【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体，具体涉及一种氮化物半导体晶体管外延结构。
技术介绍
1、氮化镓功率半导体器件相比于传统硅材料器件具有诸多优异的性能和广泛的应用前景，然而目前大规模商业化还需要克服一些技术难点，其中之一就是电流崩塌效应。氮化镓功率器件在工作过程中，在器件关断状态下，沟道层中由于高电场产生的离化电子在电场作用下会进入缓冲层，被缓冲层中的深能级复合中心俘获，形成的电场阻碍电子在沟道层的流动，使得器件工作时电阻逐渐上升，影响器件的可靠性。
2、另一方面，氮化物半导体外延层的内部存在较强的极化电场，algan层中随al组分的升高，极化强度也相应增强。在algan与gan界面处由于极化电场的突然变化形成高浓度的二维电子气；采用al组分渐变的algan外延层，由于极化强度的变化可以实现3维分布的高浓度的p型或者n型极化掺杂而不需要添加杂质原子，电子或者空穴浓度不受高杂质离化能的影响。日本名古屋大学amano研究组报道了利用algan层中al组分的渐变实现高al组分algan层的高浓度p型和n型极化掺杂，克服了高铝组分algan材料的高禁带宽度导致的低掺杂杂质激活比例问题，成功制作了高al组分pn结algan二极管。
3、专利号为《cn105047708a》的专利技术专利中公开algan/gan高电子迁移率晶体管结构，在衬底和gan沟道层之前设计两层极化掺杂调制algan层，抬升缓冲层相对于沟道层的背势垒高度，减少沟道层中的电子进入缓冲层中被深能级俘获的几率，抑制电流崩塌，同时比采用gan缓冲层或者低铝组分al0.
4、专利文件《cn115172440a》中公开了一种在非故意掺杂沟道层的下方，插入p型掺杂的氮化物层，减少沟道层中的电子进入下方的高碳掺杂缓冲层，减小电流崩塌效应的方法。该方案中p型掺杂采用传统的杂质掺杂的方式，由于p型杂质掺杂的激活能较高，采用杂质掺杂达到所需掺杂浓度需要较高的mg掺杂浓度(通常在～1019/cm3)，而较高的mg掺杂浓度会降低材料的晶体质量和耐压，也会由于mg掺杂的记忆效应(memory effect)在随后生长的沟道层中引入一定浓度的mg杂质。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种氮化物半导体晶体管外延结构，包括：衬底，衬底上方的成核层，其特征在于，成核层上方设置有耐压缓冲层，缓冲层上方设有背势垒层，背势垒层上方设有沟道层，沟道层上方设有势垒层，在背势垒层与沟道层之间设有n型掺杂层。通过设置耐压缓冲层，提高外延层的耐压，通过在缓冲层上的组分沿外延生长方向渐变的背势垒层，在背势垒层中形成极化p型掺杂效应，在其与上层n型掺杂层界面处形成pn结空间电荷区，进一步提高背势垒高度，阻止沟道中的电子进入缓冲层，降低电流崩塌效应。
2、所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，背势垒层由balgainn的任意比例合金组成，其中至少al组分沿生长方向逐渐递减，或者至少in组分沿生长方向逐渐递增，所述背势垒层为单层或者多层，势垒层为单层时组分沿生长方向连续缓变；势垒层为多层时至少其中一层的组分按照上述趋势变化，形成p型极化掺杂层。背势垒层为非故意掺杂、部分或者全部区域采用mg原子进行p型掺杂。
3、所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，n型掺杂层为gan层，或者其他balgainn任意比例合金层。
4、作为本专利技术的一种优选方案，所选balgainn材料的禁带宽度较gan更宽，进一步提高外延层的耐压。n型掺杂层为si，o或者其他n型杂质掺杂，自由电子浓度不低于5×1016/cm3；或者balgainn任意比例合金形成的n型极化掺杂，其合金组分的变化趋势与背势垒层极化掺杂的组分变化趋势相反。考虑高掺杂浓度p型极化掺杂背势垒层与其上层n型或低掺杂p型区域界面pn结处会产生较高的内部电场强度，使得该层在叠加外加电场时更容易被击穿。更高禁带宽度的balgainn合金层具有比gan更高的击穿电场，用于内部电场最强的界面处替代gan可以提高外延层的耐压。该合金层可以是单层或者不同组分多层叠加。相比于仅通过组分渐变而形成的背势垒高度，叠加背势垒层与上层n型掺杂层界面处形成的pn结空间电荷区内建电势，可以进一步提高整体的背势垒高度，阻止沟道中的电子进入缓冲层，降低电流崩塌效应。
5、作为本专利技术的一种优选方案，在势垒层与n型层之间，还可以插入掺杂浓度较p型极化掺杂背势垒层更低的p型balgainn任意比例合金层，或比gan沟道层掺杂电子浓度更低的n型掺杂balgainn任意比例合金层。此时n型层可以是上述n型杂质掺杂层或极化掺杂层，也可以省去，以非故意掺杂n型沟道层来代替。p型极化掺杂层，低掺杂浓度的balgainn合金层与n型层可以形成类似p-i-n二极管的结构，pn结的一部份耐压由i层balgainn合金层来分担，可以进一步提高外延层的耐压。
6、所述衬底可以是：硅衬底，碳化硅衬底，蓝宝石衬底，氮化镓衬底，或者以上述衬底为表面与其他材料形成的复合衬底。
7、所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，所述成核层可以是aln，gan，inn，或者它们的合金材料，或者上述材料的多层堆叠结构；或者是先在硅衬底表面生长一层3c-sic或者sin材料，然后继续生长上述aln，gan，inn，或者它们的合金材料，或者上述材料的多层堆叠结构。
