本实用新型涉及半导体材料生长技术领域，特别是涉及一种适于量产的6吋GaN HEMT外延结构。
背景技术：
GaN材料的研究与应用是全球半导体研究的热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SiC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。
GaN是微波功率器件的首选，其功率密度是现有GaAs器件的10倍。目前GaN主要生长在SiC、蓝宝石和Si衬底之上，其中蓝宝石衬底生长GaN外延结构主要应用于GaN LED等发光领域；Si衬底上外延GaN则可用于功率开关以及低端射频功率领域；SiC衬底上外延GaN因其外延材料质量好、衬底热导率高在高端微波功率应用领域占据了主流地位。
SiC基GaN的发展正进入一个新的阶段，然而，目前大多数的SiC基GaN器件只能在4吋SiC衬底上制备，如果SiC衬底能够从4吋过渡到6吋，那么SiC基GaN器件的生产能力将增加一倍，并且有利于降低制造成本，对价格更加实惠的GaN微波器件生产，能起到显著的推进作用。目前，业内尚未开展在6吋SiC衬底上生长GaN外延材料的研发工作。
技术实现要素：
本实用新型主要解决的技术问题是提供一种适于量产的6吋GaN HEMT外延结构，能够有效将GaN外延材料的生长制备扩展到6吋SiC衬底上，有助于降低器件生产成本，推进GaN器件的应用推广。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种适于量产的6吋GaN HEMT外延结构，从下到上依次包括6吋SiC半绝缘衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN帽层。
优选地，所述6吋SiC半绝缘衬底的上下表面经过抛光处理，厚度为500±20μm。
优选地，所述AlN成核层的厚度为20-100nm。
优选地，所述GaN沟道层的厚度小于100nm，所述GaN缓冲层和GaN沟道层的总厚度为1.6-2.0μm。
优选地，所述AlN插入层的厚度为0.5-1nm。
优选地，所述AlGaN势垒层的厚度为18-25nm。
优选地，所述GaN帽层的厚度为1-5nm。
区别于现有技术的情况，本实用新型的有益效果是：
a)该外延结构简单，除AlN插入层与GaN帽层外，均为实现GaN HEMT结构所必需的材料，AlN插入层对于提高载流子迁移率具有重要意义，GaN帽层则用来减小表面漏电，提高器件可靠性，该外延结构是最简化方案，具备很强的可行性，易于加工，工程可操控性强；
b)该外延结构所涉及各层材料均为GaN外延生长常用基本材料，其生长技术十分成熟，具备工业量产之基础；
c)该外延结构覆盖频段广，可扩展性强。可根据实际目标需求而作相应的参数调整，可针对器件功率输出、增益、热阻等维度进行优化设计，有助于解决GaN微波功率器件实际应用中的瓶颈问题，加快GaN微波功率器件的应用推广，可满足20GHz以下GaN HEMT器件与电路应用需求。
附图说明
图1是本实用新型实施例适于量产的6吋GaN HEMT外延结构的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参见图1，是本实用新型实施例适于量产的6吋GaN HEMT外延结构的结构示意图。本实用新型实施例的6吋GaN HEMT外延结构从下到上依次包括6吋SiC半绝缘衬底1、AlN成核层2、GaN缓冲层3、GaN沟道层4、AlN插入层5、AlGaN势垒层6和GaN帽层7。
其中，6吋SiC半绝缘衬底1的上下表面经过抛光处理，厚度为500±20μm。SiC材料与GaN材料晶格失配小并且热导率高，非常适合用于GaN HEMT的外延生长。
AlN成核层2的厚度为20-100nm。AlN成核层2的引入是为了提高外延的质量，由于GaN采用的是异质外延，GaN和SiC衬底材料之间存在晶格失配，通过AlN成核层2可以提高外延的质量，降低背景载流子浓度，提高载流子的迁移率。在本实施例中，AlN成核层2的厚度优选为50nm，生长温度为500-700℃。
GaN沟道层4的厚度小于100nm，GaN缓冲层3和GaN沟道层4的总厚度为1.6-2.0μm。GaN缓冲层3主要是通过生长一定厚度的GaN来确保表层GaN的高质量，同时，GaN缓冲层3应具备高阻特性，降低缓冲层漏电，提高器件可靠性，GaN缓冲层3可采用C掺杂或Fe掺杂，掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-3，电阻率为106-109Ω·cm。GaN沟道层4主要位于异质结界面处。在本实施例中，GaN缓冲层3的生长温度为1000-1150℃，GaN缓冲层3和GaN沟道层4的总厚度优选为1.8μm。
AlN插入层5的厚度为0.5-1nm。AlN插入层5可有效减少沟道载流子的合金散射，提高载流子迁移率。在本实施例中，AlN插入层5的厚度优选为1nm。
AlGaN势垒层6的厚度为18-25nm。AlGaN势垒层6的作用是利用其与GaN沟道层4能带的不连续在两者界面处形成一个准三角量子势阱，大量自由电子被限制在这个势阱中，只能做横向迁移，这便是通常所说的二维电子气。AlGaN势垒层6中Al的组分一般为20％-30％。在本实施例中，AlGaN势垒层6的厚度优选为20nm，Al的组分优选为25％。
GaN帽层7的厚度为1-5nm。GaN帽层7的作用是抑制表面态，减小反向漏电。在本实施例中，GaN帽层7的厚度优选为2nm。
通过上述方式，本实用新型实施例的适于量产的6吋GaN HEMT外延结构的主要技术指标可以达到以下标准：1)二维电子气浓度Ns>1×1013cm-2；2)载流子迁移率μ>2000cm2/v·s；3)方阻Rsh<300Ω/□。此外，还具有有效控制表面翘曲度、表面粗糙度、缺陷浓度等满足实际生产的优点。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。