一種半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種在Si襯底上生長(zhǎng)的半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN具有較大的直接禁帶寬度(3.4ev)、高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度等特點(diǎn),因此已經(jīng)成為目前半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。特別地,氮化鎵基高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HEMT)是一種基于氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型電子器件。該器件具有高頻、大功率的優(yōu)異特性,廣泛應(yīng)用于無線通信基站、電力電子器件等信息收發(fā)、能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。
[0003]由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)擊穿電壓大,因極化可產(chǎn)生高濃度二維電子氣(2DEG),并具有很高的電子遷移率,因此在微波功率器件應(yīng)用方面引起了廣泛關(guān)注。如有時(shí)氮化鎵晶體管的基板和有源器件之間的隔離電壓超過300V,此時(shí)一高阻GaN層作為隔離層,這樣使得氮化鎵晶體管與底層絕緣,這種方法能以單片方式制造出任何結(jié)構(gòu)的多個(gè)晶體管器件,并且本身就具有高效通用的散熱機(jī)制,在器件和散熱器之間不需要絕緣層,同時(shí)也減少漏電流,提高了 AlGaN/GaN HEMT器件的功率密度及其高溫、高頻性能。因此在器件材料結(jié)構(gòu)中外延生長(zhǎng)高阻GaN層是十分必要的。
[0004]目前主要采用異質(zhì)外延生長(zhǎng)的辦法在藍(lán)寶石、SiC等襯底材料生長(zhǎng)GaN外延層及器件。但是這兩種襯底價(jià)格昂貴,而且這兩種襯底的尺寸都比較小,增加了器件的制作成本。此外,藍(lán)寶石襯底還有硬度極高,導(dǎo)電差,導(dǎo)熱差等特點(diǎn),對(duì)器件的制作和性能不利。Si作為目前最成熟的半導(dǎo)體材料,具有價(jià)格便宜,尺寸大,晶體質(zhì)量高,導(dǎo)熱能力好等優(yōu)點(diǎn),用Si作為外延層的襯底可大大降低器件的制作成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。
[0005]但是,在Si襯底上生長(zhǎng)高阻厚膜GaN層的一個(gè)主要問題是在生長(zhǎng)的過程中,特別是剛開始生長(zhǎng)過程中,襯底上的Si原子會(huì)擴(kuò)散到GaN層中,增加了 Si施主的濃度,降低GaN層的絕緣性,同時(shí)回爐時(shí)Ga原子會(huì)擴(kuò)散到Si襯底上形成合金,并且Si原子會(huì)與N原子形成SixNy非晶薄膜,SixNy會(huì)阻止GaN在Si襯底表面的沉積,降低厚膜GaN層的質(zhì)量和表面形貌。
[0006]目前主要采用AlN作為緩沖層來提高Si襯底上生長(zhǎng)GaN的質(zhì)量。但采用AlN緩沖層的方法,制備的厚膜氮化鎵外延層表面也產(chǎn)生裂紋,并且改種方法不能有效的阻止Si原子的擴(kuò)散,因此很難進(jìn)一步提高氮化鎵晶體的質(zhì)量。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的目的是提供一種能有效阻止Si原子擴(kuò)散到GaN層的半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)同時(shí)能減少GaN層裂紋的產(chǎn)生。
[0008]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):一種半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu),從下至上依次包括硅襯底層,緩沖層和GaN層,其特征在于:在所述緩沖層和GaN層之間插有一層Al組分的摩爾含量恒定的AlyGai_yN,其中O < y < I。
[0009]優(yōu)選地,所述緩沖層包括但不限于下列材料中的一種:AlN、AlGaN、AlGaN/GaN。
[0010]優(yōu)選地,所述硅襯底為硅(111)襯底。
[0011]優(yōu)選地,所述AlN緩沖層的生長(zhǎng)厚度為50-300nm。
[0012]優(yōu)選地,所述AlGaN/GaN緩沖層中GaN的厚度為200nm,AlGaN的厚度為50_300nm。
[0013]優(yōu)選地,所述插入層AlyGai_yN的生長(zhǎng)溫度為1020_1060°C,生長(zhǎng)厚度為0.1-1ym0
[0014]優(yōu)選地,所述插入層AlyGa^N中Al組分的摩爾含量y為5%_95%。
[0015]優(yōu)選地,所述GaN層的生長(zhǎng)溫度為1000-1100°C,生長(zhǎng)厚度為0.9-1.5 μ m。
[0016]本發(fā)明的有益效果:該結(jié)構(gòu)能夠有效的阻止Si原子從襯底層擴(kuò)散到GaN外延層中,減少了氮化鎵外延層中的位錯(cuò)等缺陷密度,提高了半絕緣GaN外延層的晶體質(zhì)量和表面形貌,優(yōu)化了生長(zhǎng)工藝,降低了生長(zhǎng)成本,提高了產(chǎn)品的良率。此外,該半絕緣氮化鎵基高電子遷移率晶體管(HEMTs)具有更高的電子遷移速率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)。
[0017]
【附圖說明】
圖1為本發(fā)明所述的一個(gè)半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明所述的一個(gè)半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3為本發(fā)明所述的一個(gè)半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例,進(jìn)一步闡明本發(fā)明,應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍,在閱讀了本發(fā)明之后,本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均在本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0021]實(shí)施例1
