一种具有高阻缓冲层的GaNHEMT器件及其制备方法

一种具有高阻缓冲层的gan hemt器件及其制备方法
技术领域
1.本发明属于半导体材料及器件领域，具体涉及一种具有高阻缓冲层的gan hemt器件及其制备方法。


背景技术：

2.随着科技的发展，高性能高效率的半导体电力电子器件在当今社会显得尤为重要。传统的si基半导体电力电子器件由于材料本身的限制，其性能和效率已经难以有很大的提高。以gan为代表的宽禁带半导体由于具有大禁带宽度、高击穿场强、高电子迁移率等优良特性，十分适合制备高性能高效率的电力电子器件。gan异质结场效应晶体管(hfet)常常被称为gan高电子迁移率晶体管(hemt)。但是随着gan hemt的工作电压和频率越来越高，器件的漏电、可靠性等问题成为了阻碍其进一步发展的关键问题。研究发现，解决高电压和高频率的工作环境下器件漏电等问题的关键在于高质量高电阻的缓冲层。
3.对于高电阻缓冲层的研究已经报道了很多工作，gan材料由于生长过程本身的原因不可避免地会引入相当浓度的背景电子浓度，因此实现高阻gan材料必须消除其背景电子，学术界和产业界最常用的方法都是通过掺杂补偿掉生长过程引入的背景电子。通过掺杂实现高阻gan缓冲层的最常用两种元素是c和fe，但是无论是用c掺杂还是用fe掺杂都有不可忽略的问题。c在gan中是两性杂质，不仅可以成为受主，还能以施主的形式存在，如果对生长条件没有进行精确调控，很可能在gan中引入施主形式的c，造成材料的电阻进一步降低，而且高浓度的c存在于gan缓冲层会造成严重的电流崩溃现象，电流崩溃问题会严重制约器件在高功率高频率场景下的特性。在gan材料的外延生长过程中，fe原子由于极高的迁移率和较低的热脱附率而存在记忆效应。如果缓冲层中的fe原子扩散到沟道区，作为深能级受主的fe原子会俘获2deg中的电子，降低其面密度，并且由于fe极大的原子半径，电子散射几率也会大幅度增加，2deg的迁移率随之下降。因此，如何在获得高阻缓冲层的同时而不影响器件的整体性能成为了gan高阻缓冲层研究的重点。


技术实现要素：

4.为了克服现有的单独掺c或者掺fe实现高阻缓冲层方案的不足之处，本发明提供了一种具有高阻缓冲层的gan hemt器件及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.本发明的一个方面提供了一种具有高阻缓冲层的gan hemt器件，其中，包括自下而上依次设置的衬底、aln成核层、应力调控层、高阻缓冲层、gan沟道层、aln插入层、algan势垒层和gan帽层，其中，
6.所述高阻缓冲层自下而上依次包括掺fe的gan缓冲层、六方bn缓冲层和掺c的gan缓冲层；
7.所述gan帽层的上表面设置有相互间隔的源电极、漏电极和栅电极，所述源电极和所述漏电极分别与所述algan势垒层形成欧姆接触；所述栅电极与所述algan势垒层形成肖
特基接触。
8.在本发明的一个实施例中，所述衬底为(111)面的si、(001)面的sic或者(001)面的蓝宝石。
9.在本发明的一个实施例中，所述应力调控层为al组分梯度渐变的algan缓冲层或者aln/gan超晶格缓冲层，所述algan缓冲层的al组分的梯度渐变范围为0-100％。
10.在本发明的一个实施例中，所述高阻缓冲层的厚度为300-2500nm，其中，所述掺fe的gan缓冲层厚度为100-1000nm，fe的掺杂浓度为1
×
10
18-1
×
10
19
cm-3
；所述六方bn缓冲层的厚度为100-500nm；所述掺c的gan缓冲层厚度为100-1000nm，c的掺杂浓度为1
×
10
17-1
×
10
18
cm-3
。
11.在本发明的一个实施例中，所述gan沟道层的fe浓度小于或等于1
×
10
16
cm-3
。
12.本发明的另一方面提供了一种具有高阻缓冲层的gan hemt器件的制备方法，用于制备上述实施例中任一项所述的一种具有高阻缓冲层的gan hemt器件，所述制备方法包括：
13.s1：在衬底上表面生长aln成核层；
14.s2：在所述aln成核层上表面生长应力调控层；
15.s3：在所述应力调控层的上表面生长高阻缓冲层，所述高阻缓冲层自下而上依次包括掺fe的gan缓冲层、六方bn缓冲层以及掺c的gan缓冲层；
16.s4：在所述高阻缓冲层的上表面生长gan沟道层；
17.s5：在所述gan沟道层的上表面生长aln插入层；
18.s6：在所述aln插入层的上表面生长algan势垒层；
19.s7：在所述algan势垒层的上表面生长gan帽层；
