一种GaN基HEMT器件的外延结构及其生长方法与流程

一种gan基hemt器件的外延结构及其生长方法
技术领域
1.本发明属于半导体元器件技术领域，具体涉及一种gan基hemt器件的外延结构及其生长方法。


背景技术：

2.gan基外延结构的生长所需的衬底包含蓝宝石、硅及碳化硅中，由于硅衬底价格便宜，制备工艺成熟，因此在大尺寸的硅衬底生长gan基hemt器件极具成本优势，同时也更容易实现量产。
3.由于si衬底和gan材料存在20.4％的晶格失配和56％的热失配，导致gan外延层在生长后薄膜内存在很大的张应力，同时晶体质量难以控制。由于si衬底与gan材料的热失配比较大，高温下氨气与si会发生剧烈化学反应生成非晶的sinx(氮化硅)，sinx会严重影响后续gan生长的晶体质量。因此，目前现有的工艺为在si衬底氮化及预通al处理后，生长aln缓冲层及algan层作为过渡。
4.传统的algan缓冲层基本上都是渐变及超晶格结构，并不能很好的释放应力，降低位错。因此现有技术还有待改进和发展。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种gan基hemt器件的外延结构及其生长方法，克服了现有技术的不足，优化的algan位错复合调控层包含具有ga空位的外延功能层，通过在外延生长中引入大量ga空位，使得位错发生弯曲而湮没，从而提高晶体质量，减少位错，提高gan基hemt器件的漏电特性和耐压能力。
6.为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：
7.一种gan基hemt器件的外延结构及其生长方法，包括硅衬底以及依次从硅衬底表面生长的aln层、algan位错复合调控层、高阻gan外延层、gan沟道层、algan势垒层以及gan帽层；
8.所述algan位错复合调控层包括依次叠加的alxga1-xn单晶层、alyga1-yn单晶层、alzga1-zn单晶层和alvga1-vn单晶层。
9.进一步，所述alxga1-xn单晶层为buck层，al组分在0.55-0.85，其厚度为50-200nm；所述alyga1-yn单晶层为ga空位引入层、位错调控层，生长厚度为50-200nm，其中al组分y是恒定值，al组分在0.65-0.95；所述alzga1-zn单晶层为buck层，al组分在0.45-0.75，其厚度为50-200nm；所述alvga1-vn单晶层为渐变层，al组分从0.45-0.75渐变0.02-0.15，其厚度为10-200nm。
10.本发明还保护了一种gan基hemt器件的外延结构生长方法，包括以下步骤：
11.步骤一、将一硅衬底置入材料生长设备的生长室内，生长气氛为纯氢气或氮气氛围，控制温度1000-1150℃，反应腔压力50-200torr，通入流量为2-10slm的nh3，在其表面生长制备一厚度为50-500nm的aln层；
12.步骤二、控制温度、反应腔压力盒氨气的通入速率，在aln层表面生长制备一厚度为160-800nm的algan位错复合调控层；
13.步骤三、控制温度1000-1050℃，反应腔压力50-200torr，通入流量为5-30slm的nh3，碳掺杂浓度为2e18-2e19atoms/cm3，在algan位错复合调控层表面生长制备一厚度为1.5-3.5um的高阻gan外延层；
14.步骤四、控制温度1000-1100℃，反应腔压力100-300torr，通入流量为50-80slm的nh3，在高阻gan外延层表面生长制备一厚度为100-500nm的gan沟道层；
15.步骤五、维持温度1050-1150℃，反应腔压力50-200torr，通入流量为20-50slm的nh3，al组分0.15-0.4，在gan沟道层表面生长制备一厚度为10-30nm的algan势垒层；
16.步骤六、控制温度1000-1050℃，反应腔压力维持在50-200torr，通入流量为20-50slm的nh3、流量为10-20sccm的tmga，在algan势垒层表面生长制备一厚度为2-5nm的gan帽层；
17.步骤七、降低至室温，结束生长过程，取出晶体。
18.进一步，所述alxga1-xn单晶层的生长条件为温度950-1200℃、反应腔压力50-200torr、通入流量为0.04-10slm的nh3。
19.进一步，所述alyga1-yn单晶层的生长条件为高温且低生长速率且高v/iii比，温度大于1050c，其生长速率为0.01-1.0埃/秒，v/iii比在1000-30000之间。
20.进一步，所述alzga1-zn单晶层的生长条件为温度950-1200℃，反应腔压力50-200torr，通入流量为0.04-10slm的nh3。
21.进一步，所述alvga1-vn单晶层的生长条件为温度950-1200℃，反应腔压力50-200torr，通入流量为0.04-10slm的nh3。
22.本发明与现有技术相比较，具有以下有益效果：
23.本发明所述一种gan基hemt器件的外延结构及其生长方法，通过优化的algan位错复合调控层包含具有ga空位的外延功能层，通过在外延生长中引入大量ga空位，使得位错发生弯曲而湮没，从而提高晶体质量，减少位错，提高gan基hemt器件的漏电特性和耐压能力。
