[發(fā)明專利]金剛石襯底上的AlN/GaN/ScAlN/GaN雙溝道異質結及制備方法

在審

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• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113193040A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發(fā)明（設計）人: 許晟瑞;王若冰;許文強;趙穎;張金風;張雅超;張進成;郝躍
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L29/10
• 分類號: H01L29/10;H01L29/20;H01L29/205;H01L21/335;H01L29/778;H01L21/02;H01L23/373
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華

本發(fā)明公開了一種金剛石襯底上的AlN/GaN/ScAlN/GaN雙溝道異質結及制備方法，主要解決傳統(tǒng)的AlGaN/GaN基雙溝道異質結極化效應較弱導致二維電子氣濃度低的問題。其自下而上包括：[111]晶向金剛石襯底層；低溫GaN成核層；高溫GaN成核層；GaN底層溝道層；ScAlN勢壘層；GaN頂層溝道層；AlN勢壘層；GaN帽層。本發(fā)明選用極化效應很強的ScAlN和AlN，能在異質結界面處產生大量極化電荷，使整體二維電子氣濃度能維持在較高水平，且采用金剛石襯底可有效提高散熱能力，從而提高AlN/GaN/ScAlN/GaN雙溝道HEMT器件的電流密度和功率密度，可用來制作高電子遷移率晶體管。

技術領域

本發(fā)明屬于微電子技術領域，特別涉及一種AlN/GaN/ScAlN/GaN雙溝道異質結，可用來制作高電子遷移率晶體管。

技術背景

GaN作為第三代半導體材料，具有寬禁帶、高電子飽和速率、高擊穿場強等優(yōu)異性能，在高頻、大功率微波毫米波器件及電路中有廣泛的應用。單異質結結構二維電子氣限域性差，當溫度升高的時候，二維電子氣會出現溢出成為三維電子氣，這會對器件的性能造成很大的影響，并且使得器件可靠性降低。為了消除這種負面效應對器件的影響，催生了雙異質結結構，雙異質結結構通過溝道層下方生長一層背勢壘提升溝道層背部的勢壘，將二維電子氣很好地限制在溝道內，使二維電子氣的限域性得到顯著增強，使器件性能得到提升，穩(wěn)定性得到增強。目前傳統(tǒng)的AlGaN/GaN基雙溝道異質結，如圖1所示，其結構自下而上包括：襯底層、成核層、GaN底層溝道層、AlGaN第二勢壘層、GaN頂層溝道層、AlGaN第一勢壘層、GaN帽層。該結構頂層溝道由于極化電荷數量多，載流子難以進入底層溝道使得底層溝道載流子濃度低，極化較弱，回導致二維電子氣濃度低，從而影響了器件的電流密度和功率密度。

近年來，GaN基功率器件隨著功率密度的增加，芯片有源區(qū)的熱積累效應迅速增加，導致其各項性能指標迅速惡化，使其大功率優(yōu)勢未能充分發(fā)揮。因此，散熱問題成為制約GaN基功率器件進一步發(fā)展和廣泛應用的主要問題之一。藍寶石、硅、碳化硅等常用襯底材料熱導率較低，即僅有40～400W·m^-1·k^-1，因而只依靠這些傳統(tǒng)襯底材料無法滿足高功率條件下的散熱需求。金剛石是目前熱導率最高的襯底材料，其熱導率為1200～2000W·m^-1·k^-1，可有效解決散熱問題，提高器件功率密度，制備更優(yōu)性能的高電子遷移率晶體管。但由于目前對金剛石襯底上的研究主要集中在單異質結結構上，因而仍存在二維電子氣的限域性問題和電流崩塌效應，極大影響了器件的可靠性，且整體二維電子氣濃度也較低，從而影響器件電流密度和功率密度，限制了高散熱能力的GaN基微波功率器件的發(fā)展和大規(guī)模應用。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于針對上述現有技術的不足，提出一種金剛石襯底上AlN/GaN/ScAlN/GaN雙溝道異質結結構及制備方法，以提高溝道載流子的數量和濃度，提升異質結的整體二維電子氣濃度，從而提高器件的電流密度和功率密度。

為實現上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：

1.一種金剛石襯底上AlN/GaN/ScAlN/GaN雙溝道異質結結構，自下而上包括：襯底層、成核層、GaN底層溝道層、第一勢壘層、GaN頂層溝道層、第二勢壘層、GaN帽層，其特征在于：

所述的襯底，采用[111]晶向的金剛石；

所述的成核層，包括840℃-860℃的低溫GaN成核層和1050℃-1060℃的高溫GaN成核層；

所述的第一勢壘層，采用Al組分為85％-95％的ScAlN材料；

所述第二勢壘層，采用AlN材料。

進一步，所述第一勢壘層和第二勢壘層的厚度均為15nm-35nm，

進一步，所述低溫GaN成核層和高溫GaN成核層厚度均為20nm-50nm。