[發明專利]一種氮化鎵基外延片及其制備方法與功率射頻器件

在審

• 申請號: 202210749296.1
• 申請日: 2022-06-28
• 公開（公告）號: CN115132841A
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 游正璋;方照詒;黃博崇
• 申請（專利權）人: 閩都創新實驗室
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/20;H01L29/205;H01L29/207;H01L21/335
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 王艷齋

本發明涉及一種氮化鎵基外延片及其制備方法與功率射頻器件，所述氮化鎵基外延片包括層疊設置的襯底、緩沖層、應力調節層、飄移層、位障層和蓋帽層；所述位障層包括單層和/或復合層；所述位障層中的半導體材料包括AlN、Al_xIn_yN或In_yAl_1?xGa_1?x?yN中的任意一種或至少兩種的組合，其中0.1≤x≤1，0≤y≤1。本發明提供的氮化鎵基外延片通過生長位障層，在異質結構中使禁帶寬度中的異帶偏移更大，消除了層間因晶格常數不同產生的位錯，減緩了壓電極化電場導致二維電子氣中面密度減少，提升了HEMT器件中的柵極不斷縮小產生短勾道效應，提升了器件開關切換速度，提升了器件的電特性。

技術領域

本發明屬于半導體制造技術領域，涉及一種氮化鎵基外延片，尤其涉及一種氮化鎵基外延片及其制備方法與功率射頻器件。

背景技術

III-V族化合物半導體材料由于其較寬的直接帶隙，良好的熱學和化學穩定性而被廣泛應用于微電子和光電子器件領域，并在近幾年的研究和應用中取得了突破性的進展。

第三代半導體材料GaN具有禁帶寬度大、臨界擊穿場強高、電子漂移飽和速度高、熱導率高及電子遷移率高等優異性質，從而具有經濟應用前景。同時，由于III-V化合物半導體具有強烈的自發極化和壓電極化效應，在異質結的界面附近可以形成高電子濃度、高遷移率的二維電子氣溝道。因此，GaN特別適用于高壓、大電流、高溫、高速、高功率器件的應用。

CN 209626222U公開了一種Si襯底上GaN基功率半導體器件的外延層結構，包括Si襯底、圖形化結構AlN緩沖層和GaN基功率器件結構；其中：Si 襯底上制備有圖形化結構，所述AlN緩沖層在有圖形化結構的Si襯底上制備，所述圖形化結構為圓柱形、圓錐形、穹頂形多邊棱柱形。本實用新型的優點在于：通過在Si襯底上制備圖形化結構，并通過磁控濺射在上述有圖形化結構的 Si襯底上沉積AlN緩沖層，然后在上述緩沖層上生長GaN基功率器件結構，Si 襯底上的圖形化結構，對于GaN基功率器件結構的外延層應力釋放有較好的效果，可以降低外延層中的位錯密度，提高晶體質量；在圖形化結構的Si襯底上沉積AlN緩沖層，避免了Ga原子的回熔問題，利于后續的外延生長。

CN 207381406U公開了一種GaN半導體器件，包括：基板；設置于所述基板上的氮化鋁晶種層；設置于所述氮化鋁晶種層上的緩沖層；設置于所述緩沖層上的所述氮化鎵層；設置于所述氮化鎵層上的Al_xGa_1-xN層；設置于所述 Al_xGa_1-xN層上的氮化鋁層；設置于所述氮化鋁層上的p-GaN層。上述GaN半導體器件的結構，在生長出2DEG用AlGAN薄膜后，于p-GaN-layer蒸鍍前插入氮化鋁層的結構，即，p-GaN/AlN/AlGaN復合膜或p-GaN/AlGaN/AlN/AlGaN復合膜，去除在后續工藝中為柵極蝕刻時剩下的P類氮化鎵層，改善 p-GaN-HEMT器件特性的散布。

CN 113643962A公開了一種氮化鎵外延層的制備方法及氮化鎵外延片結構。該制備方法包括以下步驟：將襯底放入反應腔室中，向反應腔室內通入鋁源并持續預設的時間以形成厚度介于2-5nm的成核層；在成核層上依次形成包括AlGaN層、鋁漸變層和過渡GaN層的總厚度介于400-450nm的過渡層，在過渡層上形成厚度介于1.5-2微米的氮化鎵外延層。該方法下在襯底與氮化鎵外延層之間先沉積一層過渡層，過通過過渡層能夠減少襯底與外延層之間的晶格失配產生的應力，能夠防止外延片因晶格失配或應力而產生的翹曲。

以上技術方案中均改進了半導體器件的結構并改進了性能，但沒有研究二維電子氣特性及短勾道效應特性，從而提高器件的電性能。

如何改進在外延結構中受制溝道層厚度所產生晶格失配將導致二維電子氣特性功能層削減與門極不斷縮小產生短勾道效應，是半導體制造領域亟需解決的技術問題。

發明內容