一种P型帽层增强型HEMT器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种P型帽层增强型HEMT器件及其制备方法，属于微电子技术领域，包括从下至上依次层叠设置的衬底、低温成核层、缓冲层、高阻层、沟道层、势垒层、插入层、P‑GaN帽层，本发明专利技术提供了一种新的结构及长法，实现增强型HEMT器件的外延制备同时保证其性能的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种P型帽层增强型HEMT器件及其制备方法
本专利技术属于微电子
，具体涉及半导体器件的外延制备，即一种P型帽层增强型HEMT器件及其制备方法，制备的器件主要用于高压大功率应用场合。
技术介绍
第三代半导体材料即宽禁带(WideBandGapSemiconductor，简称WBGS)半导体材料是继第一代硅、锗和第二代砷化镓、磷化铟等以后发展起来。在第三代半导体材料中，氮化镓(GaN)具有宽带隙、直接带隙、高击穿电场、较低的介电常数、高电子饱和漂移速度、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越性质，成为继锗、硅、砷化镓之后制造新一代微电子器件和电路的关键半导体材料。ALGaN/GaN异质结界面出由极化效应产生的二维电子气所制备的高电子迁移率晶体管(HEMT)是目前主要应用的平面结构GaN基功率器件。然而由于异质结界面处的二维电子气一直存在，在实在应用中需要相对复杂的栅驱动电路，因为增强型GaN基HEMT成为了重要的研究技术方向。目前实现增强型GaN基HEMT功率电器的主要技术手段包括凹栅结构、F离子注入技术、P型栅帽层、级联结构等。其中。通过ALGaN/GaN异质结上的P型栅帽层结构实现对异质结界面处二维电子气的耗尽是产业化主流技术，P型栅帽层技术在界面质量、器件开态特性等方面具有潜在优势。然而实现P型栅帽层增强型GaN基HEMT器件依然存在一些问题，例如；P型栅帽层中的空穴浓度难以提高，P帽层的刻蚀深度难易控制等。ALGaN/GaN异质结HEMT器件中，势垒层的AL组分直接影响到二维电子气的密度和表面粗糙度。此外为实现增强型HEMT器件，通常采用p型栅工艺，为增强栅对二维电子气的调控，需减小p型栅与二维电子气的距离，因此生长p型栅时，需实现p型层生长。然而研究发现，常规MOCVD工艺生长p型材料时，无法实现高空穴浓度，没有有效掺杂的Mg离子将会形成缺陷，影响P型层的晶格质量。Mg离子还将会向底层以缺陷的形式向底层渗入影响影响到势垒层乃至沟道层的晶格质量，增加电子散射，降低迁移率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述问题，提供一种P-GaN帽层增强型HEMT器件外延制备方法，能够改善晶格质量的同时获得较高的Mg掺并实现有效的活化产生高浓度空穴。在P-帽层下面插入ALN层可以有效阻挡Mg的扩散，有效减小因为Mg的扩散带来的缺陷。势垒层ALxGa1-xN，AL组分逐渐增加，为保证二维电子气浓度的同时更好的保证表面粗糙度。P-帽层采用高压生长发，有效提高的Mg的并入且得到较好的晶格质量。本专利技术的器件结构各层从下至上依次排布，包括衬底、低温成核层、缓冲层、高阻层、沟道层、势垒层、插入层、P-GaN帽层。优选的，所述衬底为可以用来外延氮化镓薄膜的所有材料，包括绝缘或半绝缘的蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓和金刚石等材料，尺寸范围为2-8inch。优选的，所述成核层可以是ALN、ALGaN、GaN其中任意一种或组合，薄膜厚度10-200nm。优选的，所述的缓冲层是由MOCVD生长的非故意掺杂的本征铝镓氮层，厚度在0.5um-2um。优选的，所述高阻层是MOCVD生长的非故意掺杂生长形成的半绝缘高质量的氮化镓薄膜层，薄膜厚度范围为1.5um-3um。优选的，所述沟道层采用MOCVD生长的半绝缘高质量的氮化镓沟道薄膜层，薄膜厚度范围为50-200nm。优选的，所述的势垒层ALxGa1-xN，其中AL组分逐渐增加，5％～15％渐变至15％～35％，厚度为10-35nm。优选的，所述的插入层为ALN层，其厚度在1～10nm。优选的，所述的P-GaN帽层，采用金属有机气相外延沉积在特定的生长条件下生长的Mg-GaN层、厚度为50～200nm。优选的，所述的P-GaN帽层采用高压生长发，压力采用500～600torr，温度在800～1000℃。一种P型帽层增强型HEMT器件的制备方法，包括如下步骤：(1)提供衬底，其衬底是用来外延氮化镓薄膜的所有材料，包括绝缘或半绝缘的蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓和金刚石等材料，尺寸范围为2-8inch；(2)在温度400-700℃之间生长成核层，其具体为ALN、ALGaN、GAN其中任意一种或组合生长，其总厚度在10-200nm；(3)在成核层上生长缓冲层，为铝镓氮材料，生长温度在900～1120℃，薄膜厚度在0.5～2um；(4)在缓冲层生继续生长非故意掺杂的氮化镓高阻层，薄膜厚度范围为1.5um-3um，其生长温度在1120～1150℃之间；(5)在高阻层上生长氮化镓沟道层，薄膜厚度范围为50-200nm；(6)在沟道层上生势垒层的结构式为ALGaN，厚度为10-35nm，在温度800～1000℃，AL组分从10％逐渐增加至40％。(7)在沟道层上接ALN的插入层，其厚度在5nm；(8)在插入层上生长P-GaN帽层，生长压力为500torr，温度在950℃。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：提供了一种新的结构及长法，实现增强型HEMT器件的外延制备同时保证其性能的稳定性。其主要技术包括：1、采用变组分生长势垒层ALxGa1-xN，其中采用AL组分逐渐增多的方式，是为了再能够引起极化产生足够的二维电子气浓度的情况下，尽可以的减小GaN沟道层和ALN层之间的晶格不匹配，势垒层作为中间层采用AL组分逐渐增多的方式，起到缓解作用。2、采用ALN插入层在P-GaN帽层下方，因为Mg离子会在外延层中不断以缺陷的形式扩散，但MOCVD生长的ALN是以类金属片状形式存在可以有效阻断Mg的扩散，减小P-GaN帽层下面外延层的电子散射现象。3、采用高压生长法生长P-GaN帽层可以有效提高P-GaN帽层的晶格质量和提高Mg的并入，有效提高了P-GaN帽层的空穴载流子浓度和迁移率。新的结构及长法可以有效的提升HEMT器件特性，适用于高压大功率电子器件应用。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为按照实施例1所得实验结果。其中：L1-衬底，L2-低温成核层，L3-缓冲层，L4-高阻层，L5-沟道层，L6-势垒层，L7-插入层，L8-P-GaN帽层。具体实施方式为使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本专利技术。本专利技术的一种P型帽层增强型HEMT器件，包括从下至上依次层叠设置的衬底L1、低温成核层L2、缓冲层L3、高阻层L4、沟道层L5、势垒层L6、插入层L7以及P-GaN帽层L8，实施例1(1)提供衬底L1，其衬底是用来外延氮化镓薄膜的所有材料，包括绝缘或半绝缘的蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓和金刚石等材料，尺寸范围为2inch。(2)在温度400℃之间生长成核层L2，可以是ALN、ALGaN、GAN其中任意一种或组合生长，其总厚度在10nm。(3)在成核层上生长缓冲层L3，为铝镓氮材料，生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种P型帽层增强型HEMT器件，其特征在于，包括从下至上依次层叠设置的衬底（L1）、低温成核层（L2）、缓冲层（L3）、高阻层（L4）、沟道层（L5）、势垒层（L6）、插入层（L7）以及P-GaN帽层（L8）。/n

