一种GaN基HEMT器件外延结构及其生长方法技术

本发明专利技术提供一种GaN基HEMT器件外延结构及其生长工艺，生长工艺包括以下步骤：S1：提供一Si衬底，在其表面制作出多个凹坑；S2：在所述Si衬底表面上形成AlN薄膜，使所述AlN薄膜填充满所述凹坑；S3：在所述AlN薄膜表面上生长AlGaN过渡层；S4：在所述AlGaN过渡层表面上生长GaN耐压层；S5：在所述GaN耐压层表面上生长AlN插入层；S6：在所述AlN插入层表面上生长InAlN势垒层；S7：在所述InAlN势垒层表面上生长GaN盖层。本发明专利技术获得的具有InAlN结构的势垒层的HEMT器件外延结构不仅具有高的迁移率，并且具有显著提高的高频、高功率器件性能。

【技术实现步骤摘要】
一种GaN基HEMT器件外延结构及其生长方法
本专利技术涉及半导体材料领域，特别是涉及一种GaN基HEMT器件外延结构及其生长方法。
技术介绍
GaN作为第三代半导体材料，因其宽的直接带隙(3.4eV)、高的热导率、高的电子饱和漂移速度等方面的特点。在微波功率器件方面，因AlGaN/GaN异质结构界面处存在较大的极化电场，可产生高浓度的二维电子气(2DGE)，利用此特性，GaN材料在微波功率器件领域具有非常高的应用价值。因Si基半导体技术已经发展了半个多世纪，从材料获得到器件方法都已经发展的非常成熟，并且利用Si衬底外延的GaN基功率器件具备较好的导电性、优越的散热性能，有利于大面积集成，以及与传统的Si基器件兼容和集成等优势。因此利用Si衬底开发GaN基微波功率器件成为半导体研究的热点之一。但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外延膜在生长后薄膜内存在很大的张应力，特别是对大尺寸Si衬底外延生长的GaN薄膜非常容易发生龟裂。利用AlGaN/GaN异质节的HEMT器件在高频、高功率器件应用领域一直占有优势，具有良好的射频特性，然而当器件栅长小于300mm以下，AlGaN/GaNHEMT难以维持较高的纵横比以遏制短沟道效应。利用In组分为17％-18％的InAlN能够与GaN晶格完全匹配，In0.17Al0.83N比GaN有更大的禁带宽度，并比AlGaN具有更强的自发极化效应，产生的二维电子气浓度是AlGaN的2倍。理论研究表明，InAlN/GaNHEMT结构具有较高的纵横比，更好的可靠性和更大的输出功率密度，可以进一步满足高频、高功率器件的应用需求。但是生长高质量的InAlN材料比较困难，因为InN和AlN的生长温度分别为600℃和1100℃，易导致InAlN中出现相分凝和组分不一致。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种GaN基HEMT器件外延结构及其生长方法，该生长方法解决了InAlN中出现相分凝和组分不一致的问题，获得的GaN基HEMT器件外延结构不仅具有高的迁移率，并且具有显著提高的高频、高功率性能。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种GaN基HEMT器件外延结构的生长方法，至少包括以下步骤：S1：提供一Si衬底，在其表面制作出多个凹坑；S2：在所述Si衬底表面上形成AlN薄膜，使所述AlN薄膜填充满所述凹坑；S3：在所述AlN薄膜表面上生长AlGaN过渡层；S4：在所述AlGaN过渡层表面上生长GaN耐压层；S5：在所述GaN耐压层表面上生长AlN插入层；S6：在所述AlN插入层表面上生长InAlN势垒层；S7：在所述InAlN势垒层表面上生长GaN盖层。在本专利技术的一实施方式中，所述凹坑将所述Si衬底分割为若干介质柱。在本专利技术的一实施方式中，所述介质柱的横截面包括圆形、椭圆形或多边形。在本专利技术的一实施方式中，所述介质柱的横截面积自下而上一致，或者自下而上逐渐减小，且所述介质柱的横截面积范围是1-1000μm2。在本专利技术的一实施方式中，在步骤S2中，形成所述AlN薄膜的温度为800-1000℃，所述AlN薄膜的厚度为1.2-1.5μm。在本专利技术的一实施方式中，在步骤S3中，生长所述AlGaN过渡层的条件为：生长温度为1000-1100℃，反应室压力为50-100torr，生长速率10-20nm/min；在本专利技术的一实施方式中，在步骤S3中，所述AlGaN过渡层的厚度为600-1200nm。在本专利技术的一实施方式中，在步骤S3中，所述AlGaN过渡层的材质优选为AlxGa1-xN，0.25≤X≤0.4。在本专利技术的一实施方式中，步骤S3还包括在生长所述AlGaN过渡层之前，对所述AlN薄膜进行高温退火处理的步骤。本专利技术对AlN薄膜进行高温退火处理，提高AlN薄膜的质量。在本专利技术的一实施方式中，在步骤S3中，高温退火处理的条件为：退火温度为1100-1200℃，退火气体为H2+NH3。在本专利技术的一实施方式中，在步骤S4中，生长所述GaN耐压层包括以下阶段：第一阶段：高压高温生长，生长温度为1000-1050℃，反应室压力为400-500torr，生长速率为1-1.5μm/h，生长厚度为300-500nm；第二阶段：中压低温生长，生长温度为900-1000℃，反应室压力为200-250torr，生长速率为2.5-3.5μm/h，生长厚度为1-4μm。第三阶段：低压高温生长，生长温度为1000-1050℃，反应室压力为100-200torr，生长速率为0.5-1μm/h，生长厚度为300-500nm。在本专利技术的一实施方式中，在步骤S5中，生长所述AlN插入层的的条件为：温度为1000-1100℃，反应室压力为50-100torr，生长速率为1-3nm/min；在本专利技术的一实施方式中，所述AlN插入层的厚度1-1.5nm。在本专利技术的一实施方式中，在步骤S6中，生长所述InAlN势垒层按照生长周期进行生长，生长周期的个数为15-20，单个生长周期内依次生长第一AlN层、InN层和第二AlN层。本专利技术的生长方法利用In的熔点低，高温下易扩散的原理获得InAlN势垒层。在本专利技术的一实施方式中，在步骤S6中，还包括以下一项或者多项特征：1)单个生长周期内生长第一AlN层的条件：温度为950-1000℃，厚度为2)单个生长周期内生长InN层的条件：温度为650-700℃，厚度为3)单个生长周期内生长第二AlN层的条件为：温度为650-700℃，厚度为4)所述InAlN势垒层的厚度为20-25nm。在本专利技术的一实施方式中，所述InAlN势垒层的材质为InyAl1-yN，0.15≤y≤0.2。在本专利技术的一实施方式中，在步骤S7中，生长所述GaN盖层的条件为：温度为950-1000℃，反应室压力为100-200torr；所述GaN盖层的厚度为1-2nm。本专利技术公开一种如上述所述的GaN基HEMT器件外延结构的生长方法获得的GaN基HEMT器件外延结构。如上所述，本专利技术提供一种GaN基HEMT器件外延结构及其生长方法，具有以下有益效果：本专利技术通过利用复合纳米图形衬底获得了翘曲小、表面无龟裂的Si衬底GaN外延薄膜，获得了具有InAlN结构的势垒层的HEMT器件外延结构，该HEMT器件外延结构不仅具有高的迁移率，并且具有显著提高的高频、高功率器件性能。本专利技术的生长方法利用In的熔点低，高温下易扩散的原理获得InAlN势垒层，增加势垒层可以有效降低HEMT器件的暗电流，降低HEMT器件的噪声电流，提高信噪比。附图说明图1显示为本专利技术的GaN基HEMT器件外延结构的生长方法流程示意图。图2显示为本专利技术的GaN基HEMT器件外延结构的示意图。元件标号说明101Si衬底102AlN薄膜103AlGaN过渡层104GaN耐压层105AlN插入层106InAlN势垒层107GaN盖层S1～S7步骤具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaN基HEMT器件外延结构的生长方法，其特征在于，至少包括以下步骤：S1：提供一Si衬底，在其表面制作出多个凹坑；S2：在所述Si衬底表面上形成AlN薄膜，使所述AlN薄膜填充满所述凹坑；S3：在所述AlN薄膜表面上生长AlGaN过渡层；S4：在所述AlGaN过渡层表面上生长GaN耐压层；S5：在所述GaN耐压层表面上生长AlN插入层；S6：在所述AlN插入层表面上生长InAlN势垒层；S7：在所述InAlN势垒层表面上生长GaN盖层。