20.s8：在所述gan帽层的上表面制备相互间隔的源电极、漏电极和栅电极。
21.在本发明的一个实施例中，所述s1包括：
22.在衬底上表面生长aln成核层，衬底为(111)面的si、(001)面的sic或者(001)面的蓝宝石，尺寸为2-8inch；成核层生长温度为1000-1100℃，生长压力为40-100torr，生长厚度为200-300nm。
23.在本发明的一个实施例中，所述s3包括：
24.在所述应力调控层的上表面生长厚度为100-1000nm的掺fe的gan缓冲层，fe源为cp2fe，cp2fe流速为100-600sccm，生长温度为1000-1100℃，生长压力为40-100torr；
25.在所述掺fe的gan缓冲层的上表面生长厚度为100-500nm的六方bn缓冲层，硼源为bcl3，生长温度为1100-1500℃，生长压力为1-20torr；
26.采用原位掺杂的方式在所述六方bn缓冲层上表面生长厚度为100-1000nm的掺c的gan缓冲层，生长温度为500-1000℃，生长压力为40-100torr。
27.在本发明的一个实施例中，所述s8包括：
28.在所述gan帽层上分别制备源电极、漏电极和栅电极，其中，所述源电极和所述漏电极分别与所述algan势垒层形成欧姆接触；所述栅电极与所述algan势垒层形成肖特基接触。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
30.本发明的具有高阻缓冲层的gan hemt器件，使得在实现高阻缓冲层的同时而不影
响器件的整体性能。重要技术包括：先在应力调控层上高温生长掺fe的gan缓冲层，然后在掺fe的gan缓冲层上生长六方bn缓冲层，最后在六方bn缓冲层上低温生长掺c的gan缓冲层。fe原子的半径比ga原子半径大15％，比b原子半径大38％，比c原子半径大126％。因此六方bn缓冲层会向掺fe的gan缓冲层施加压应力，掺c的gan缓冲层会向六方bn缓冲层施加压应力，压应力会使生长表面的fe原子处于不稳定状态，从而加速fe从生长表面脱附，最终达到抑制fe的记忆效应和偏析的效果。
31.六方bn由于极大的禁带宽度，因此材料本身就是高阻的。掺c的gan缓冲层是低温生长的，较低的温度下fe原子无法获得足够的能量向上迁移，fe的记忆效应得到进一步的抑制。由于缓冲层中有较高浓度的fe的存在，c的浓度可以适当降低，进而达到抑制高c浓度下器件的电流崩溃现象。因此，以上所述的高阻缓冲层不仅可以实现缓冲层的高阻特性，还可以防止fe进入gan沟道层，影响器件整体性能，并且还可以抑制电流崩溃现象的发生。
32.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
33.图1是本发明实施例提供的一种具有高阻缓冲层的gan hemt器件的结构示意图；
34.图2是本发明实施例提供的一种具有高阻缓冲层的gan hemt器件的制备方法流程图；
35.图3a至图3h是本发明实施例提供一种具有高阻缓冲层的gan hemt器件的制备过程示意图。
具体实施方式
36.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及优点，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种具有高阻缓冲层的gan hemt器件及其制备方法进行详细说明。
37.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及优点，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及优点进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
38.应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得“包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……
限定”的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
39.实施例一