【技术特征摘要】
1.一种P型帽层增强型HEMT器件，其特征在于，包括从下至上依次层叠设置的衬底（L1）、低温成核层（L2）、缓冲层（L3）、高阻层（L4）、沟道层（L5）、势垒层（L6）、插入层（L7）以及P-GaN帽层（L8）。


2.根据权利要求1所述的一种P型帽层增强型HEMT器件，其特征在于，所述衬底层（L1）尺寸大小为2-8inch，材质为硅、碳化硅、氮化镓和金刚石中的任意一种。


3.根据权利要求1所述的一种P型帽层增强型HEMT器件，其特征在于，所述低温成核层（L2）为ALN、ALGaN、GaN中任意一种或组合，低温成核层（L2）的薄膜厚度10-200nm。


4.根据权利要求1所述的一种P型帽层增强型HEMT器件，其特征在于，所述缓冲层（L3）是由MOCVD生长的非故意掺杂的铝镓氮层，厚度为0.5um-2um。


5.根据权利要求1所述的一种P型帽层增强型HEMT器件，其特征在于，所述高阻层（L4）是MOCVD生长的非故意掺杂生长形成的半绝缘高质量的氮化镓薄膜层，薄膜厚度范围为1.5um-3um。


6.根据权利要求1所述的一种P型帽层增强型HEMT器件，其特征在于，所述沟道层（L5）采用MOCVD生长的半绝缘高质量的氮化镓沟道薄膜层，薄膜厚度范围为50-200nm。


7.根据权利要求1所述的一种P型帽层增强型HEMT器件，其特征在于，所述势垒层（L6）的结构式为ALxGa1-xN，AL组分逐渐增加，10%~25%渐变至25%~40%，厚度为10-35nm。

【专利技术属性】
技术研发人员：吴勇，葛林男，汪琼，王东，陈兴，严伟伟，陆俊，何滇，曾文秀，王俊杰，穆潘潘，操焰，崔傲，袁珂，陈军飞，张进成，
申请(专利权)人：西安电子科技大学芜湖研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34