本發(fā)明概括地涉及到高電子遷移率晶體管，特別地涉及到具有周期性碳摻雜的氮化鎵(GaN)層的高電子遷移率晶體管。

背景技術(shù)：

高電子遷移率晶體管(HEMT)是一類其中在溝道層和電子親和性比溝道層的小的阻擋層之間形成異質(zhì)結(jié)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。二維電子氣(2DEG)由于在溝道層-阻擋層界面處極化場(chǎng)的失配而在III-V族HEMT器件的溝道層中形成。2DEG具有在器件操作期間促進(jìn)高速轉(zhuǎn)換的高電子遷移率。在典型的HEMT器件中，負(fù)偏置電壓可以施加至柵電極以耗盡2DEG并由此關(guān)閉器件。III-V族HEMT器件是由周期表的第III欄中的材料如鋁(Al)、鎵(Ga)和銦(In)，和周期表的第V欄中的材料如氮(N)、磷(P)和砷(As)制成的器件。

圖1示出HEMT器件的現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)的截面圖。圖1中示出的HEMT器件100從基板102開始，所述基板可以為硅(Si)、碳化硅(SiC)、藍(lán)寶石(Al₂O₃)或者用于外延生長III-V族材料層的任何其他適合的基板。對(duì)于除了本體(bulk)氮化鎵(GaN)之外的基板，由于氮化鎵(GaN)和基板材料之間的不良的晶格匹配而難以在基板102上外延生長高品質(zhì)的氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體晶體層。如此，任選的緩沖層104，也已知為成核層，可以沉積在基板102上以提供可以生長高品質(zhì)的氮化鎵(GaN)的表面。緩沖層104可以為氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁(AlN)或者用于生長氮化鎵(GaN)的任何其他合適的材料。氮化鎵(GaN)的外延生長在緩沖層104上形成溝道層106。溝道層106可以通過任何已知的工藝來形成，包括金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)或者任何其他合適的生長技術(shù)。

接下來，阻擋層108，也已知為電子供給層，可以通過在溝道層106上的外延生長來形成。阻擋層108可以由氮化鋁鎵(Al_xGa_1-xN)、氮化銦鋁(In_xAl_1-xN) 或者適合與氮化鎵(GaN)類溝道層106形成異質(zhì)結(jié)的任何其他的材料來制成。形成于阻擋層108上的電極112和114分別起到HEMT器件100的源電極和漏電極的作用。源電極和漏電極112和114可以為鈦(Ti)/硅(Si)/鎳(Ni)、鈦(Ti)/鋁(Al)/鎳(Ni)或者與阻擋層108形成歐姆接觸的任何其他合適的材料。柵電極110也形成于阻擋層108上，在源電極112和漏電極114之間。柵電極110包括與阻擋層108形成非歐姆接觸的(不顯示線性I-V特征的接觸)的材料。

在前述HEMT器件100的器件操作期間，2DEG形成于溝道層106和阻擋層108之間的界面的溝道層側(cè)，使電流在源電極112和漏電極114之間流動(dòng)。負(fù)電壓(相對(duì)于基板102)可以施加至柵電極110以耗盡2DEG并切斷源電極112和漏電極114之間電流的流動(dòng)，關(guān)閉了HEMT器件100。

為改善HEMT器件100的電擊穿性能，碳(C)可以引入氮化鎵(GaN)類溝道層106中以增加氮化鎵(GaN)材料的電阻率。雖然碳(C)以低濃度自然存在于氮化鎵(GaN)類溝道層106中，但是通過改變氮化鎵(GaN)溝道層106的生長條件可以將更大量的碳(C)引入氮化鎵(GaN)材料中(也已知為碳摻雜的氮化鎵(c-GaN))。具體地，該碳(C)的注入可以通過在低溫下、高生長速率以及V族前體與III族前體的低比例來生長氮化鎵(GaN)溝道層106來實(shí)現(xiàn)。然而，促進(jìn)氮化鎵(GaN)中碳(C)的引入的生長條件與生長高品質(zhì)的氮化鎵(GaN)必要的生長條件(包括高溫、低生長速率以及V族前體與III族前體的高比例)直接沖突。

