[发明专利]具有纳米台阶递变层的高阻氮化镓基缓冲层及制备方法

说明书

本发明提供了一种具有纳米台阶递变层的高阻氮化镓基缓冲层，包括由下至上层叠设置的衬底、成核层、具有纳米台阶的高阻Al_xGa_1‑xN缓冲层：所述具有纳米台阶的高阻Al_xGa_1‑xN缓冲层包含多个Al_xGa_1‑xN纳米台阶组，每一个所述Al_xGa_1‑xN纳米台阶组的台阶中Al的含量由最下层至最上层依次递变，相邻两个Al_xGa_1‑xN纳米台阶中Al组分的差值范围为2％‑50％。本发明还提供了上述具有纳米台阶递变层的高阻氮化镓基缓冲层的制备方法。

技术领域

本发明涉及一种电子元件，尤其涉及场效应晶体管。

背景技术

生长高质量的半绝缘GaN基缓冲层一直是GaN基高电子迁移率场效应晶体管(HighElectron Mobility Transistor，HEMT)器件外延生长的关键技术之一。在HEMT器件工作时GaN基缓冲层的漏电不仅会使器件的夹断性能变差，使栅极对沟道电流的控制能力减弱从而恶化器件的整体性能；与此同时缓冲层中的漏电还会使器件发热，使器件输出特性变差以至于影响到器件的可靠性和使用寿命。GaN基缓冲层的漏电问题一直是困扰HEMT器件性能提高的一个难题，因此为了获得良好的器件特性和提高器件的可靠性必须生长高阻值GaN基缓冲层减少器件工作时的寄生漏电流。另外缓冲层的缺陷密度(位错密度，掺杂等)也会直接影响HEMT器件的二维电子气迁移率从而影响器件的导通电阻，因此高质量的缓冲层也是提高器件性能的重要指标。

在利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长的GaN基外延材料中由于背景氧掺杂、氮空位等缺陷的存在，非故意掺杂生长的本征GaN具有较高的背景电子浓度(10¹⁶-10¹⁷/cm³左右)，所以必须想办法减少GaN基外延材料的背景电子浓度才可以获得高阻值的GaN基缓冲层。通常获得高阻值GaN基外延材料的方法有两大类：一类是通过控制在MOCVD中外延GaN过程的生长参数包括反应室气压，生长温度，生长速率，V/III比等，增加外延材料中的p-型杂质数量或缺陷态密度来补偿高的背景电子浓度进而获得高阻值GaN基缓冲层；另一种方法是通过在GaN基材料的外延生长中通入含有Fe、Cr、Mg等金属元素的外源掺杂剂在禁带中形成深能级缺陷或提供空穴补偿剩余载流子从而获得高阻值的GaN基缓冲层。第一种方法是通过引入缺陷杂质获得高阻值GaN外延层，因此外延层的质量会变差，同时通过控制生长条件获得高阻值GaN方法的设备依赖性较强，重复性也较差；第二种方法引入金属杂质一般都具有较强的记忆效应会污染反应室使得后续外延材料都有被金属杂质污染风险，因此通常需要有一台专用的MOCVD生长高阻GaN基外延材料而且引入杂质会使沟道2DEG的迁移率下降影响器件特性。

由于III族氮化物(AlN，GaN和InN)的纤锌矿结构的空间反演不对称性以及氮原子和III族金属原子巨大的电负性差，III族氮化物及其合金化合物具有很强的极性。作为高阻氮化镓生长的重要材料的AlN和GaN之间的极化强度差高达0.052C/cm²(0.081C/m²-0.029C/m²)，因此在不同Al组分AlGaN层的界面很容易形成二维载流子漏电通道。为了避免界面二维漏电通道产生以及增加界面载流子的散射作用，本专利中引入纳米台阶递变层通过多层纳米台阶减缓界面的极化强度变化梯度避免二维载流子形成，同时载流子在台阶界面散射效应也会加强从而获得高阻值的氮化镓基缓冲层。与传统的控制MOCVD生长参数和引入金属杂质能级获得高阻值GaN方法相比，通过Al_xGa_1-xN多量子阱结构获得高阻GaN不仅不用担心污染反应室，而且可以获得高质量的高阻GaN基缓冲层。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种氮化镓基缓冲层及制备方法，能够实现高阻值。