[发明专利]包含多量子阱结构复合缓冲层的高阻缓冲层及制备方法

说明书

本发明提供了一种包含多量子阱结构复合缓冲层的高阻缓冲层,包括：由下至上依次设置的衬底、成核层、多量子阱结构复合缓冲层、高阻缓冲层；所述多量子阱结构复合缓冲层进一步包括：n组Al_xGa_1‑xN多量子阱层、K组Al_yGa_1‑yN超晶格层和/或m个Al_zGa_1‑zN单层；所述n组Al_xGa_1‑xN多量子阱层、K组Al_yGa_1‑yN超晶格层和/或m个Al_zGa_1‑zN单层中的平均Al组分递减。本发明还提供了包含多量子阱结构复合缓冲层的高阻缓冲层的制备方法，制作方法简单，无需二次外延，对反应室无污染，可控性强，可以有效减小缓冲层漏电流，从而改善器件高压特性和减小器件的无用功耗，适合实际生产应用。

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

III-V族氮化物(氮化镓、氮化铝及其合金化合物)是一种重要的第三代半导体材料具有禁带宽度大、热导率高、高饱和电子漂移速度等优点利用AlGaN 和GaN间的禁带宽度、极化强度差异，AlGaN/GaN异质结界面可以形成的高浓度和高电子迁移率的二维电子气从而形成高电子迁移率场效应晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)。氮化镓基HEMT具有导通电阻小，开关频率高，工作电压高等优点已经被广泛用于电力电子器件和射频微波器件。

在HEMT器件工作时GaN基缓冲层的漏电不仅会恶化器件的夹断性能，减弱栅极电压对沟道电流的控制能力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工作温度升高，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。因此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，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往往具有较高的背景电子浓度(10¹⁶-10¹⁷/cm³左右)而显弱n型，因此要获得半绝缘的氮化镓基缓冲层就必须想办法减少GaN基外延材料的背景电子浓度。通常获得高阻值半绝缘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俘获和补偿背景电子进而获得高阻值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，以牺牲外延薄膜晶体质量为代价的，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增加沟道2DEG散射减小电子的迁移率。