因?yàn)樘紦诫s的氮化鎵(c-GaN)具有劣質(zhì)的晶體品質(zhì)和形態(tài)，并且制造商不能生長厚層的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)，限制了HEMT器件100的電擊穿性能。碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)中存在的結(jié)構(gòu)缺陷也由于碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)材料的結(jié)構(gòu)劣化而可能導(dǎo)致不良的器件性能和基于每片晶片的較低的產(chǎn)率。此外，厚層的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)使得HEMT器件100不適合于增加終端應(yīng)用的數(shù)量；特別是考慮到對(duì)FET器件小型化的增長的需求。

因此，對(duì)具有改善的電擊穿性能和改善的結(jié)構(gòu)品質(zhì)的薄型化的HEMT器件的需求未滿足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一個(gè)實(shí)施方案中，高電子遷移率晶體管(HEMT)器件的形成方法包括在基板上形成溝道層疊層(stack)，所述溝道層疊層具有多個(gè)交替層，所述交替層為一層或多層未摻雜的氮化鎵(GaN)層和一層或多層碳摻雜的氮化鎵層(c-GaN)的交替層。所述方法進(jìn)一步包括在溝道層疊層上形成阻擋層。在一個(gè)實(shí)施方案中，阻擋層為氮化鋁鎵(Al_xGa_1-xN)。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述方法任選地包括在基板和溝道層疊層之間形成緩沖層。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述方法進(jìn)一步包括在阻擋層上形成源電極、漏電極和柵電極，其中所述柵電極形成于源電極和漏電極之間。源電極和漏電極與阻擋層形成歐姆連接，柵電極與阻擋層形成非歐姆連接。

在一個(gè)實(shí)施方案中，溝道層疊層通過在抑制碳引入氮化鎵中的生長條件下生長一層或多層未摻雜的氮化鎵(GaN)層中的每一層，并且在促進(jìn)碳引入氮化鎵中的生長條件下生長一層或多層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層中的每一層來形成。在一個(gè)實(shí)施方案中，生長具有小于5E¹⁸個(gè)原子/cm³的碳濃度的一層或多層未摻雜的氮化鎵(GaN)層中的每一層，生長具有大于5E¹⁸個(gè)原子/cm³的碳濃度的一層或多層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層中的每一層。

在一個(gè)實(shí)施方案中，一層或多層未摻雜的氮化鎵(GaN)層中的每一層在低生長速率和V族前體與III族前體的高比例下生長，并且一層或多層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層中的每一層在高生長速率和V族前體與III族前體的低比例下生長。在一個(gè)實(shí)施方案中，一層或多層未摻雜的氮化鎵(GaN)層中的每一層在大于0.1μm/hr且小于5μm/hr的速率下生長，并且一層或多層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層中的每一層在大于5μm/hr且小于10μm/hr的速率下生長。在一個(gè)實(shí)施方案中，一層或多層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層中的每一層在比一層或多層未摻雜的氮化鎵(GaN)層中的每一層高約15-20倍的速率下生長。

在一個(gè)實(shí)施方案中，一層或多層未摻雜的氮化鎵(GaN)層中的每一層使用大于100:1且小于10000:1的V族前體與III族前體的比例來生長，一層或多層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層的每一層使用大于10:1且小于200:1的V族前體與 III族前體的比例來生長。在一個(gè)實(shí)施方案中，一層或多層未摻雜的氮化鎵(GaN)層和一層或多層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層在高于750℃且小于1000℃的溫度和高于35托且小于700托的壓力下生長。

在一個(gè)實(shí)施方案中，將一層或多層未摻雜的氮化鎵(GaN)層中的每一層生長為大于1nm且小于200nm的厚度，并且將一層或多層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層中的每一層生長為大于1nm且小于500nm的厚度。在一個(gè)實(shí)施方案中，一層或多層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層中的每一層的厚度與一層或多層未摻雜的氮化鎵(GaN)層中的每一層的厚度的比例大于1:3且小于3:1。