【技术特征摘要】
1.一种GaN基HEMT器件外延结构的生长方法，其特征在于，至少包括以下步骤：S1：提供一Si衬底，在其表面制作出多个凹坑；S2：在所述Si衬底表面上形成AlN薄膜，使所述AlN薄膜填充满所述凹坑；S3：在所述AlN薄膜表面上生长AlGaN过渡层；S4：在所述AlGaN过渡层表面上生长GaN耐压层；S5：在所述GaN耐压层表面上生长AlN插入层；S6：在所述AlN插入层表面上生长InAlN势垒层；S7：在所述InAlN势垒层表面上生长GaN盖层。2.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件外延结构的生长方法，其特征在于：所述凹坑将所述Si衬底分割为若干介质柱。3.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件外延结构的生长方法，其特征在于，在步骤S2中，形成所述AlN薄膜的温度为800-1000℃，所述AlN薄膜的厚度为1.2-1.5μm。4.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件外延结构的生长方法，其特征在于，在步骤S3中，生长所述AlGaN过渡层的条件为：生长温度为1000-1100℃，反应室压力为50-100torr，生长速率10-20nm/min；和/或，在步骤S3中，所述AlGaN过渡层的厚度为600-1200nm；和/或，步骤S3还包括在生长所述AlGaN过渡层之前，对所述AlN薄膜进行高温退火处理的步骤。5.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件外延结构的生长方法，其特征在于，在步骤S4中，生长所述GaN耐压层包括以下阶段：第一阶段：高压高温生长，生长温度为1000-1050℃，反应室压力为400-500torr，生长速率为1-1.5μm/h，生长厚度为300-500nm；第二阶段：中压低温生长，生长温度为900...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐军，潘尧波，
申请(专利权)人：合肥彩虹蓝光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34