[发明专利]宽带隙氮化镓基异质结场效应晶体管结构及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是指一种使用超晶格结构缓冲层和高迁移率氮化镓沟道层的氮化镓基异质结场效应晶体管结构及其制作方法，可以显著降低材料的晶格缺陷和提高沟道二维电子气迁移率。

背景技术

氮化镓作为第三代宽禁带半导体的典型代表，具有优良的热稳定性及化学稳定性、高击穿电压、高电子饱和漂移速度及优良的抗辐射性能，特别适合制备具有高温、高频、大功率和抗辐照特性的异质结场效应晶体管。氮化镓基异质结场效应晶体管在无线通讯、航天航空、雷达、高温辐射环境、石油勘探、自动化控制、汽车电子等领域具有广阔的应用前景。

氮化镓基异质结场效应晶体管的工作原理：由于组成异质结的两种材料禁带宽度不同，在氮化镓和铝(铟)镓氮(Al_xIn_yGa_zN)异质结界面处形成了势阱和势垒，由于极化效应或调制掺杂产生的自由电子，积累在非掺杂的氮化镓层靠近界面的三角形势阱中，形成二维电子气，由于使势阱中的这些电子与势垒中的电离杂质空间分离，大大降低了库仑散射，从而显著提高了材料的迁移率。研制成器件后，通过栅电极可控制异质结界面处的二维电子气浓度，在一定的直流偏压下，可对高频微波信号进行放大。

高热导率碳化硅和硅是目前制备氮化镓基高温、高频和大功率微波功率器件较为理想的衬底材料。其中碳化硅同氮化镓具有较小的晶格失配，热导率是蓝宝石的10倍，较其它异质衬底外延的氮化镓材料和异质结场效应晶体管具有更高的晶体质量，更优的散热和器件性能。但是，碳化硅比氮化镓热膨胀系数小，当碳化硅衬底和氮化镓膜生长后冷却到室温时，氮化镓膜的收缩大于衬底，使得氮化镓膜受到拉应力而容易开裂。因此，降低失配应力是在碳化硅衬底上生长高质量氮化镓外延结构需要重点解决的一个问题。硅衬底材料的生长工艺最为成熟，价格便宜，晶体质量好，适合大直径工艺，而且具有较好的高热导率和和便于光电集成，在民用领域展现了广阔的应用前景。但与氮化镓之间存在比较大的晶格失配，外延氮化镓材料晶体缺陷密度较高，材料质量较差，需要改进材料外延工艺和进一步进行结构设计，提高材料质量，发挥其高热导率长处，性能有望超过蓝宝石衬底。

在本发明以前，碳化硅衬底氮化镓基异质结场效应晶体管经常采用的结构为：在半绝缘碳化硅衬底上依次生长氮化铝成核层和通过掺杂补偿得到的氮化镓高阻层，再生长铝镓氮层。氮化铝成核层和氮化镓缓冲层缓解了衬底与氮化镓外延层之间的失配应力，降低了氮化镓外延层的缺陷密度，但仍需要进一步采取措施来消除外延结构的失配应力和降低外延膜的缺陷密度，从而避免碳化硅衬底外延的氮化镓基异质结场效应晶体管结构材料开裂和提高晶体质量。

二维电子气迁移率和浓度是表征异质结场效应晶体管结构材料质量的重要参数，同时提高沟道中二维电子气迁移率和浓度是提高氮化镓基异质结场效应晶体管的输出电流密度和功率密度的重要措施。目前，为了提高氮化镓基异质结场效应晶体管结构材料的二维电子气浓度和迁移率，通常对铝镓氮势垒层进行n型掺杂，可以在一定程度上提高沟道中的二维电子气浓度。但掺杂会降低材料晶格的完整性，从而导致铝镓氮层的晶体质量下降，氮化镓和铝镓氮层之间的界面粗糙程度增加，因此其迁移率的提高效果并不理想。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种高热导率碳化硅和硅衬底氮化镓基异质结场效应晶体管，具有更好散热性能；

本发明的第二个目的是提供一种氮化镓基异质结场效应晶体管，具有更低的缺陷密度和更高的晶体质量；

本发明的第三个目的是提供一种氮化镓基异质结场效应晶体管，具有更高的二维电子气迁移率；

本发明的第四个目的是提供一种氮化镓基异质结场效应晶体管，可更加有效限制沟道电子向缓冲层、势垒层和表面泄漏；

本发明的第五个目的是提供使用超晶格缓冲层结构来消除氮化镓外延层失配应力以及显著降低晶格缺陷的方法；

本发明的第六个目的是提供使用高迁移率氮化镓薄层来提高氮化镓沟道层和铝(铟)镓氮势垒层界面质量的方法；

本发明的第七个目的是提供一种氮化镓基异质结场效应晶体管及制作方法，具有工艺合理、成品率高的优点。