在一個(gè)實(shí)施方案中，高電子遷移率晶體管(HEMT)器件包括基板以及具有形成于基板上的多個(gè)交替層的溝道層疊層，所述交替層為一層或多層未摻雜的氮化鎵(GaN)層和一層或多層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層的交替層。HEMT器件進(jìn)一步包括形成于溝道層疊層上的緩沖層。在一個(gè)實(shí)施方案中，阻擋層為氮化鋁鎵(Al_xGa_1-xN)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，HEMT器件任選地包括在基板和溝道層疊層之間形成的阻擋層。在一個(gè)實(shí)施方案中，HEMT器件進(jìn)一步包括形成于阻擋層上的源電極、漏電極和柵電極，其中柵電極形成于源電極和漏電極之間。源電極和漏電極與阻擋層形成歐姆連接，并且柵電極與阻擋層形成非歐姆連接。

在一個(gè)實(shí)施方案中，一層或多層未摻雜的氮化鎵(GaN)層中的每一層具有小于1E¹⁸個(gè)原子/cm³的碳濃度，一層或多層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層中的每一層具有大于1E¹⁸個(gè)原子/cm³的碳濃度。在一個(gè)實(shí)施方案中，一層或多層未摻雜的氮化鎵(GaN)層中的每一層是大于1nm且小于200nm厚，一層或多層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層中的每一層是大于1nm且小于500nm厚。在一個(gè)實(shí)施方案中，一層或多層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層中的每一層的厚度與一層或多層未摻雜的氮化鎵(GaN)層中的每一層的厚度之比大于1:3且小于3:1。

附圖說明

圖1示出HEMT器件的現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)的截面圖。

圖2A示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的具有未摻雜的氮化鎵和碳摻雜的氮化鎵的交替層的HEMT器件的截面圖。

圖2B示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的具有未摻雜的氮化鎵和碳摻雜的氮化鎵的交替層的HEMT器件的截面圖。

圖3A-H示出用于生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的具有未摻雜的氮化鎵和碳摻雜的氮化鎵的交替層的HEMT器件的制造步驟的截面圖。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的具有未摻雜的氮化鎵和碳摻雜的氮化鎵的交替層的HEMT器件的碳濃度的圖。

圖5示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多個(gè)HEMT器件的縱向擊穿電壓的圖。

圖6示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的具有未摻雜的氮化鎵和碳摻雜的氮化鎵的交替層的多個(gè)HEMT器件的縱向擊穿電壓的圖。

圖7示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多個(gè)HEMT器件的橫向擊穿電壓的圖。

圖8示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的具有未摻雜的氮化鎵和碳摻雜的氮化鎵的交替層的多個(gè)HEMT器件的橫向擊穿電壓的圖。

具體實(shí)施方式

圖2A示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的具有未摻雜的氮化鎵和碳摻雜的氮化鎵的交替層的HEMT器件的截面圖。圖2中，HEMT器件200從基板202開始?；?02可以為硅(Si)、碳化硅(SiC)、藍(lán)寶石(Al₂O₃)、本體氮化鎵(GaN)或者用于外延生長的氮化鎵(GaN)層的任何其他適合的基板。在一個(gè)實(shí)施方案中，未示出，基板202是本體氮化鎵(GaN)，并且多個(gè)未摻雜的氮化鎵(GaN)和碳摻雜的氮化鎵(GaN)的交替層直接在基板202的頂上外延生長。

在另一實(shí)施方案中，基板202是除了本體氮化鎵(GaN)之外的用于生長氮化鎵(GaN)的層的任何適合的材料。在該實(shí)施方案中，緩沖層204沉積在基板202的頂上。緩沖層204可以為氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁(AlN)或者用于生長氮化鎵(GaN)的任何其他適合的材料。

