低损耗氮化镓射频材料外延结构及制备方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，尤指一种低损耗氮化镓射频材料外延结构及制备方法。

背景技术：

第三代半导体具有高禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度以及强极化等优异性质。其中，与传统的si材料等器件相比，gan基器件有更高的功率密度输出、更高的强场、更低的导通电阻，故gan基器件在器件实际应用中有更高的能量转换频率效率和输出功率，由于其优异的性能使其广泛应用于消费类电子、5g通信、云服务、光伏逆变、新能源汽车、发电等领域。

近几年来，已基本完成碳化硅衬底及硅衬底上gan外延材料及器件的商业化进度并逐步应用于消费电子。而目前通信5g的射频器件基本还处于第二代半导体砷化镓材料应用，第三代半导体氮化镓材料在商业化成熟度还不及砷化镓材料，主要是动态损耗不稳定，有些方法已经应用于降低损耗，例如外延层中增加背势垒结构，芯片中增加场板结构等，取得了较好的成果，但高频应用的材料目前仍然达不到较好的状态，相关的技术还在攻关阶段。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种低损耗氮化镓射频材料外延结构及制备方法，主要解决氮化镓射频材料在高频条件下，二维电子气的浓度降低导致导通电阻变大的现象，最终减少射频损耗，实现高质量射频动态器件特性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种低损耗氮化镓射频材料外延结构及制备方法；

其中，一种低损耗氮化镓射频材料外延结构，包括：

硅衬底；

生长在所述硅衬底上的缓冲层；

生长在所述缓冲层上的氮化镓沟道层；

生在在所述氮化镓沟道层上的n型低掺杂氮化镓层；

生长在所述n型低掺杂氮化镓层上的势垒层；

生长在所述势垒层上的氨化物帽层。

作为一种优选方案，所述缓冲层为ht-aln/algan缓冲层，所述ht-aln/algan缓冲层包括生长在所述衬底上的高温氮化铝层及生长在所述高温氮化铝层上的渐变铝镓氮层。

作为一种优选方案，所述渐变铝镓氮层包括三层不同铝组分的铝镓氮层，分别为第一铝镓氮层、第二铝镓氮层及第三铝镓氮层。

作为一种优选方案，第一铝镓氮层的铝组分为80％，所述第二铝镓氮层的铝组分为50％，所述第三铝镓氮层的铝组分为20％。

作为一种优选方案，所述高温氮化铝层的厚度为100nm-200nm；第一铝镓氮层的厚度为100nm-400nm；所述第二铝镓氮层的厚度为400-800nm；所述第三铝镓氮层的厚度为800nm-1200nm。

作为一种优选方案，所述n型低掺杂氮化镓层的厚度为10nm-20nm，载流子浓度为1*e16/cm³-1*e18/cm³。

作为一种优选方案，所述势垒层为铝镓氮势垒层，其厚度为15nm-30nm。

作为一种优选方案，所述氮化物帽层为氮化镓帽层，其厚度为1nm-5nm。

其中，一种低损耗氮化镓射频材料外延结构的制备方法，包括如下步骤：

提供一块硅衬底，并对硅衬底进行清洗；

将清洗后的硅衬底放进mocvd设备里面进行ht-aln/algan缓冲层外延生长；

继续在ht-aln/algan缓冲层上外延生长出一层氮化镓沟道层；

继续在氮化镓沟道层上外延生长出一层n型低掺杂氮化镓层；

继续在n型低掺杂氮化镓层外延生长出一层铝镓氮势垒层；

最后在铝镓氮势垒层外延生长出一层氮化镓帽层，得到低损耗氮化镓射频材料外延结构。

作为一种优选方案，所述ht-aln/algan缓冲层外延生长的步骤包括：

在硅衬底上外延生长出一层高温氮化铝层；

在高温氮化铝层上外延生长出一层铝组分为80％的第一铝镓氮层；

在第一铝镓氮层上外延生长出一层铝组分为50％的第二铝镓氮层；

在第二铝镓氮层上外延生长出一层铝组分为20％的第三铝镓氮层。

本发明的有益效果在于：

本发明在势垒层下面增加的n型低掺杂氮化镓层为解决在射频情况下二维电子气浓度降低的关键层；由于势垒层与氮化镓沟道层的界面由于极化效应和自极化原因会产生二维电子气，在高频关态下，二维电子气中的电子会往氮化镓沟道层扩散；在开态下，电子会往界面回迁；但由于高频工作状态，在关与开的过程，电子回迁的时间慢于开关的时间间隔，导致电子浓度降低，沟道电阻会增大。

而有这层n型低掺杂氮化镓层，由于此层的方阻比二维电子气的方阻低，在正常开态情况下，参与导通的功能很弱，但从关态到开态的过程，此层的电子可以补充二维电子气浓度的降低；其次，从缓冲层的回迁到异质界面的电子，也能快速通过此层，从这方面也达到快速补充异质结界面二维电子气的作用；综合以上的因素，可以最大限度降低动态过程中二维电子气浓度，从而达到了降低射频损耗。