附图说明
24.图1为gan晶体材料的结构示意图。
25.图中：1、硅衬底；2、aln层；3、algan位错复合调控层；4、高阻gan外延层；5、gan沟道层；6、algan势垒层；7、gan帽层。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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做出创造性劳动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。
27.实施例1
28.如图1所示，本实施例公开了一种gan基hemt器件的外延结构，包括硅衬底1以及依
次从硅衬底1表面生长的aln层2、algan位错复合调控层3、高阻gan外延层4、gan沟道层5、algan势垒层6以及gan帽层7；
29.algan位错复合调控层3包括依次叠加的alxga1-xn单晶层、alyga1-yn单晶层、alzga1-zn单晶层和alvga1-vn单晶层；alxga1-xn单晶层为buck层，al组分在0.55-0.85，其厚度为厚度50nm；生长条件为温度950-1200℃、反应腔压力50-200torr、通入流量为0.04-10slm的nh3；alyga1-yn单晶层为ga空位引入层、位错调控层，生长条件为高温且低生长速率且高v/iii比，温度大于1050c，其生长速率为0.01-1.0埃/秒，v/iii比在1000-30000之间，生长厚度为50nm，其中al组分y是恒定值，al组分在0.65-0.95；alzga1-zn单晶层为buck层，al组分在0.45-0.75，其厚度为50nm；生长条件为温度950-1200℃，反应腔压力50-200torr，通入流量为0.04-10slm的nh3，alvga1-vn单晶层为渐变层，al组分从0.45-0.75渐变0.02-0.15，其厚度为10nm；生长条件为温度950-1200℃，反应腔压力50-200torr，通入流量为0.04-10slm的nh3。
30.具体的生长步骤如下：
31.步骤一、将一硅衬底1置入材料生长设备的生长室内，生长气氛为纯氢气或氮气氛围，控制温度1000-1150℃，反应腔压力50-200torr，通入流量为2-10slm的nh3，在其表面生长制备一厚度为50nm的aln层2；
32.步骤二、控制温度、反应腔压力盒氨气的通入速率，在aln层2表面生长制备一厚度为160nm的algan位错复合调控层3；
33.步骤三、控制温度1000-1050℃，反应腔压力50-200torr，通入流量为5-30slm的nh3，碳掺杂浓度为2e18-2e19atoms/cm3，在algan位错复合调控层3表面生长制备一厚度为1.5um的高阻gan外延层4；
34.步骤四、控制温度1000-1100℃，反应腔压力100-300torr，通入流量为50-80slm的nh3，在高阻gan外延层4表面生长制备一厚度为100nm的gan沟道层5；
35.步骤五、维持温度1050-1150℃，反应腔压力50-200torr，通入流量为20-50slm的nh3，al组分0.15-0.4，在gan沟道层5表面生长制备一厚度为10nm的algan势垒层6；
36.步骤六、控制温度1000-1050℃，反应腔压力维持在50-200torr，通入流量为20-50slm的nh3、流量为10-20sccm的tmga，在algan势垒层6表面生长制备一厚度为2nm的gan帽层7；
37.步骤七、降低至室温，结束生长过程，取出晶体。
38.实施例2
39.本实施例所公开的外延生长方法与实施例1基本一致，唯有区别的是：硅衬底1表面生长制备一厚度为500nm的aln层2。
40.实施例3
41.本实施例所公开的外延生长方法与实施例1基本一致，唯有区别的是：aln层2表面生长制备一厚度为800nm的algan位错复合调控层3；其中，alxga1-xn单晶层的厚度为200nm、alyga1-yn单晶层的厚度为200nm、alzga1-zn单晶层的厚度为200nm和alvga1-vn单晶层的厚度为200nm。
42.实施例4
43.本实施例所公开的外延生长方法与实施例1基本一致，唯有区别的是：algan位错
复合调控层3表面生长制备一厚度为3.5um的高阻gan外延层4。
44.实施例5
45.本实施例所公开的外延生长方法与实施例1基本一致，唯有区别的是：高阻gan外延层4表面生长制备一厚度为500nm的gan沟道层5。
46.实施例6
47.本实施例所公开的外延生长方法与实施例1基本一致，唯有区别的是：gan沟道层5表面生长制备一厚度为30nm的algan势垒层6。
48.实施例7
49.本实施例所公开的外延生长方法与实施例1基本一致，唯有区别的是：algan势垒层6表面生长制备一厚度为5nm的gan帽层7。
50.综上，本发明通过优化的algan位错复合调控层3包含具有ga空位的外延功能层，通过在外延生长中引入大量ga空位，使得位错发生弯曲而湮没，从而提高晶体质量，减少位错，提高gan基hemt器件的漏电特性和耐压能力。
51.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