8、所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，所述缓冲层可以是：aln，algan，gan单层或多层堆叠的结构，aln/gan，aln/algan，algan/gan超晶格结构，或者包括上述结构的组合结构。作为优选方案，采用相比其他结构平均al组分较高的algan/gan超晶格结构作为缓冲层，并采用高浓度碳原子掺杂(～2×1019/cm3)，不仅可以提高材料的临界击穿电场，同时也可以有效控制外延层内部应力，生长更厚的外延层，因此相比于单层algan极化掺杂层可以显著提高外延层的耐压。
9、所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，所述势垒层可以是algan层，aln层，alinn层，algainn层，或者上述材料层的复数叠加。
【技术保护点】
1.一种氮化物半导体晶体管外延结构，包括：衬底，衬底上方的成核层，其特征在于，成核层上方设置有耐压缓冲层，耐压缓冲层上方设有背势垒层，背势垒层上方设有沟道层，沟道层上方设有势垒层，在背势垒层与沟道层之间设有n型掺杂层。
2.根据权利要求1所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，其特征在于，背势垒层由BAlGaInN的任意比例合金组成，其中至少Al组分沿生长方向逐渐递减，或者至少In组分沿生长方向逐渐递增，所述背势垒层为单层或者多层，势垒层为单层时组分沿生长方向连续缓变；势垒层为多层时至少其中一层的组分按照上述趋势变化，形成p型极化掺杂层，背势垒层为非故意掺杂，并且部分或者全部区域采用Mg原子进行p型掺杂。
3.根据权利要求1所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，其特征在于，n型掺杂层为BAlGaInN任意比例合金层，该合金层可以是单层或者不同组分多层叠加。
4.根据权利要求3所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，其特征在于，n型掺杂层为Si，O或者其他n型杂质掺杂，自由电子浓度不低于5×1016/cm3；或者BAlGaInN任意比例合金形成的n型
5.根据权利要求1所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，其特征在于，在势垒层与n型层之间，还可以插入掺杂浓度较p型极化掺杂背势垒层更低的p型BAlGaInN层，或比GaN沟道层掺杂电子浓度更低的n型掺杂BAlGaInN层。
6.根据权利要求1所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，其特征在于，所述衬底为硅衬底，碳化硅衬底，蓝宝石衬底，氮化镓衬底，以上述衬底为表面的复合衬底。
7.根据权利要求1所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，其特征在于，所述成核层为AlN，GaN，InN，或者它们的合金材料，或者上述材料的多层堆叠结构；或者是先在硅衬底表面生长一层3C-SiC或者SiN材料，然后继续生长上述AlN，GaN，InN，或者它们的合金材料，或者上述材料的多层堆叠结构。
8.根据权利要求1所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，其特征在于，所述缓冲层为AlN，AlGaN，GaN单层或多层堆叠的结构，AlN/GaN，AlN/AlGaN，AlGaN/GaN超晶格结构，或者包括上述结构的组合结构。
9.根据权利要求1所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，其特征在于，所述势垒层为AlGaN层，AlN层，AlInN层，AlGaInN层，或者上述材料层的复数叠加。
10.根据权利要求1所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，其特征在于，所述沟道层为GaN，或者AlGaInN的其他任意比例合金或者上述材料层的复合叠加。
...【技术特征摘要】
1.一种氮化物半导体晶体管外延结构，包括：衬底，衬底上方的成核层，其特征在于，成核层上方设置有耐压缓冲层，耐压缓冲层上方设有背势垒层，背势垒层上方设有沟道层，沟道层上方设有势垒层，在背势垒层与沟道层之间设有n型掺杂层。
2.根据权利要求1所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，其特征在于，背势垒层由balgainn的任意比例合金组成，其中至少al组分沿生长方向逐渐递减，或者至少in组分沿生长方向逐渐递增，所述背势垒层为单层或者多层，势垒层为单层时组分沿生长方向连续缓变；势垒层为多层时至少其中一层的组分按照上述趋势变化，形成p型极化掺杂层，背势垒层为非故意掺杂，并且部分或者全部区域采用mg原子进行p型掺杂。
3.根据权利要求1所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，其特征在于，n型掺杂层为balgainn任意比例合金层，该合金层可以是单层或者不同组分多层叠加。
4.根据权利要求3所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，其特征在于，n型掺杂层为si，o或者其他n型杂质掺杂，自由电子浓度不低于5×1016/cm3；或者balgainn任意比例合金形成的n型极化掺杂，其合金组分的变化趋势与背势垒层极化掺杂的组分变化趋势相反。
5.根据权利要求1所述的一种氮化物半导体晶体管外延结构，其特征在于，在势垒层与n型层之间，还可以插入...
【专利技术属性】
技术研发人员：苗操，刘兆平，
申请(专利权)人：宁波石墨烯创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：
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