40.请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种具有高阻缓冲层的gan hemt器件的结构示意图。该gan hemt器件包括自下而上依次设置的衬底1、aln成核层2、应力调控层3、高阻缓冲层4、gan沟道层5、aln插入层6、algan势垒层7和gan帽层8，其中，高阻缓冲层4自下而上依次包括掺fe的gan缓冲层、六方bn缓冲层和掺c的gan缓冲层；gan帽层8的上表面设置有
相互间隔的源电极9、漏电极10和栅电极11，源电极9和漏电极10与algan势垒层7形成欧姆接触；栅电极11与algan势垒层7形成肖特基接触。
41.本实施例的衬底1为(111)面的si、(001)面的sic或者(001)面的蓝宝石，尺寸为2-8inch；其中，当衬底1为si时，aln成核层2生长在衬底1(111)面上，当衬底1为sic时，aln成核层2生长在衬底1(001)面上，当衬底1为蓝宝石时，aln成核层2生长在衬底1(001)面上。应力调控层3为al组分梯度渐变的algan缓冲层或者aln/gan超晶格缓冲层，algan缓冲层的al组分的梯度渐变的范围为0-100％。该器件结构的外延生长方向为外延氮化物的[001]方向，所述外延生长方向所对应的晶面为极性面(001)面。
[0042]
进一步地，高阻缓冲层4由掺fe的gan缓冲层、六方bn缓冲层和掺c的gan缓冲层复合而成，厚度为300-2500nm。其中，掺fe的gan缓冲层厚度为100-1000nm，fe的掺杂浓度为1
×
10
18-1
×
10
19
cm-3
；六方bn缓冲层的厚度为100-500nm；掺c的gan缓冲层厚度为100-1000nm，c的掺杂浓度为1
×
10
17-1
×
10
18
cm-3
。
[0043]
本发明实施例提供了一种具有高阻缓冲层的gan hemt器件，使得在实现高阻缓冲层4的同时而不影响器件的整体性能。具体地，首先在应力调控层上高温生长掺fe的gan缓冲层，然后在掺fe的gan缓冲层上生长六方bn缓冲层，最后在六方bn缓冲层上低温生长掺c的gan缓冲层。fe原子的半径比ga原子半径大15％，比b原子半径大38％，比c原子半径大126％。所以六方bn缓冲层会向掺fe的gan缓冲层施加压应力，掺c的gan缓冲层会向六方bn缓冲层施加压应力，压应力会使生长表面的fe原子处于不稳定状态，从而加速fe从生长表面脱附，最终达到抑制fe的记忆效应和偏析的效果。
[0044]
六方bn由于极大的禁带宽度，所以材料本身就是高阻的。掺c的gan缓冲层是低温生长的，较低的温度下fe原子无法获得足够的能量向上迁移，fe的记忆效应得到进一步的抑制。由于缓冲层中有较高浓度的fe的存在，c的浓度可以适当降低，进而达到抑制高c浓度下器件的电流崩溃现象。因此，以上所述的高阻缓冲层4不仅可以实现缓冲层的高阻特性，还可以防止fe进入gan沟道层，影响器件整体性能，并且还可以抑制电流崩溃现象的发生。
[0045]
实施例二
[0046]
在上述实施例的基础上，本实施例提供了一种具有高阻缓冲层的gan hemt器件的制备方法，所采用金属有机化学气相沉淀(mocvd)设备，其中所用氮源为nh3，所用iii族源为三甲基镓、三氯化硼和三甲基铝，fe源为cp2fe，载气为n2或者h2，请参见图2和图3a至3h，本实施例的制备方法包括：
[0047]
s1：在衬底1上表面生长aln成核层2，如图3a所示。
[0048]
在衬底1上生长aln成核层2，衬底1为(111)面的si、(001)面的sic或者(001)面的蓝宝石，尺寸为2-8inch；aln成核层2生长温度为1000-1100℃，生长压力为40-100torr，生长厚度为200-300nm。其aln成核层2作用是提供了与衬底1取向相同的成核中心，释放了后续生长的gan和衬底1之间的晶格失配产生的失配应力和热膨胀系数失配产生的热应力，并为进一步的外延生长提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角，使岛状生长的gan晶粒在较小的厚度内能连成面，转变为二维生长。
[0049]
s2：在aln成核层2上生长应力调控层3，如图3b所示。
[0050]
在aln成核层2上生长应力调控层3，其应力调控层3为al组分梯度渐变的algan缓冲层或者aln/gan超晶格缓冲层，algan缓冲层的al组分的梯度渐变的范围为0-100％，总厚
度为1-3μm。该应力调控层3用来调控外延层与衬底之间由于晶格失配和热失配而产生的大的失配应力。
[0051]
s3：在应力调控层3的上表面生长高阻缓冲层4，高阻缓冲层4自下而上依次包括掺fe的gan缓冲层、六方bn缓冲层以及掺c的gan缓冲层；如图3c所示。
[0052]
