[发明专利]一种GaN基HEMT器件外延结构及其生长方法

说明书

本发明提供一种GaN基HEMT器件外延结构及其生长工艺，生长工艺包括以下步骤：S1：提供一Si衬底，在其表面制作出多个凹坑；S2：在所述Si衬底表面上形成AlN薄膜，使所述AlN薄膜填充满所述凹坑；S3：在所述AlN薄膜表面上生长AlGaN过渡层；S4：在所述AlGaN过渡层表面上生长GaN耐压层；S5：在所述GaN耐压层表面上生长AlN插入层；S6：在所述AlN插入层表面上生长InAlN势垒层；S7：在所述InAlN势垒层表面上生长GaN盖层。本发明获得的具有InAlN结构的势垒层的HEMT器件外延结构不仅具有高的迁移率，并且具有显著提高的高频、高功率器件性能。

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，特别是涉及一种GaN基HEMT器件外延结构及其生长方法。

背景技术

GaN作为第三代半导体材料，因其宽的直接带隙(3.4eV)、高的热导率、高的电子饱和漂移速度等方面的特点。在微波功率器件方面，因AlGaN/GaN异质结构界面处存在较大的极化电场，可产生高浓度的二维电子气(2DGE)，利用此特性，GaN材料在微波功率器件领域具有非常高的应用价值。因Si基半导体技术已经发展了半个多世纪，从材料获得到器件方法都已经发展的非常成熟，并且利用Si衬底外延的GaN基功率器件具备较好的导电性、优越的散热性能，有利于大面积集成，以及与传统的Si基器件兼容和集成等优势。因此利用Si衬底开发GaN基微波功率器件成为半导体研究的热点之一。

但Si衬底和GaN材料存在20.4％的晶格失配和56％的热失配，导致GaN外延膜在生长后薄膜内存在很大的张应力，特别是对大尺寸Si衬底外延生长的GaN薄膜非常容易发生龟裂。利用AlGaN/GaN异质节的HEMT器件在高频、高功率器件应用领域一直占有优势，具有良好的射频特性，然而当器件栅长小于300mm以下，AlGaN/GaN HEMT难以维持较高的纵横比以遏制短沟道效应。利用In组分为17％-18％的InAlN能够与GaN晶格完全匹配，In_0.17Al_0.83N比GaN有更大的禁带宽度，并比AlGaN具有更强的自发极化效应，产生的二维电子气浓度是AlGaN的2倍。理论研究表明，InAlN/GaN HEMT结构具有较高的纵横比，更好的可靠性和更大的输出功率密度，可以进一步满足高频、高功率器件的应用需求。但是生长高质量的InAlN材料比较困难，因为InN和AlN的生长温度分别为600℃和1100℃，易导致InAlN中出现相分凝和组分不一致。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种GaN基HEMT器件外延结构及其生长方法，该生长方法解决了InAlN中出现相分凝和组分不一致的问题，获得的GaN基HEMT器件外延结构不仅具有高的迁移率，并且具有显著提高的高频、高功率性能。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种GaN基HEMT器件外延结构的生长方法，至少包括以下步骤：

S1：提供一Si衬底，在其表面制作出多个凹坑；

S2：在所述Si衬底表面上形成AlN薄膜，使所述AlN薄膜填充满所述凹坑；

S3：在所述AlN薄膜表面上生长AlGaN过渡层；

S4：在所述AlGaN过渡层表面上生长GaN耐压层；

S5：在所述GaN耐压层表面上生长AlN插入层；

S6：在所述AlN插入层表面上生长InAlN势垒层；

S7：在所述InAlN势垒层表面上生长GaN盖层。

在本发明的一实施方式中，所述凹坑将所述Si衬底分割为若干介质柱。

在本发明的一实施方式中，所述介质柱的横截面包括圆形、椭圆形或多边形。