[发明专利]一种半绝缘GaN外延结构

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种在Si衬底上生长的半绝缘GaN外延结构。

背景技术

GaN具有较大的直接禁带宽度（3.4ev）、高热导率、高电子饱和漂移速度等特点，因此已经成为目前半导体技术领域的研究热点。特别地，氮化镓基高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）是一种基于氮化物异质结构的新型电子器件。该器件具有高频、大功率的优异特性，广泛应用于无线通信基站、电力电子器件等信息收发、能量转换等领域。

由于AlGaN/GaN异质结构击穿电压大，因极化可产生高浓度二维电子气（2DEG），并具有很高的电子迁移率，因此在微波功率器件应用方面引起了广泛关注。如有时氮化镓晶体管的基板和有源器件之间的隔离电压超过300V，此时一高阻GaN层作为隔离层，这样使得氮化镓晶体管与底层绝缘，这种方法能以单片方式制造出任何结构的多个晶体管器件，并且本身就具有高效通用的散热机制，在器件和散热器之间不需要绝缘层，同时也减少漏电流，提高了AlGaN/GaN HEMT器件的功率密度及其高温、高频性能。因此在器件材料结构中外延生长高阻GaN层是十分必要的。

目前主要采用异质外延生长的办法在蓝宝石、SiC等衬底材料生长GaN外延层及器件。但是这两种衬底价格昂贵，而且这两种衬底的尺寸都比较小，增加了器件的制作成本。此外，蓝宝石衬底还有硬度极高，导电差，导热差等特点，对器件的制作和性能不利。Si作为目前最成熟的半导体材料，具有价格便宜，尺寸大，晶体质量高，导热能力好等优点，用Si作为外延层的衬底可大大降低器件的制作成本，提高经济效益。

但是，在Si衬底上生长高阻厚膜GaN层的一个主要问题是在生长的过程中，特别是刚开始生长过程中，衬底上的Si原子会扩散到GaN层中，增加了Si施主的浓度，降低GaN层的绝缘性，同时回炉时Ga原子会扩散到Si衬底上形成合金，并且Si原子会与N原子形成Si_xN_y非晶薄膜，Si_xN_y会阻止GaN在Si衬底表面的沉积，降低厚膜GaN层的质量和表面形貌。

目前主要采用AlN作为缓冲层来提高Si衬底上生长GaN的质量。但采用AlN缓冲层的方法，制备的厚膜氮化镓外延层表面也产生裂纹，并且改种方法不能有效的阻止Si原子的扩散，因此很难进一步提高氮化镓晶体的质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种能有效阻止Si原子扩散到GaN层的半绝缘GaN外延结构，该结构同时能减少GaN层裂纹的产生。

本发明采用以下技术方案予以实现：一种半绝缘GaN外延结构，从下至上依次包括硅衬底层，缓冲层和GaN层，其特征在于：在所述缓冲层和GaN层之间插有一层Al组分的摩尔含量恒定的Al_yGa_1-yN，其中0＜y＜1。

优选地，所述缓冲层包括但不限于下列材料中的一种：AlN、AlGaN、AlGaN/GaN。

优选地，所述硅衬底为硅（111）衬底。

优选地，所述AlN缓冲层的生长厚度为50-300nm。

优选地，所述AlGaN/GaN缓冲层中GaN的厚度为200nm，AlGaN的厚度为50-300nm。

优选地，所述插入层Al_yGa_1-yN的生长温度为1020-1060℃，生长厚度为0.1-1μm。

优选地，所述插入层Al_yGa_1-yN中Al组分的摩尔含量y为5%-95%。

优选地，所述GaN层的生长温度为1000-1100℃，生长厚度为0.9-1.5μm。

本发明的有益效果：该结构能够有效的阻止Si原子从衬底层扩散到GaN外延层中，减少了氮化镓外延层中的位错等缺陷密度，提高了半绝缘GaN外延层的晶体质量和表面形貌，优化了生长工艺，降低了生长成本，提高了产品的良率。此外，该半绝缘氮化镓基高电子迁移率晶体管（HEMTs）具有更高的电子迁移速率、高功率密度等优点。

附图说明  

图1为本发明所述的一个半绝缘GaN外延结构示意图。

图2为本发明所述的一个半绝缘GaN外延结构示意图。

图3为本发明所述的一个半绝缘GaN外延结构示意图。

具体实施方式