[发明专利]一种Si基氮化镓器件的外延结构

说明书

一种Si基氮化镓器件的外延结构，属于微电子技术领域，包括从下至上依次层叠设置的衬底、成核层、缓冲层、高阻层、沟道层以及势垒层，其中，成核层是由ALN/GaN循环生长组成，缓冲层是由InN/SiN/GaN循环生长组成，包括InN晶核层、网状结构SiN薄层、GaN填平层，本发明通过循环生长ALN/GaN成核层主要作用是缓解衬底与外延层的晶格失配和热失配，InN/SiN/GaN缓冲层可以大幅度降低材料的位错密度，提高晶格质量，从而提升HEMT器件的电子迁移率、击穿电压以及漏电流等特性。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件的外延制备，一种Si基氮化镓器件的外延结构，制备的器件主要用于高压大功率应用场合。

背景技术

第三代半导体材料即宽禁带(Wide Band Gap Semiconductor，简称WBGS)半导体材料是继第一代硅、锗和第二代砷化镓、磷化铟等以后发展起来。在第三代半导体材料中，氮化镓(GaN)具有宽带隙、直接带隙、高击穿电场、较低的介电常数、高电子饱和漂移速度、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越性质，成为继锗、硅、砷化镓之后制造新一代微电子器件和电路的关键半导体材料。特别是高温、大功率、高频和抗辐照电子器件以及全波长、短波长光电器件方面具有得天独厚的优势，是实现高温与大功率、高频及抗辐射、全波长光电器件的理想材料，是微电子、电力电子、光电子等高新技术以及国防工业、信息产业、机电产业和能源产业等支柱产业进入21世纪后赖以继续发展的关键基础材料。

目前主要研究与应用的是氮化镓在硅衬底上面的HEMT器件，但由于氮化镓HEMT器件与硅衬底之间均存在较大的晶格失配和热失配最终生长得到的GaN层的晶体质量不够好，进而影响HEMT的质量，这样就会降低器件击穿电压，减小电子迁移率，从而使当前氮化镓HEMT器件的性能远低于理论极限。

发明内容

本发明的目的在于克服目前氮化镓HEMT器件晶格质量较差的问题，提供了一种Si基氮化镓器件的外延结构及其制备方法，能够提高HEMT器件的质量。为实现上述目的，本发明的器件结构各层从下至上依次排布，包括衬底、成核层、缓冲层、高阻层、沟道层和势垒层。其中成核层是由ALN/GaN循环生长组成，缓冲层是由InN/SiN/GaN循环生长组成，包括InN晶核层、网状结构SiN薄层、GaN填平层。

优选的，所述衬底为可以用来外延氮化镓薄膜的硅材料，尺寸范围为2-8inch。

优选的，成核层可以采用金属有机源化学气相沉积(MOCVD)生长也可以采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)生长，是由ALN/GaN循环组成，包括ALN层和GaN层，生长温度500-900℃，薄膜厚度20-50nm。其中ALN层厚度在1-3nm之间，GaN层厚度在1-3nm之间，循环数为5～10之间。其中ALN/GaN采用PECVD生长，长完再放回MOCVD继续生长后续层。也可以直接利用MOCVD生长，长完需要进行高温热处理，为提高晶格质量，再继续生长后续层。

优选的，所述缓冲层，为采用金属有机源化学气相沉积(MOCVD)生长形成的薄膜层，其结构为InN/SiN/GaN循环生长组成，包括InN晶核层、网状结构SiN薄层、GaN填平层。其生长温度在1080-1150℃，薄膜总厚度在1um-3um。其中InN晶核层厚度在5～10nm，网状结构SiN薄层厚度在0.5～2nm、GaN填平层厚度在50～100nm，循环数为5～50之间。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：