一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构的制作方法

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构。

背景技术：

GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）以其特有的高电子迁移率、高二维电子气面密度、高击穿电场成为下一代射频/微波功率放大器的首选技术。其中，研究最广、应用最多的是AlGaN/GaN HEMT结构。

典型的AlGaN/GaN HEMT外延结构由下往上依次是：衬底（SiC、蓝宝石、Si、金刚石等）、成核层、GaN缓冲与沟道层，AlN空间插入层、AlGaN势垒层及可选的帽层。由于能带弯曲，在AlGaN和GaN界面处会产生一个三角势阱，而氮化物材料特有的极化效应使得AlGaN/GaN界面处产生高密度（~1.0×10¹³cm^-2）的电子并且被束缚在三角势阱中，形成沟道。通过栅电极对沟道载流子进行调控，便可形成有规律的载流子输运，从而实现压控型电子器件之基本功能。在栅长较大时（>0.25μm），栅电极对沟道载流子的调控能力是充分的。而随着器件栅长的缩小，栅电极对载流子的调控越发不力，载流子会大量运动到缓冲层，造成缓冲层漏电和短沟道效应。反映在器件电学特性上，即是：沟道软夹断，器件输出电导增大，击穿特性下降，器件频率特性与功率特性也会不同程度退化。针对性地，从外延材料结构的角度，可以通过引入InGaN或AlGaN背势垒结构来提高缓冲层的导带高度，进而降低沟道载流子进入缓冲层的几率。然而，上述结构存在着明显的不足，即：背势垒层厚度很薄（1-2纳米为宜，一般不得超过5纳米），不论是InGaN还是AlGaN薄层，其生长难度均很高，难以大规模推广；此外，InGaN和AlGaN对于缓冲层导带的抬高效果有限，这也导致其对改善器件短沟道效应的效果非常有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构，该方法可以很好地解决以上问题。

为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构，从下到上依次包括衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN背势垒层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN帽层。

与现有技术相比，本发明具有的优点是：

（1）本发明所述之AlN插入层，其厚度可控制在0.5-1nm，因此本发明采用AlN作为背势垒材料，生长技术成熟可靠，具备显著的实用价值。

（2）AlN禁带宽度大，为6.42eV，可在外延结构中形成高势垒，对载流子的限阈作用要明显优于仅仅是抬高导带的InGaN或AlGaN。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图。

图2（a）-（c）分别为GaN高电子迁移率晶体管常规结构、InGaN背势垒结构和AlN背势垒结构能带图。

图3（a）-（c）分别为本申请晶体管外延结构、常规结构和InGaN背势垒结构的IV仿真图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

本发明提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管外延结构，如图1所示，从下到上依次包括：

衬底：半绝缘4H-SiC，双面抛光，晶圆尺寸为2~6吋，厚度为400μm；

AlN成核层：厚度为50nm，生长温度500-700℃，用于缓解GaN与SiC之间的晶格失配；

GaN缓冲层：厚度为1.8μm，在保证晶体生长质量的前提下尽量减小厚度，以便使器件具有较小的热阻，生长温度为1000-1150℃；缓冲层掺入Fe或C杂质，构成高阻态，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁸cm^-3，电阻率在10⁶-10⁹Ω·cm；

AlN背势垒层：厚度2nm，抬高缓冲层能带，加强沟道载流子的限阈，减少沟道载流子进入缓冲层的几率；

GaN沟道层：厚度80nm，载流子主要集中在该层，且越靠近AlGaN势垒层的界面处浓度越高；

AlN插入层：厚度为1nm，可有效减少沟道载流子的合金散射，提高载流子迁移率；

AlGaN势垒层：厚度为22nm，Al组分为22.5%；

GaN帽层：厚度为2nm，目的是抑制表面态，减小反向漏电。

以上实例中除GaN缓冲层为提高电阻率掺入Fe或C杂质外，其它各层均不故意掺杂。

如图2所示，相比于常规结构，InGaN背势垒结构抬高了缓冲层导带，而AlN背势垒结构则由于引入了AlN背势垒层，外延结构在沟道层和缓冲层之间形成了一个很高的势垒，沟道载流子若要越过势垒进入缓冲层需要获得很高的能量。

如图3所示，器件栅长设置为100nm，以便凸显两种结构在短沟道效应方面的表现。显然常规结构器件面临着十分严重的短沟道效应，器件难以夹断，且输出电导显著增大；InGaN背势垒结构对于短沟道效应有着明显的抑制作用，但是输出电导仍然有增大的趋势；而AlN背势垒结构器件在V_gs = -2 V时已基本实现了关断，V_gs = -3 V时则完全关断，并且输出电导没有增大。可见，AlN背势垒的引入通过在沟道与缓冲层之间建立一个较高的势垒，加强了沟道载流子的限阈特性，在抑制深亚微米栅长器件的短沟道效应方面具备比InGaN背势垒结构更加良好的表现。

以上所述实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以所述权利要求为准。