然后溝道層疊層206形成于緩沖層204的頂上。在另一個(gè)實(shí)施方案中，溝 道層疊層206通過生長單層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)和生長單層未摻雜的氮化鎵(GaN)來形成。在又一個(gè)實(shí)施方案中，溝道層疊層206通過生長多個(gè)一層或多層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層和一層或多層未摻雜的氮化鎵(GaN)層的交替層來形成。

通常，將存在碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)和未摻雜的氮化鎵(GaN)的交替層數(shù)量與HEMT器件200的電性能之間的折衷。如前所述，生長碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的厚層由于碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的劣質(zhì)的晶體形態(tài)和結(jié)構(gòu)品質(zhì)而可能導(dǎo)致不良的器件性能和增加的器件故障的可能性。如此，包括具有單層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)和單層未摻雜的氮化鎵(GaN)的溝道層疊層206的HEMT器件將比具有多個(gè)碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)和未摻雜的氮化鎵(GaN)的交替層的HEMT器件薄，但是由于在溝道層疊層206中碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的量降低也將具有降低的電性能。

在一個(gè)實(shí)施方案中，溝道層疊層206通過外延生長未摻雜的氮化鎵(GaN)層221、223和225與碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層220、222、224和226的交替層來形成。未摻雜的氮化鎵(GaN)層221、223和225與碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層220、222、224和226的交替層可以通過任何已知的工藝來生長，包括有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)或者任何其他適合的生長技術(shù)。

在一個(gè)實(shí)施方案中，未摻雜的氮化鎵層221、223和225具有小于1E¹⁸個(gè)原子/cm³的碳濃度，碳摻雜的氮化鎵層220、222、224和226具有大于1E¹⁸個(gè)原子/cm³的碳濃度。在一個(gè)實(shí)施方案中，未摻雜的氮化鎵(GaN)層221、223和225的每一層具有大于1nm且小于200nm的厚度，碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層220、222、224和226的每一層具有大于1nm且小于500nm的厚度。在一個(gè)實(shí)施方案中，未摻雜的氮化鎵(GaN)層221、223和225的每一層的厚度與碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層220、222、224和226的每一層的厚度之比大于1:3且小于3:1。

在一個(gè)實(shí)施方案中，任選另外的未摻雜的氮化鎵(GaN)層207形成于溝道 層疊層206的頂上。未摻雜的氮化鎵(GaN)層207提供其頂上形成阻擋層208的高品質(zhì)表面。未摻雜的氮化鎵(GaN)層207的厚度將根據(jù)溝道層疊層206、以及碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)220、222、224和226與未摻雜的氮化鎵(GaN)221、223和225的交替層的總體厚度而變化，但是應(yīng)當(dāng)足夠大以補(bǔ)償下方的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層220、222、224和226的劣質(zhì)的晶體品質(zhì)和形態(tài)。在一個(gè)實(shí)施方案中，未摻雜的氮化鎵(GaN)層的厚度在20nm和3μm之間。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，圖2B中示出的，溝道層疊層206的最上層為未摻雜的氮化鎵(GaN)層226，阻擋層208直接在溝道層疊層206的頂上形成。在該實(shí)施方案中，未摻雜的氮化鎵(GaN)層226也應(yīng)當(dāng)足夠厚以補(bǔ)償在下方的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層220、222和224的劣質(zhì)的晶體品質(zhì)和形態(tài)。在一個(gè)實(shí)施方案中，未摻雜的氮化鎵(GaN)層226的厚度在20nm和3μm之間。在圖2A-B中，阻擋層208可以為氮化鋁鎵(Al_xGa_1-xN)、氮化銦鋁(In_xAl_1-xN)或者適合與氮化鎵(GaN)類溝道層疊層206形成異質(zhì)結(jié)的任何其他材料。

然后源電極212和漏電極214形成于阻擋層208的頂上，并且電連接至阻擋層208。柵電極210形成于源電極212和漏電極214之間。柵電極也電連接至阻擋層208。源電極212和漏電極214與阻擋層208形成歐姆接觸，柵電極210與阻擋層208形成非歐姆接觸(不顯示線性I-V特征的接觸)。

