寶林
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/20;H01L29/778;H01L21/335
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純;王恩遠

一種InAlGaN/GaN異質(zhì)結結構及其生長方法，屬于半導體材料外延生長技術領域。采用MOCVD方法在襯底層上依次外延生長GaN溝道層和InAlGaN勢壘層，通過控制生長條件生長In：Al組分比約為1:5的InAlGaN勢壘層，使InAlGaN勢壘層與GaN溝道層實現(xiàn)a軸晶格匹配。本發(fā)明方法可以獲得a軸晶格匹配的InAlGaN/GaN異質(zhì)結，消除勢壘層與溝道層之間的晶格失配，可以解決目前高Al組分AlGaN/GaN基電子器件中由于晶格失配而導致的結晶質(zhì)量下降問題，可顯著降低強電場下短溝道電子器件的逆壓電極化效應，能夠實現(xiàn)具有高密度二維電子氣和高電導特性的無應變異質(zhì)結結構。

技術領域

本發(fā)明屬于半導體材料外延生長技術領域，具體涉及一種InAlGaN/GaN異質(zhì)結結構及其生長方法。

背景技術

GaN作為一種寬禁帶的直接帶隙半導體材料，室溫下禁帶寬度約為3.39eV，具有擊穿電壓高、電子飽和速度高、熱導率高、介電常數(shù)低、化學穩(wěn)定性好等特點。因此GaN有著非常廣泛的應用，在大功率電子器件尤其高頻微波器件應用方面有著廣闊的前景。

GaN基電子器件的研究大多基于AlGaN/GaN異質(zhì)結，這是由于AlGaN/GaN異質(zhì)結具有很強的自發(fā)極化和壓電極化效應，在AlGaN勢壘層非故意摻雜的情況下就能形成高遷移率、高密度的二維電子氣(2DEG)，正是AlGaN/GaN異質(zhì)結2DEG溝道的高電導能力為GaN電子器件提供了基礎。

為了使GaN基電子器件達到更高的工作頻率，如毫米波頻段甚至太赫茲頻段，要求器件的溝道長度必須足夠短，這時器件的短溝道效應將成為一個重要的問題。為了克服短溝道效應對器件的影響，需要減薄AlGaN勢壘層厚度，但同時還要保持高的異質(zhì)結溝道電導特性，就必須增大勢壘層Al組分，增強自發(fā)極化和壓電極化效應以維持高2DEG密度。然而，高Al組分AlGaN和GaN的晶格失配增大，AlGaN勢壘層受到GaN的張應變增加，會導致異質(zhì)結界面粗糙度增加以及AlGaN勢壘層結晶質(zhì)量下降，降低2DEG面密度和遷移率，同時高Al組分AlGaN的絕緣性增加，歐姆接觸電阻將會增大。另外，器件處于工作狀態(tài)時，在靠近漏極的柵下方存在大的電場，在AlGaN勢壘層的很小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生大的應力，處于晶格失配狀態(tài)的AlGaN勢壘層會發(fā)生逆壓電效應，導致在其內(nèi)部形成晶體缺陷，嚴重影響高頻毫米波器件的工作性能和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種InAlGaN/GaN異質(zhì)結結構及其生長方法，該結構采用四元InAlGaN材料作為勢壘層，InAlGaN材料在In：Al組分比約為1:5時可實現(xiàn)與GaN材料a軸晶格常數(shù)匹配，在晶格匹配的同時還可實現(xiàn)InAlGaN材料禁帶寬度的改變，有利于調(diào)控InAlGaN/GaN異質(zhì)結界面處2DEG密度，適用于高頻氮化物電子器件的制備。

本發(fā)明由如下技術方案實現(xiàn)：

本發(fā)明所提出的一種InAlGaN/GaN異質(zhì)結結構(見附圖1)，其從下至上依次由襯底層1、GaN溝道層2、InAlGaN勢壘層3構成。其特征在于：該異質(zhì)結結構的勢壘層3是由與GaN溝道層2a軸晶格匹配的四元In_xAl_yGa_1-x-yN(0x0.2，0y0.8)材料構成(見附圖2)。

如上所述的一種InAlGaN/GaN異質(zhì)結結構，其特征在于：GaN溝道層2厚度為1～5μm、InAlGaN勢壘層3厚度為1～30nm。

如上所述的一種InAlGaN/GaN異質(zhì)結結構，其特征在于：GaN溝道層2采用的是兩步溫度生長法制備，即首先在較低溫度(500～900℃)生長一定厚度的的低溫GaN層，然后升高溫度(1000～1300℃)進行高溫GaN層的外延生長，低溫GaN層和高溫GaN層共同構成GaN溝道層2。

如上所述的一種InAlGaN/GaN異質(zhì)結結構，其特征在于：襯底層1可以為藍寶石、SiC、Si、GaN、AlN或金剛石襯底。