一种低电流崩塌的硅基GaN射频外延结构及其制造方法

本发明属于半导体器件，特别涉及一种低电流崩塌的硅基gan射频外延结构及其制造方法。

背景技术：

1、gan基半导体材料由于其高热导率、高击穿场强、宽禁带宽度和高电子饱和速度等优点，在高频率高功率应用方面有着巨大的优势。近些年来，gan基hemt器件得到了迅速的发展，已经广泛应用于航空航天、通信等领域，但是在实际应用中也发现了很多的问题。如高温高压环境下器件的电流崩塌现象，这严重影响了器件的可靠性。khon等人提出了虚栅模型，指出电子隧穿至器件的表面被表面缺陷俘获，形成了虚栅，降低了2deg浓度。此外，研究者们发现2deg在高电压偏置下也存在溢出至缓冲层陷阱中的现象，这也会造成电流崩塌。

2、对于外延片表面的陷阱，一种比较好的处理方式是引入sinx帽层或gan帽层，二者均能钝化器件表面，改变表面缺陷态的密度或充放电的能力，使得电流崩塌得到抑制。但aln层上的gan生长多为3d-2d生长模式，这使得越薄的gan层越难获得良好的表面形貌。而较差的表面形貌意味着更高的表面缺陷态密度，这直接影响到器件的栅极漏电和电流崩塌。常见的方法是生长更厚的gan帽层(2-3nm)，但这势必会降低势垒层的极化强度，降低电流大小。因此通过工艺调整提升帽层生长质量是必要的。对于缓冲层深层陷阱的充放电造成的电流崩塌，algan背势垒层可以通过抑制2deg的向下运动来抑制。一般来说，背势垒的厚度和al组分越高，电子隧穿过背势垒的几率越小，对电流崩塌的抑制效果越好。但由于aln较gan更小的晶格常数，algan背势垒的al组分变高或厚度变高必然会导致其对于沟道gan更大的压应力，这会严重影响异质结的压电极化强度，降低2deg浓度(一种半导体结构(cn212136452u))。

技术实现思路

1、本发明针对gan基hemt的电流崩塌问题，提出了一种低电流崩塌的硅基gan射频外延结构及其制造方法。采用si衬底而非sic衬底，可以有效的降低成本。生长了algan梯度背势垒层，保证了较高2deg浓度的同时，提高了击穿电压、抑制了缓冲层深能级充放电造成的电流崩塌。调整了gan帽层的生长工艺，通过极低的三甲基镓流量外延生长了表面形貌良好的超薄gan帽层，抑制了由表面缺陷态的充放电造成的电流崩溃。

2、本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种低电流崩塌的硅基gan射频外延结构，包括自下向上依次层叠的晶向为(111)的si衬底、aln成核层、algan缓冲层、fe掺杂gan层、gan缓冲层、algan梯度背势垒层、gan沟道层、aln势垒层和gan帽层；

4、其中，algan梯度背势垒层包括多层al组分从下到上等梯度递增的alxga1-xn层，每层alxga1-xn层的生长时间相同，x为al组分；在相同厚度下，algan梯度背势垒层对器件的击穿电压提升和电流崩塌抑制效果与传统的固定组分al0.5ga0.5n背势垒接近，但其对于2deg浓度的负面影响更小；

5、gan帽层采用设定的三甲基镓流速生长，三甲基镓流速为2-30sccm/min，提升生长质量，表面均方根粗糙度(5mm×5mm)不高于0.21nm；

6、fe掺杂gan层为采用fe掺杂的gan层，以抑制器件的缓冲层漏电和提高器件的击穿电压。

7、进一步地，所述aln成核层、algan缓冲层、fe掺杂gan层、gan缓冲层、algan梯度背势垒层、gan沟道层、aln势垒层和gan帽层均采用金属有机化学气相沉积技术生长。

8、进一步地，所述si衬底的尺寸为6inch，厚度为1000μm，电阻率为5000ω·cm以上。

9、进一步地，所述aln成核层的厚度为100-150nm，生长于si衬底之上。

10、进一步地，所述algan缓冲层的厚度为300-400nm，al组分为0.25-0.35，生长于aln成核层之上。

11、进一步地，所述fe掺杂gan层的厚度为600-700nm，生长于algan缓冲层之上。

12、进一步地，所述gan缓冲层的厚度为400-600nm，生长于fe掺杂gan层之上。

13、进一步地，所述algan梯度背势垒层的厚度为10-20nm，每层alxga1-xn层的生长时间相同，从下至上各层alxga1-xn层的al组分x由0梯度上升至1，组分梯度可根据具体需求选择，生长于gan缓冲层之上。

14、进一步地，所述gan沟道层的厚度为180-220nm，生长于algan梯度背势垒层之上。

15、进一步地，所述aln势垒层的厚度为7-12nm，生长于gan沟道层之上。

16、进一步地，所述gan帽层的厚度为0.2-1nm，生长过程中控制三甲基镓流速为2-30sccm/min，nh3流速为2-20slm/min，生长于aln势垒层之上。