在HEMT器件200的器件操作期間，2DEG形成于在溝道疊層層206或任選的未摻雜的氮化鎵(GaN)層207和阻擋層208之間的界面的溝道疊層層側(cè)，使得電流在源電極212和漏電極214之間流動(dòng)。通過形成包括未摻雜的氮化鎵(GaN)層221、223和225與碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層220、222、224和226的交替層的溝道層疊層206，HEMT器件200具有改善的電擊穿性能而沒有如圖1中所述的具有厚的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)溝道層106的HEMT器件100的劣質(zhì)的結(jié)構(gòu)品質(zhì)。

通過形成未摻雜的氮化鎵(GaN)和碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的交替層，碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層的劣質(zhì)的晶體品質(zhì)和形態(tài)，本質(zhì)上通過高品質(zhì)的未摻雜的氮化鎵(GaN)層補(bǔ)救，避免不期望的與單層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)相 關(guān)的結(jié)構(gòu)劣化，同時(shí)維持期望的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的電阻率特性。因?yàn)槲磽诫s的氮化鎵(GaN)層補(bǔ)償碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層劣質(zhì)的晶體品質(zhì)和形態(tài)，所以可以使HEMT器件200的總體厚度比圖1中示出的現(xiàn)有技術(shù)的HEMT器件100薄，使HEMT器件200用于日益增加的小型化電子器件中，例如，用于提供電力至膝上型電腦和其他移動(dòng)電子器件的小型化AC-DC電源轉(zhuǎn)換器。交替的高品質(zhì)未摻雜的氮化鎵(GaN)的層允許在溝道層疊層中使用更多的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)，如果使用單一的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的厚層，如前面所解釋的，這將另外地引起不可接受的劣化，所以HEMT器件200的性能可以在不使HEMT器件200總體更厚的情況下得到改善。此外，HEMT器件200的改善的結(jié)構(gòu)品質(zhì)也將導(dǎo)致改善的產(chǎn)率，結(jié)果，與現(xiàn)有技術(shù)的HEMT器件100相比，導(dǎo)致每個(gè)器件的總體制造成本降低。

圖3A-H示出用于生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的具有未摻雜的氮化鎵(GaN)和碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的交替層的HEMT器件的制造步驟的截面圖。圖3A中，HEMT器件300的形成通過提供基板302開始。基板302可以為硅(Si)、碳化硅(SiC)、藍(lán)寶石(Al₂O₃)或者用于外延生長氮化鎵(GaN)層的任何其他適合的基板。圖3B中，緩沖層304沉積在基板302的頂上。緩沖層304可以為氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁(AlN)或者用于生長氮化鎵(GaN)的任何其他適合的材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，基板302是本體氮化鎵(GaN)，在該情況下圖3B中示出的形成緩沖層304的制造步驟是任選的。

圖3C中，如果緩沖層304沒有如上所述形成，碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層320外延生長在緩沖層304或基板302上。碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層320在促進(jìn)碳(C)在氮化鎵(GaN)材料中的引入的生長條件下，通過任何已知的工藝(包括金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)或者任何其他合適的生長技術(shù))生長。促進(jìn)碳(C)在氮化鎵(GaN)材料中的引入的生長條件包括低溫、高生長速率和V族前體與III族前體的低比例。圖3D中，未摻雜的氮化鎵(GaN)層321外延生長在碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層320上。未摻雜的氮化鎵(GaN)層321在抑制碳(C)在氮化鎵(GaN)材料中的引入的生長條件下生長。抑 制碳(C)在氮化鎵(GaN)材料中的引入的生長條件包括高溫、低生長速率和V族前體與III族前體的高比例。

圖3E中，像碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層320和未摻雜的氮化鎵(GaN)層321一樣，交替的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層322、324和326與未摻雜的氮化鎵(GaN)層323和325分別在促進(jìn)碳(C)在氮化鎵(GaN)材料中的引入的生長條件下和在抑制碳(C)在氮化鎵材料中的引入的生長條件下，生長在未摻雜的氮化鎵(GaN)層321的頂上從而形成溝道層疊層306。在一個(gè)實(shí)施方案中，生長具有大于1E¹⁸個(gè)原子/cm³的碳濃度的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層320、322、324和326，生長具有小于1E¹⁸個(gè)原子/cm³的碳濃度的未摻雜的氮化鎵(GaN)層321、323和325。

