[发明专利]金刚石衬底上的N极性面GaN/InAlN异质结及制备方法

说明书

本发明公开了一种金刚石衬底上的N极性面GaN/InAlN异质结及其制备方法，主要解决现有GaN基HEMT器件在大功率应用下的散热能力差和欧姆接触电阻的问题。其自下而上包括：衬底(1)、缓冲层(2)、GaN层(3)、InAlN外延层(4)和GaN帽层(5)。其中衬底(1)采用金刚石材料，用于外延生长异质结，以增强异质结的散热能力；缓冲层(2)采用BN材料，用于提高外延层质量；GaN层(3)采用N极性面GaN，用于降低欧姆接触电阻。本发明改善了GaN/InAlN异质结的散热能力，同时降低了欧姆接触电阻，从而为器件在大功率下的工作奠定了基础，可用制作高频、大功率高电子迁移率晶体管器件。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种金刚石衬底上的N极性面GaN/InAlN异质结，可应用于高频、高功率GaN基HEMT器件。

技术背景

目前，随着GaN基微波功率器件迅速发展，高频、大功率、高效率的GaN HEMT微波功率器件和MMIC产品不断推出。但是，随着高频、大功率和体积的减小，芯片有源区的热积累效应迅速增加，导致散热问题成为GaN基功率器件进一步发展的主要技术瓶颈之一。传统的GaN基功率器件主要在蓝宝石、碳化硅等衬底材料上生长，这些材料的热导率都比较低，无法及时将器件产生的大量热量散发出去，从而导致器件结温上升，输出功率密度以及效率等性能迅速恶化。基于传统的衬底材料的GaN基功率器件，由于受到衬底和外延材料本身导热能力的限制，仅通过被动冷却技术和传统封装级散热技术也很难满足器件高频、高功率条件下的散热需求。

传统的GaN基HEMT器件是在蓝宝石衬底或碳化硅衬底上，外延生长Ga极性面AlGaN/GaN异质结。该异质结，如图1所示，自下而上包括蓝宝石衬底/碳化硅衬底、GaN层、AlGaN层和GaN帽层。在极化效应的作用下，AlGaN/GaN异质结沟道中能够产生高密度、高迁移率的二维电子气，从而形成具有高频特性的HEMT器件。这种Ga极性面的异质结构在制作欧姆接触电极时，要实现源/漏端与二维电子气的连接，需要穿过禁带宽度较大的AlGaN势垒层，这样很难获得低的欧姆接触电阻。此外，当Al组分较高时，AlGaN/GaN异质结构的势垒层会受到较强的压电效应，长时间在高压下工作，会造成器件栅极的电流退化，极大降低器件的电学可靠性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种金刚石衬底上的N极性面GaN/InAlN异质结及制备方法，以增强异质结的散热能力、降低欧姆接触电阻，从而改善器件在大功率下工作的性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

1.一种金刚石衬底上的N极性面GaN/InAlN异质结构，其自下而上包括：衬底、缓冲层、GaN层、InAlN外延层和GaN帽层，其特征在于：

所述衬底，其采用金刚石材料，用于外延生长异质结，以增强异质结的散热能力，改善器件在大功率工作下的性能；

所述缓冲层，其采用BN材料，用于生长外延结构的缓冲层，以提高外延层质量；

所述GaN层，其采用N极性面GaN，用于形成N极性外延结构，以降低欧姆接触电阻。

进一步，所述的缓冲层，其厚度为5-100nm。

进一步，所述的GaN层，其厚度为500-2000nm。

进一步，所述的InAlN外延层，其厚度为20-1000nm，In组分为17％，Al组分为83％。

进一步，所述的GaN帽层，其厚度为20-25nm。

2.一种金刚石衬底上的N极性面GaN/InAlN异质结的制备方法，包括如下步骤：

1)热处理：