附图说明

图1是本发明的低损耗氮化镓射频材料外延结构的结构示意图。

图2是本发明的低损耗氮化镓射频材料外延结构的制备方法的流程框图。

图3是图2中s20步骤的流程框图。

附图标号说明：1-硅衬底；2-高温氮化铝层；3-第一铝镓氮层；4-第二铝镓氮层；5-第三铝镓氮层；6-氮化镓沟道层；7-n型低掺杂氮化镓层；8-铝镓氮势垒层；9-氮化镓帽层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明关于一种低损耗氮化镓射频材料外延结构，包括硅衬底1、生长在硅衬底1上的缓冲层、生长在缓冲层上的氮化镓沟道层6、生在在氮化镓沟道层6上的n型低掺杂氮化镓层7、生长在n型低掺杂氮化镓层7上的势垒层及生长在势垒层上的氨化物帽层。

本发明通过在势垒层与缓冲层之间设有n型低掺杂氮化镓层7，由于此层的方阻比二维电子气的方阻低，在正常开态情况下，参与导通的功能很弱，但从关态到开态的过程，此层的电子可以补充二维电子气浓度的降低；其次，从缓冲层的回迁到异质界面的电子，也能快速通过此层，从这方面也达到快速补充异质结界面二维电子气的作用；综合以上的因素，可以最大限度降低动态过程中二维电子气浓度，从而达到了降低射频损耗。

进一步地，缓冲层为ht-aln/algan缓冲层，ht-aln/algan缓冲层包括生长在衬底上的高温氮化铝层2及生长在高温氮化铝层2上的渐变铝镓氮层；渐变铝镓氮层包括三层不同铝组分的铝镓氮层，分别为第一铝镓氮层3、第二铝镓氮层4及第三铝镓氮层5。ht-aln/algan缓冲层用于做应力释放和器件耐压层，其包括了高温氮化铝层2和三层不同铝组分的铝镓氮层，通过进行渐变铝镓氮应力外延结构生长。

具体地，高温氮化铝层2的厚度为100nm-200nm；第一铝镓氮层3的铝组分为80％，其厚度为100nm-400nm；第二铝镓氮层4的铝组分为50％，其厚度为400-800nm；第三铝镓氮层5的铝组分为20％，其厚度为800nm-1200nm。

进一步地，n型低掺杂氮化镓层的厚度为10nm-20nm，载流子浓度为1*e16/cm³-1*e18/cm³。

进一步地，硅衬底1为8英寸的高阻硅衬底1；势垒层为铝镓氮势垒层8，其厚度为15nm-30nm；氮化物帽层为氮化镓帽层9，其厚度为1nm-5nm。

请参阅图2所示，本发明关于一种低损耗氮化镓射频材料外延结构的制备方法，包括如下步骤：

s10、提供一块硅衬底，并对硅衬底进行清洗；

s20、将清洗后的硅衬底放进mocvd设备里面进行ht-aln/algan缓冲层外延生长；

s30、继续在ht-aln/algan缓冲层上外延生长出一层氮化镓沟道层；

s40、继续在氮化镓沟道层上外延生长出一层n型低掺杂氮化镓层；

s50、继续在n型低掺杂氮化镓层外延生长出一层铝镓氮势垒层；

s60、最后在铝镓氮势垒层外延生长出一层氮化镓帽层，得到低损耗氮化镓射频材料外延结构。

如图3所示，在s20步骤中，ht-aln/algan缓冲层外延生长的步骤包括：

s21、在硅衬底上外延生长出一层高温氮化铝层；

s22、在高温氮化铝层上外延生长出一层铝组分为80％的第一铝镓氮层；

s23、在第一铝镓氮层上外延生长出一层铝组分为50％的第二铝镓氮层；

s24、在第二铝镓氮层上外延生长出一层铝组分为20％的第三铝镓氮层。

下面结合具体实施例对本发明提供的方案进行详细的说明，需要再次说明的是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

首先对8英寸的高阻硅衬底进行清洗；清洗后将高阻硅衬底放进mocvd设备里面进行ht-aln/algan缓冲层外延生长，即在mocvd设备里首先在高阻硅衬底上生长一层150nm的高温氮化铝层，在高温氮化铝层生长一层厚度为300nm、铝组分为80％的第一铝镓氮层，在第一铝镓氮层生长一层厚度为600nm、铝组分为50％的第二铝镓氮层，在第二铝镓氮层生长一层厚度为1000nm、铝组分为20％的第三铝镓氮层；接着在第三铝镓氮层上生长一层150nm氮化镓沟道层；接着在氮化镓沟道层上生长一层厚度为15nm、载流子浓度为6*e16/cm³的n型低掺杂氮化镓层；接着在n型低掺杂氮化镓层上生长一层厚度为25nm、铝组分为25％的铝镓氮势垒层；最后在铝镓氮势垒层上生长一层2nm氮化镓帽层。至此，氮化镓射频外延材料结构制备完成，能实现低损耗的射频特性。

以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。