首先高温生长掺fe的gan缓冲层，fe源为cp2fe，cp2fe流速为100-600sccm，生长温度为1000-1100℃，生长压力为40-100torr，生长厚度为100-1000nm；然后在掺fe的gan缓冲层上高温低压生长六方bn缓冲层，硼源为bcl3，生长温度为1100-1500℃，生长压力为1-20torr，生长厚度为100-500nm；最后在六方bn缓冲层上低温生长掺c的gan缓冲层，采用低温原位掺杂的方式，生长温度为500-1000℃，生长压力为40-100torr，生长厚度为100-1000nm。六方bn缓冲层会向掺fe的gan缓冲层施加压应力，掺c的gan缓冲层会向六方bn缓冲层施加压应力，压应力会使生长表面的fe原子处于不稳定状态，从而加速fe从生长表面脱附，最终达到抑制fe的记忆效应和偏析的效果。
[0053]
该高阻缓冲层4呈现三明治结构，其具体实现方式和原理为：fe原子的半径比ga原子半径大15％，比b原子半径大38％，比c原子半径大126％。所以六方bn缓冲层会向掺fe的gan缓冲层施加压应力，掺c的gan缓冲层会向六方bn缓冲层施加压应力，压应力会使生长表面的fe原子处于不稳定状态，从而加速fe从生长表面脱附，最终达到抑制fe的记忆效应和偏析的效果。六方氮化硼由于极大的禁带宽度，所以材料本身就是高阻的。掺c的gan缓冲层是低温生长的，较低的温度下fe原子无法获得足够的能量向上迁移，fe的记忆效应得到进一步的抑制。由于缓冲层中有较高浓度的fe的存在，c的浓度可以适当降低，进而达到抑制高c浓度下器件的电流崩溃现象。因此，以上所述的高阻缓冲层4不仅可以实现缓冲层的高阻特性，还可以防止fe进入gan沟道层，影响器件整体性能，并且还可以抑制电流崩溃现象的发生。
[0054]
s4：在高阻缓冲层4上生长gan沟道层5，如图3d所示。
[0055]
在高阻缓冲层4上生长gan沟道层5，其gan沟道层5生长温度为1000-1100℃，生长压力为40-100torr，生长厚度为100-300nm；由于二维电子气在gan沟道层一侧，因此gan沟道层5要具有很高的晶体质量，并且通常不进行掺杂，以减小对二维电子气的散射；gan沟道层5的fe浓度应小于或等于1
×
10
16
cm-3
。
[0056]
s5：在gan沟道层5上生长aln插入层6，如图3e所示。
[0057]
在gan沟道层5上生长aln插入层6，aln插入层6厚度为1nm，生长压力为40-100torr，生长温度为1000-1100℃；该插入层6生长在gan沟道层5上，其作用是能够提高algan势垒层7和gan沟道层5的有效导带带阶，进而提高二维电子气面密度；另一方面，该aln插入层6能够抑制二维电子气渗入到algan势垒层7中的部分所受到的散射，进而提高二维电子气的迁移率。
[0058]
s6：在aln插入层6上生长algan势垒层7，如图3f所示。
[0059]
在aln插入层6上生长algan势垒层7，al组分的变化范围为0-50％，生长厚度为10-40nm，生长压力为40-100torr，生长温度为1000-1100℃；algan势垒层7由于同时具有很大的自发极化和压电极化作用，会在algan势垒层与沟道层的界面处产生大量的正的极化电荷，该极化正电荷可以吸引电子，从而形成二维电子。
[0060]
s7：在algan势垒层7上生长gan帽层8，如图3g所示。
[0061]
在algan势垒层上生长gan帽层8，该gan帽层8生长厚度为1-3nm，生长压力为40-100torr，生长温度为1000-1100℃；该gan帽层8生长在algan势垒层7上，其作用是提高二维电子气的迁移率，增加algan/gan异质结结构上的肖特基接触势垒，进而显著减少栅极漏电流；
[0062]
s8：在gan帽层8上分别制备源电极9、漏电极10、栅电极11，如图3h所示。
[0063]
在gan帽层8上分别制备源电极9、漏电极10和栅电极11，源电极9金属和漏电极10金属与algan势垒层7形成欧姆接触；栅电极11金属与algan势垒层形成肖特基接触。至此，本实施例的具有高阻缓冲层的gan hemt器件的工艺流程已经全部结束。
[0064]
利用本发明实施例的方法制备的具有高阻缓冲层的gan hemt器件，不仅可以实现缓冲层的高阻特性，还可以防止fe进入gan沟道层5，影响器件整体性能，并且还可以抑制电流崩溃现象的发生。
[0065]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。