17、一种低电流崩塌的硅基gan射频外延结构的制造方法，包括如下步骤：

18、步骤一，将si衬底放置于mocvd反应腔体中进行高温退火处理；

19、步骤二，在设定的温度和压力的环境下预通入三甲基铝10s；

20、步骤三，在si衬底之上外延生长aln成核层；

21、步骤四，在aln成核层上外延生长algan缓冲层；

22、步骤五，在algan缓冲层上外延生长fe掺杂gan层，通入二茂铁以实现fe掺杂；

23、步骤六，在fe掺杂gan高阻缓冲层上外延生长gan缓冲层，不通入二茂铁；

24、步骤七，在gan缓冲层上生长algan梯度背势垒层，每层alxga1-xn层生长时间相同，从下到上al组分由0等梯度上升至1，在保证较高2deg浓度的同时可有效抑制器件的缓冲层漏电和电流崩塌；

25、步骤八，在algan梯度背势垒层上生长gan沟道层；

26、步骤九，在gan沟道层上生长aln势垒层；

27、步骤十，在aln势垒层上生长gan帽层，控制三甲基镓流速为2-30sccm/min，nh3流速为2-20slm/min，以形成表面良好的薄膜，降低gan帽层中的缺陷密度，从而达到抑制器件栅极漏电和电流崩塌的效果。

28、相对于现有技术，本发明具有如下优点：

29、本发明针对gan基hemt器件的饱和漏极电流和电流崩塌两项参数，提出了一种低电流崩塌的硅基gan射频外延结构及其制造方法。一方面，生长了algan梯度背势垒，al组分从下到上等梯度递增且每层alxga1-xn生长时间相同。在相同厚度下，其对器件的击穿提升和电流崩塌抑制效果与传统的固定组分al0.5ga0.5n背势垒接近，但其对于2deg浓度的负面影响更小。另一方面，优化了gan帽层的生长工艺，采用极低的三甲基镓流速(2-30sccm/min)生长，优化了表面形貌，降低了表面陷阱密度，进一步抑制了电流崩塌。

技术特征：

1.一种低电流崩塌的硅基gan射频外延结构，其特征在于：包括自下向上依次层叠的晶向为(111)的si衬底(1)、aln成核层(2)、algan缓冲层(3)、fe掺杂gan层(4)、gan缓冲层(5)、algan梯度背势垒层(6)、gan沟道层(7)、aln势垒层(8)和gan帽层(9)；

2.如权利要求1所述的一种低电流崩塌的硅基gan射频外延结构，其特征在于：所述si衬底(1)的电阻率为5000ω·cm以上。

3.如权利要求1所述的一种低电流崩塌的硅基gan射频外延结构，其特征在于：所述aln成核层(2)的厚度为100-150nm，生长于si衬底(1)之上。

4.如权利要求1所述的一种低电流崩塌的硅基gan射频外延结构，其特征在于：所述algan缓冲层(3)的厚度为300-400nm，al组分为0.25-0.35，生长于aln成核层(2)之上。

5.如权利要求1所述的一种低电流崩塌的硅基gan射频外延结构，其特征在于：所述fe掺杂gan层(4)的厚度为600-700nm，生长于algan缓冲层(3)之上；

6.如权利要求1所述的一种低电流崩塌的硅基gan射频外延结构，其特征在于：所述algan梯度背势垒层(6)的总厚度为10-20nm，每层alxga1-xn层的生长时间相同，从下至上各层alxga1-xn层的al组分x由0梯度上升至1，生长于gan缓冲层(5)之上。

7.如权利要求1所述的一种低电流崩塌的硅基gan射频外延结构，其特征在于：所述gan沟道层(7)的厚度为180-220nm，生长于algan梯度背势垒层(6)之上。

8.如权利要求1所述的一种低电流崩塌的硅基gan射频外延结构，其特征在于：所述aln势垒层(8)的厚度为7-12nm，生长于gan沟道层(7)之上。

9.如权利要求1所述的一种低电流崩塌的硅基gan射频外延结构，其特征在于：所述gan帽层(9)的厚度为0.2-1nm，生长过程中控制三甲基镓流速为2-30sccm/min，nh3流速为2-20slm/min，生长于aln势垒层(8)之上，表面均方根粗糙度(5mm×5mm)不高于0.21nm。

10.一种低电流崩塌的硅基gan射频外延结构的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种低电流崩塌的硅基GaN射频外延结构及其制造方法。所述外延结构包括自下向上依次层叠的晶向为(111)的Si衬底、AlN成核层、AlGaN缓冲层、Fe掺杂GaN层、GaN缓冲层、AlGaN梯度背势垒层、GaN沟道层、AlN势垒层和GaN帽层。本发明通过生长AlGaN梯度背势垒层，一方面抬高了沟道层下方的势垒高度，降低了缓冲层漏电并有效抑制了器件的电流崩塌；另一方面在保证较高2DEG浓度的同时提高了2DEG的迁移率，抬高了器件的饱和漏极电流。通过使用极低的Ga源流量，生长表面形貌良好的超薄GaN帽层，在保证器件拥有高饱和漏极电流的同时有效抑制了栅极漏电和电流崩塌。

技术研发人员：王洪,聂祚荣,王楷,马啸
受保护的技术使用者：中山市华南理工大学现代产业技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1