在一個(gè)實(shí)施方案中，交替的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層320、322、324和326與未摻雜的氮化鎵(GaN)層在恒定溫度和恒定壓力下生長。溫度可以大于750℃且小于1000℃，壓力可以大于35托且小于700托。在一個(gè)實(shí)施方案中，在維持溫度和壓力的同時(shí)，生長速率在生長碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層320、322、324和326的高生長速率和生長未摻雜的氮化鎵(GaN)層321、323和325的低生長速率之間波動(dòng)。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，不是上述生長速率，而是V族前體與III族前體的比例在生長碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層320、322、324和326的V族前體與III族前體的低比例與生長未摻雜的氮化鎵(GaN)層321、323和325的V族前體與III族前體的高比例之間波動(dòng)。在又一個(gè)實(shí)施方案中，生長速率和V族前體與III族前體的比例二者在生長碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層320、322、324和326的高生長速率和V族前體與III族前體的低比例與生長未摻雜的氮化鎵(GaN)層321、323和325的低生長速率和V族前體與III族前體的高比例之間波動(dòng)。

用于生長碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層320、322、324和326的高生長速率為大于5μm/hr且小于10μm/hr，V族前體與III族前體的低比例為大于10:1且小于200:1。用于生長未摻雜的氮化鎵(GaN)層321、323和325的低生長速率為大于0.1μm/hr且小于5μm/hr，V族前體與III族前體的高比例為大于100:1且小 于10000:1。在一個(gè)實(shí)施方案中，用于生長碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層320、322、324和326的高生長速率為用于生長未摻雜的氮化鎵(GaN)層321、323和325的低生長速率的大約15-20倍。

在一個(gè)實(shí)施方案中，未摻雜的氮化鎵(GaN)層321、323和325的每一層生長為大于1nm且小于200nm的厚度，碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層320、322、324和326的每一層生長為大于1nm且小于500nm的厚度。在一個(gè)實(shí)施方案中，未摻雜的氮化鎵(GaN)層321、323和325的每一層的厚度與碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層320、322、324和326的每一層的厚度之比大于1:3且小于3:1。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，溝道層疊層306通過生長單層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)和生長單層未摻雜的氮化鎵(GaN)來形成。在又一個(gè)實(shí)施方案中，溝道層疊層306通過生長多個(gè)一層或多層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層和一層或多層未摻雜的氮化鎵(GaN)層的交替層來形成。

圖3F中，另一未摻雜的氮化鎵(GaN)層307外延生長在溝道層疊層306的最上的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層326的頂上。未摻雜的氮化鎵(GaN)層307可以在與未摻雜的氮化鎵(GaN)層321、323和325相同的條件下或者在抑制碳(C)在氮化鎵(GaN)材料中的引入的任何其他生長條件下生長。未摻雜的氮化鎵(GaN)層307也具有小于1E¹⁸個(gè)原子/cm³的碳濃度和在20nm和3μm之間的厚度。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，未示出，溝道層疊層306的最上層是未摻雜的氮化鎵(GaN)層。在該實(shí)施方案中，圖3F中示出的制造步驟不是必要的，并且另外的未摻雜的氮化鎵(GaN)層307不是沉積在溝道層疊層306的頂上。

圖3G中，阻擋層308形成于如上所述的未摻雜的氮化鎵(GaN)層307的頂上或者溝道層疊層306的頂上。阻擋層308可以通過MOCVD、MBE或任何其他適合的沉積工藝來形成。阻擋層308可以為氮化鋁鎵(Al_xGa_1-xN)、氮化銦鋁(In_xAl_1-xN)或適合與氮化鎵(GaN)類溝道層疊層306形成異質(zhì)結(jié)的任何其他材料。

