[发明专利]一种厚膜高耐压氮化物半导体外延结构及其生长方法

说明书

技术领域

 本发明涉及半导体的技术领域，更具体地，涉及一种厚膜高耐压氮化物半导体外延结构及其生长方法。

背景技术

GaN 作为第三代半导体的代表，以其禁带宽度大，击穿电场强，介电常数大，饱和电子漂移速度高和异质界面二维电子气浓度高等优良的材料性能特点成为现今电力电子器件最重要的材料之一。与传统Si器件相比，GaN器件能承载更高的功率密度，具有更高的能量转换效率，可以使整个系统的体积和重量减少，从而降低系统成本。

由于缺乏同质衬底，加上大尺寸、价格低、导热性好等方面的优势，Si衬底成为GaN材料异质生长的理想材料。但是传统地采用异质结沟道的平面型Si基氮化鎵功率器件并不能像在蓝宝石或碳化硅衬底上的GaN功率器件一样，单纯的靠增大栅漏间距或者引入场板技术来获得高的击穿电压。实验表明，Si基GaN功率器件存在一个饱和击穿电压。当增大栅漏间距时，击穿电压并非一直线性增大，而是在达到某一个栅漏间距后，击穿电压趋于饱和。这说明达到饱和电压后，器件水平方向发生击穿之前，垂直方向材料就先发生了击穿。这主要是由于Si衬底材料本身的导电性和低的临界击穿电场导致了垂直方向的击穿。所以，提高Si衬底上氮化物功率器件的饱和击穿电压是亟需攻克的关键问题。

研究表明，提高Si衬底上氮化物外延层晶体质量和厚度，是提高Si衬底氮化物功率器件击穿电压的有效手段。但是由于Si衬底和氮化物之间存在的晶格失配和热失配使得在生长厚膜氮化物时很难控制生长过程中产生的应力，容易导致外延片发生龟裂。为了平衡这种晶格失配和热失配产生的应力问题，通常采用应力工程即插入应力缓冲层的方式在Si衬底上厚膜无龟裂的GaN外延层。Dadgar在2000年等人（Dadgar, et.al, Metalorganic Chemical Vapor Phase Epitaxy of Crack-Free GaN on Si (111) Exceeding 1 μm in Thickness Armin Jpn. J. Appl. Phys. 39 (2000) L1183）提出了采用多层富Al的氮化物插入层的方法获得了Si衬底上异质生长1微米以上的高质量无龟裂GaN外延层。这种采用富Al氮化物插入层的思路是该应力释放后的富Al氮化物插入层与其上面赝配生长或部分应力释放的GaN外延层会给后续的GaN外延层提供一个压应力，从而很好的平衡应力获得无龟裂的氮化物外延层。

但是，实验表明采用多层富Al氮化物插入层的技术生长出的厚膜外延层并不能有效的提升材料的耐压能力。这是由于极化效应的存在，该富Al氮化物插入层会在其与下方的GaN外延层的界面处产生一层埋层二维电子气沟道。该沟道层成为外延层结构的漏电通道，从而使得实际的耐压层仅仅为最顶层的GaN层，而不是整层氮化物外延层。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种工艺简单，稳定性高，通过粗化界面破坏富Al氮化物插入层和其下方的GaN外延层的界面处产生的二维电子气沟道，从而最大化利用由采用富Al氮化物插入层技术而获得的厚膜高耐压氮化物半导体外延结构，该外延结构具有更高的耐压能力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种厚膜高耐压氮化物半导体外延结构。其中，由下至上依次包括衬底、成核层、氮化物半导体材料层，所述氮化物半导体材料层包括在所述氮化物半导体材料层内被隔开的多个在具有粗化界面结构插入层上生长的基本氮化物夹层。所述氮化物半导体材料层包括具有粗化界面的氮化物插入层和位于所述具有粗化界面的氮化物层上方的氮化物夹层，所述氮化物夹层为一层弛豫氮化物夹层。

所述具有粗化界面结构的氮化物插入层和弛豫氮化物夹层在氮化物半导体材料层中的个数由实际耐压和厚度需求而定。

优选的，所述衬底为硅衬底、绝缘衬底硅、蓝宝石衬底、碳化硅、铌酸锂、氮化鎵或氮化铝衬底中的任一种。

优选的，所述成核层为AlGaN层、AlInGaN层、AlN层或GaN层。

优选的，所述氮化物半导体材料层为AlGaN层、AlInGaN层或GaN层；其厚度为100nm~20μm。

优选的，所述氮化物插入层具有经过粗化的界面结构。

优选的，所述粗化界面形成方法可为通过调整氮化物外延生长参数（如生长气压，生长五三比等）改变氮化物表面粗糙度，或通过杂质掺杂改变氮化物表面粗糙度，或通过生长过程中通入气体在线刻蚀方法改变氮化物表面粗糙度，或其他可以改变所述插入层表面粗糙度的方法。