技术特征：
1.一种gan基hemt器件的外延结构，其特征在于：包括硅衬底以及依次从硅衬底表面生长的aln层、algan位错复合调控层、高阻gan外延层、gan沟道层、algan势垒层以及gan帽层；所述algan位错复合调控层包括依次叠加的alxga1-xn单晶层、alyga1-yn单晶层、alzga1-zn单晶层和alvga1-vn单晶层。2.根据权利要求1所述的一种gan基hemt器件的外延结构，其特征在于：所述alxga1-xn单晶层为buck层，al组分在0.55-0.85，其厚度为50-200nm；所述alyga1-yn单晶层为ga空位引入层、位错调控层，生长厚度为50-200nm，其中al组分y是恒定值，al组分在0.65-0.95；所述alzga1-zn单晶层为buck层，al组分在0.45-0.75，其厚度为50-200nm；所述alvga1-vn单晶层为渐变层，al组分从0.45-0.75渐变0.02-0.15，其厚度为10-200nm。3.一种基于权利要求1或2所述的gan基hemt器件的外延结构生长方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、将一硅衬底置入材料生长设备的生长室内，生长气氛为纯氢气或氮气氛围，控制温度1000-1150℃，反应腔压力50-200torr，通入流量为2-10slm的nh3，在其表面生长制备一厚度为50-500nm的aln层；步骤二、控制温度、反应腔压力盒氨气的通入速率，在aln层表面生长制备一厚度为160-800nm的algan位错复合调控层；步骤三、控制温度1000-1050℃，反应腔压力50-200torr，通入流量为5-30slm的nh3，碳掺杂浓度为2e18-2e19atoms/cm3，在algan位错复合调控层表面生长制备一厚度为1.5-3.5um的高阻gan外延层；步骤四、控制温度1000-1100℃，反应腔压力100-300torr，通入流量为50-80slm的nh3，在高阻gan外延层表面生长制备一厚度为100-500nm的gan沟道层；步骤五、维持温度1050-1150℃，反应腔压力50-200torr，通入流量为20-50slm的nh3，al组分0.15-0.4，在gan沟道层表面生长制备一厚度为10-30nm的algan势垒层；步骤六、控制温度1000-1050℃，反应腔压力维持在50-200torr，通入流量为20-50slm的nh3、流量为10-20sccm的tmga，在algan势垒层表面生长制备一厚度为2-5nm的gan帽层；步骤七、降低至室温，结束生长过程，取出晶体。4.根据权利要求3所述的一种gan基hemt器件的外延结构生长方法，其特征在于：所述alxga1-xn单晶层的生长条件为温度950-1200℃、反应腔压力50-200torr、通入流量为0.04-10slm的nh3。5.根据权利要求3所述的一种gan基hemt器件的外延结构生长方法，其特征在于：所述alyga1-yn单晶层的生长条件为高温且低生长速率且高v/iii比，温度大于1050c，其生长速率为0.01-1.0埃/秒，v/iii比在1000-30000之间。6.根据权利要求3所述的一种gan基hemt器件的外延结构生长方法，其特征在于：所述alzga1-zn单晶层的生长条件为温度950-1200℃，反应腔压力50-200torr，通入流量为0.04-10slm的nh3。7.根据权利要求3所述的一种gan基hemt器件的外延结构生长方法，其特征在于：所述alvga1-vn单晶层的生长条件为温度950-1200℃，反应腔压力50-200torr，通入流量为0.04-10slm的nh3。

技术总结
本发明属于半导体元器件技术领域，具体涉及一种GaN基HEMT器件的外延结构，包括硅衬底以及依次从硅衬底表面生长的AlN层、AlGaN位错复合调控层、高阻GaN外延层、GaN沟道层、AlGaN势垒层以及GaN帽层；所述AlGaN位错复合调控层包括依次叠加的AlxGa1-xN单晶层、AlyGa1-yN单晶层、AlzGa1-zN单晶层和AlvGa1-vN单晶层。通过优化的AlGaN位错复合调控层包含具有Ga空位的外延功能层，通过在外延生长中引入大量Ga空位，使得位错发生弯曲而湮没，从而提高晶体质量，减少位错，提高GaN基HEMT器件的漏电特性和耐压能力。耐压能力。耐压能力。


技术研发人员：程斌 白俊春 平加峰
受保护的技术使用者：江苏芯港半导体有限公司
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/7/20