圖3H中，使用已知的沉積、光刻法和蝕刻工藝，源電極312和漏電極314 形成于阻擋層308的頂上，并且電連接至阻擋層308。柵電極310形成于源電極312和漏電極314之間。柵電極也電連接至阻擋層308。源電極312和漏電極314與阻擋層308形成歐姆接觸，柵電極310與阻擋層308形成非歐姆接觸(不顯示線性I-V特征的接觸)。

類似于圖2中示出的HEMT器件200，通過圖3A-H中所述的工藝制造的HEMT器件300通過形成包括生長交替的未摻雜的氮化鎵(GaN)層321、323和325與碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層320、322、324和326的溝道層疊層306將具有改善的電擊穿性能而不用犧牲結(jié)構(gòu)品質(zhì)。改善的HEMT器件300的結(jié)構(gòu)品質(zhì)也將改善產(chǎn)率，因此，降低總體的制造成本。另外，可以使HEMT器件300比現(xiàn)有技術(shù)的器件薄，這是因?yàn)榕c圖1中示出的典型地需要碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)溝道層106為數(shù)μm厚的現(xiàn)有技術(shù)的HEMT器件100相比較，組成溝道層疊層306的交替的未摻雜的氮化鎵(GaN)層321、323和325與碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層320、322、324和326可以相對(duì)薄地生長，在一些實(shí)施方案中薄到每層幾nm。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的具有未摻雜的氮化鎵(GaN)和碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的交替層的HEMT器件的碳濃度的圖。圖4中的圖通過二次離子質(zhì)譜(SIMS)分析組成根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的HMET器件的溝道層疊層406的未摻雜的氮化鎵(GaN)和碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的交替層來產(chǎn)生。如圖4中所示，碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層402由SIMS圖的具有大約1E¹⁹個(gè)原子/cm³的碳濃度的峰所表示，未摻雜的氮化鎵(GaN)層401由SIMS圖的具有大約1E¹⁸個(gè)原子/cm³的碳濃度的谷所表示。圖4也示出碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)層402和未摻雜的氮化鎵(GaN)層401的交替層的厚度為大約30nm-50nm。雖然圖4中示出的HEMT器件的溝道層疊層406的總厚度為大約1.8μm，但在其它實(shí)施方案中，溝道層疊層406實(shí)質(zhì)上可以更薄，具有較少的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)和未摻雜的氮化鎵(GaN)的交替層，或者較薄的單層碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)和單層未摻雜的氮化鎵(GaN)，或者兩種都有。如前面所討論的，在一些實(shí)施方案中，碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的各層的厚度可 以大于1nm且小于500nm，未摻雜的氮化鎵(GaN)的各層的厚度可以大于1nm且小于200nm。

圖5示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有單一的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的厚層的多個(gè)HEMT器件的縱向擊穿電壓的圖，圖6示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的具有未摻雜的氮化鎵(GaN)和碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的交替層的多個(gè)HEMT器件的縱向擊穿電壓的圖。圖5和6中，數(shù)據(jù)點(diǎn)p1-p20表示在單晶片上制造的不同的HEMT器件。如圖5中所示，在現(xiàn)有技術(shù)的HEMT器件p1-p20的電流(Ir)和縱向電壓(V)特征之間存在一些變化，通?，F(xiàn)有技術(shù)的HEMT器件p1-p20顯示約960V的縱向擊穿電壓510。相對(duì)地，如圖6中所示，在未摻雜的氮化鎵(GaN)和碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的交替層的多個(gè)HEMT器件p1-p20的電流(Ir)和縱向電壓(V)特征之間存在極小的變化。另外，具有未摻雜的氮化鎵(GaN)和碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的交替層的HEMT器件顯示約1120V的縱向擊穿電壓620，與圖5中示出的現(xiàn)有技術(shù)的HEMT器件p1-p20的縱向擊穿電壓510相比，提高了160V。

