[实用新型]一种具有GaN:C/GaN超晶格高阻层的HEMT结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种氮化镓基HEMT外延结构，特别是涉及一种一种具有GaN:C/GaN超晶格高阻层的HEMT结构，属于半导体微电子技术领域。

背景技术

氮化镓材料和硅、砷化镓等半导体材料相比，具有更强的临界击穿电场、更大的电子饱和漂移速度、更高的禁带宽度及热导率等特性，在高压高频电子器件领域具有很大优势。三族氮化物材料还具有很大的自发和压电极化系数，利用此特性可以制备高电子迁移率晶体管器件，可以用于高压大功率开关器件和高频微波器件领域。

图1为现有技术GaN基HEMT外延结构示意图，GaN/AlGaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)的常规外延结构由依次连接的衬底1、GaN成核层2、GaN缓冲层3、高阻层4和势垒层5和帽层6组成。其中，高阻层4为非故意掺杂的氮化镓高阻层，存在较高的缺陷密度，显示N型导电特性，在HEMT器件截至状态下，存在较大的漏电流，增加器件能耗。

中国实用新型专利申请201480015652.0公开了一种制造半导体器件的方法，是一种原位碳掺杂技术，该方法在反应器中形成III-N半导体层以及把烃前体注入反应器中，由此碳掺杂III-N半导体层并使III-N半导体层绝缘或半绝缘。得到半导体器件包括衬底以及衬底上的碳掺杂绝缘或半绝缘III-N半导体层。III-N半导体层中的碳掺杂密度大于5×10¹⁸cm^-3且III-N半导体层中的位错密度小于2×10⁹cm^-2；该方法提高氮化镓的电阻，减小漏电，但是该方法碳掺杂会明显降低氮化镓材料的晶体质量，降低器件可靠性和寿命。

实用新型内容

本实用新型针对现有氮化镓基HEMT漏电流高，可靠性和寿命差的问题，提出一种提高氮化镓缓冲层的电阻，同时不恶化其晶体质量，降低器件漏电流，提高器件的耐高压特性和可靠性的具有GaN:C/GaN超晶格高阻层的HEMT结构。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

一种具有GaN:C/GaN超晶格高阻层的HEMT结构，自下而上依次包括衬底、GaN成核层、GaN缓冲层、GaN:C/GaN超晶格高阻层和AlGaN势垒层；其中高阻层由多层GaN：C故意碳掺杂层和非故意掺杂GaN层交替连接组成；单层GaN：C故意碳掺杂层的厚度为5-500nm；单层非故意掺杂GaN层的厚度为5-500nm。

为进一步实现本实用新型目的，优选地，所述GaN成核层的厚度为20-40nm；所述GaN缓冲层的厚度为1.5-2.5um。

优选地，所述HEMT结构还包括帽层；帽层的厚度为0-5nm；帽层为GaN帽层、AlN帽层或者氮化硅帽层；帽层设置在AlGaN势垒层上。

优选地，所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅材料衬底。

优选地，所述单层GaN：C故意碳掺杂层的厚度为20-40nm；单层非故意掺杂GaN层4.2的厚度为20-40nm。

优选地，所述AlGaN势垒层的厚度为5-50nm。

所述一种具有GaN:C/GaN超晶格高阻层的HEMT结构的制备方法，包括如下步骤：

1)将衬底放入金属有机化学气相化学沉积设备中，衬底片温度升高到1050-1100℃，压力50-200mbar，通入氢气，对衬底进行高温清洗，去除衬底表面的污染物；

2)衬底片温度降低到500-600℃，压力提高到300-600mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(1)所述的衬底片上生长GaN成核层；

3)将衬底片温度提高到1050-1100℃，压力降低到100-300mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(2)所述的成核层上生长的非故意掺杂的GaN缓冲层；

4)循环重复以下步骤(4a)和(4b)10-50次，得到GaN:C/GaN超晶格高阻层

(4a)将衬底片温度保持1050-1100℃，压力降低到20-70mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓首次在步骤(3)所述的非故意掺杂的GaN缓冲层上生长5-500nm的GaN：C故意碳掺杂层；循环重复时在非故意掺杂GaN层上生长GaN：C故意碳掺杂层；

(4b)将衬底片温度保持1050-1100℃，压力提高到300-500mbar，通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(4a)所述的GaN：C故意碳掺杂层上生长5-500nm的非故意掺杂GaN缓冲层；