如圖1所示,一種半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu),它是在硅襯底101上通過MOCVD技術(shù)依次生長(zhǎng)AlN緩沖層102、插入層103、氮化鎵層104,具體的方法如下:選擇硅(111)襯底101,利用MOCVD技術(shù)生長(zhǎng);將硅襯底101在1060°C和150Torr的H2環(huán)境中煅燒5分鐘;降溫至800°C,生長(zhǎng)壓力為450torr,通入三甲基鋁和氨氣,在硅襯底101表面生長(zhǎng)厚度為0.3um的AlN緩沖層102 ;升溫至1060°C,生長(zhǎng)壓力400torr,通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵,生長(zhǎng)厚度為0.3um的Alatl8Gaa92N插入層103 ;關(guān)閉三甲基鋁,1060°C和500torr,生長(zhǎng)厚度為1.2um的GaN層104 ;降至室溫。
[0022]實(shí)施例2
如圖2所示,一種半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu),它是在硅襯底201上通過MOCVD技術(shù)依次生長(zhǎng)緩沖層202、插入層203、氮化鎵外延層204,其中緩沖層202包括AlN202a和AlGaN202b,具體的方法如下:選擇硅(111)襯底201,利用MOCVD技術(shù)生長(zhǎng);將硅襯底201在1060°C和150Torr的H2環(huán)境中煅燒5分鐘;溫度保持不變,生長(zhǎng)壓力為450ton.,通入三甲基鋁和氨氣,在硅襯底201表面生長(zhǎng)厚度為250nm的AlN緩沖層202a ;通入三甲基鎵,生長(zhǎng)厚度為200nm的AlGaN層202b ;保持溫度不變,生長(zhǎng)壓力為400torr,通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵,生長(zhǎng)厚度為0.5um的Ala8Gaa2N插入層203 ;關(guān)閉三甲基鋁,1060°C和500torr,生長(zhǎng)厚度為Ium的GaN層204 ;降至室溫。
[0023]實(shí)施例3
如圖3所示,一種半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu),它是在硅襯底301上通過MOCVD技術(shù)依次生長(zhǎng)緩沖層302、插入層303、氮化鎵外延層304,其中緩沖層302包括AlN302a、AlGaN302b和GaN302C,具體的方法如下:選擇硅(111)襯底301,利用MOCVD技術(shù)生長(zhǎng);將硅襯底301在1060°C和150Torr的H2環(huán)境中煅燒5分鐘;溫度保持不變,生長(zhǎng)壓力為450torr,通入三甲基鋁和氨氣,在硅襯底301表面生長(zhǎng)厚度為250nm的AlN緩沖層302a ;通入三甲基鎵,生長(zhǎng)厚度為300nm的AlGaN層302b ;關(guān)閉三甲基鋁,生長(zhǎng)厚度為200nm的GaN層302c ;保持溫度不變,生長(zhǎng)壓力為400torr,通入氨氣、三甲基鋁和三甲基鎵,生長(zhǎng)厚度為0.5um的Ala8Gaa2N插入層303 ;關(guān)閉三甲基鋁,1060°C和500torr,生長(zhǎng)厚度為Ium的GaN層304 ;降至室溫。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu),從下至上依次包括硅襯底層、緩沖層和GaN層,其特征在于:在所述緩沖層和GaN層之間插有一層Al組分的摩爾含量恒定的AlyGai_yN,其中O < y< I。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu),其特征在于:所述緩沖層包括但不限于下列材料中的一種:A1N、AlGaN, AlGaN/GaN。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu),其特征在于:所述硅襯底為硅(111)襯底。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu),其特征在于:所述AlN緩沖層的生長(zhǎng)厚度為50-300nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu),其特征在于:所述AlGaN/GaN緩沖層中GaN的厚度為200nm,AlGaN的厚度為50_300nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu),其特征在于:所述AlyGa1J的生長(zhǎng)溫度為1020-1060。。,生長(zhǎng)厚度為0.1-1 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu),其特征在于:所述AlyGa^yN中Al組分的摩爾含量I為5%-95%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu),其特征在于:所述GaN層的生長(zhǎng)溫度為 1000-1100°C,生長(zhǎng)厚度為 0.9-1.5 μ m。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種半絕緣GaN外延結(jié)構(gòu),從下至上依次包括硅襯底層,緩沖層和GaN層,其特征在于:在所述緩沖層和GaN層之間插有一層Al組分的摩爾含量恒定的AlyGa1-yN,其中0<y<1。本發(fā)明能夠有效的阻止Si原子從襯底層擴(kuò)散到GaN層中,減少了氮化鎵外延層中的位錯(cuò)等缺陷密度,提高了半絕緣GaN的晶體質(zhì)量和表面形貌,優(yōu)化了生長(zhǎng)工藝,降低了生長(zhǎng)成本,提高了產(chǎn)品的良率。此外,該半絕緣氮化鎵基高電子遷移率晶體(HEMTs)具有更高的電子遷移速率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】H01L29-06, H01L29-778
【公開號(hào)】CN104733510
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410056963
【發(fā)明人】陳振
【申請(qǐng)人】晶能光電(江西)有限公司
【公開日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2014年2月20日