如前面圖2A-B和3A-H中所討論的，與具有單一的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的厚層的現(xiàn)有技術(shù)的HEMT器件相比較，器件一致性(consistency)和縱向擊穿電壓的改善可以歸因于具有未摻雜的氮化鎵(GaN)和碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的交替層的HEMT器件的結(jié)構(gòu)品質(zhì)的改善。

圖7示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多個(gè)HEMT器件的橫向擊穿電壓的圖。圖8示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的具有未摻雜的氮化鎵(GaN)和碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的交替層的多個(gè)HEMT器件的橫向擊穿電壓的圖。再次，圖7和8中，數(shù)據(jù)點(diǎn)p1-p20和數(shù)據(jù)點(diǎn)p1、p2和p9-p26分別表示在單晶片上制造的不同的HEMT器件。如圖7中所示，在現(xiàn)有技術(shù)的HEMT器件p1-p20的電流(Ir)和橫向電壓(V)特征之間存在實(shí)質(zhì)的變化，其中多個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的HEMT器件顯示極不良的橫向擊穿電壓711、712和713。至多，現(xiàn)有技術(shù)的HEMT器件p1-p20顯示約980V的橫向擊穿電壓710。

像圖6中示出的縱向擊穿電壓特征一樣，在圖8中示出的具有未摻雜的氮 化鎵(GaN)和碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的交替層的多個(gè)HEMT器件p1、p2和p9-p26的電流(Ir)和橫向電壓(V)特征之間存在標(biāo)稱(nominal)變化。另外，具有未摻雜的氮化鎵(GaN)和碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的交替層的HEMT器件顯示約1280V的橫向擊穿電壓820，與圖7中示出的現(xiàn)有技術(shù)的HEMT器件p1-p20的最好橫向擊穿電壓710相比，提高了300V。再一次，器件一致性和橫向擊穿電壓的改善可以歸因于具有未摻雜的氮化鎵(GaN)和碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的交替層的HEMT器件的結(jié)構(gòu)品質(zhì)的改善。

電學(xué)(electrical)測(cè)試數(shù)據(jù)比較：

上述電學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)圖顯示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的具有碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)和未摻雜的氮化鎵(GaN)的交替層的HEMT器件和現(xiàn)有技術(shù)的具有單一的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的厚層的HEMT器件的電特性之間的直接比較。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的HEMT器件的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)和未摻雜的氮化鎵(GaN)的交替層的總厚度是3.0μm，現(xiàn)有技術(shù)的HEMT器件的單一的碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)的厚層的總厚度也是3.0μm。

雖然兩種器件的溝道層的厚度類似，但是與現(xiàn)有技術(shù)的HEMT器件相比較，具有碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)和未摻雜的氮化鎵(GaN)的交替層的HEMT器件顯示更好的縱向和橫向擊穿電壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在600V和800V的操作電壓下降低的縱向漏電流。雖然具有碳摻雜的氮化鎵(c-GaN)和未摻雜的氮化鎵(GaN)的交替層的HEMT器件的橫向漏電流稍大于現(xiàn)有技術(shù)的HEMT器件，但是縱向和橫向擊穿電壓以及縱向漏電流的提高大大超過橫向漏電流的略有增加。

雖然上述詳細(xì)的描述，相對(duì)于HEMT器件的類型，記載和說明本發(fā)明的實(shí)施方案，但是公開的技術(shù)可以應(yīng)用于不同類型的晶體管器件，包括例如，耗盡型(D-型)HEMT器件、增強(qiáng)型(E-型)HEMT器件和J-FET器件。

本發(fā)明的各個(gè)方面的其它目的、優(yōu)點(diǎn)和實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明領(lǐng)域那些技術(shù)人員將是顯而易見的，并且其在本說明書和附圖的范圍之內(nèi)。例如，但不是限定，結(jié)構(gòu)元件可以重新排列，或者重新排序的方法步驟與本發(fā)明是一致的。類似地，根據(jù)本發(fā)明的原理，以及具體表達(dá)它們的方法和體系，可以適用于其它實(shí)例，即使這里未特別詳細(xì)地記載，該實(shí)例不用說也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。