[发明专利]一种半导体异质结构制备方法及其用途

说明书

本发明提供一种半导体异质结构制备方法及其用途，所述制备方法包括，提供一衬底；于衬底上形成一成核层；于成核层上形成第一缓冲层；于第一缓冲层上形成第二缓冲层；于第一缓冲层上形成一沟道层；于沟道层上形成一势垒层，势垒层和沟道层构成异质结构；其中，第一缓冲层具有第一掺杂浓度，第二缓冲层具有第二掺杂浓度，第一掺杂浓度大于第二掺杂浓度。利用本发明，在半导体异质结构中引入至少两种掺杂浓度缓冲层，能同时兼顾高阻缓冲层电阻率与沟道层晶体质量的要求，不仅制备简单，而且可大幅降低沟道层的缺陷密度，提高半导体异质结构的晶体质量，改善器件击穿电压和电流崩坍效应，可应用于低成本的高频、高功率器件的研制。

技术领域

本发明涉及一种半导体技术领域，特别是一种半导体异质结构制备方法及其用途。

背景技术

以III族氮化物为代表的第三代半导体具有高禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度以及强极化等优异的性质，特别是基于AlGaN/GaN异质结构的高迁移率晶体管(HEMT)具有开关速度快、导通电阻低、器件体积小、耐高温、节能等优异特性，有望在下一代高效功率电子器件领域得到广泛使用。在以蓝宝石、碳化硅、硅为衬底材料的GaN基异质结构材料中，Si上GaN基异质结构材料及器件因其在大尺寸、低成本以及与现有Si工艺兼容等方面具有明显的优势，在太阳能逆变器、混合动力汽车逆变器、功率电源、家用电器及工业设备的功率转换器等领域有广泛的应用前景,也因此使其成为国际上氮化物领域研究的热点之一。

AlGaN/GaN HEMT器件有源区的外延材料主要包括由GaN(AlGaN)材料形成的高阻缓冲层、GaN高迁移率沟道层和AlGaN势垒层，另外还会有一些为了解决某些材料生长问题或提高器件某些性能而添加的功能材料层。其中高阻GaN(AlGaN)缓冲层有两个作用：一是将成核层中的位错与缺陷隔离，使得GaN沟道层能够生长在一个良好的初始界面上，可以显著提高AlGaN/GaN异质结界面质量和平整度，从而改善二维电子气的输运性能；二是阻止沟道层中的电子向下层材料泄漏，解决器件的漏电问题，因此需要GaN缓冲层必须具备比较高的高阻率，一般要求其室温电阻率必须在10⁶Ω·cm以上。为了提高Si衬底上GaN基材料的击穿电压，需要引入高背景浓度的碳(C)掺杂，碳掺杂技术是利用碳杂质的自补偿效应，获得高阻的GaN(AlGaN)缓冲层，是获得高耐压GaN基HEMT材料及器件的关键基础，通过碳掺杂的自补偿效应可获得的高阻GaN缓冲层，碳的掺杂浓度可以达到原子1x10²⁰原子/cm³以上，电阻率大于5000Ω/□。但是在如此高的补偿杂质掺杂的条件下，GaN基材料质量会严重的裂化，不利于改善器件的耐压特性，而且大量缺陷的引入，GaN基异质结的表面质量和晶体质量都会受到很大影响，在掺C的GaN基缓冲层上需要重新优化GaN沟道层的生长参数，通过调节生长条件，改善表面质量，提高二维电子气的电子浓度和迁移率。

高迁移率GaN沟道层是AlGaN/GaNHEMT结构的核心组成部分，沟道层材料晶格质量的优劣直接影响二维电子气的输运性能。生长过程中一方面要求提高沟道层材料的晶格质量，降低沟道层的背景电子浓度，从而减少散射和提高二维电子气迁移率；另一方面要有效释放衬底与GaN沟道层之间的晶格失配和热失配应力，改善异质结的界面特性，进而外延出高质量的AlGaN势垒层。

电流崩塌(Current collapse)现象是在一定条件下使AlGaN/GaN HEMT器件输出电流、输出功率减小，增益降低，性能恶化，器件的可靠性被破坏的现象，它是AlGaN/GaNHEMT器件走向成熟应用的重大障碍之一。高碳浓度掺杂的GaN基缓冲层，一方面会影响沟道层的晶体质量，影响二维电子气的迁移率和载流子浓度；另一方面也会造成高压(或高场)时，AlGaN/GaN HEMT器件的电流崩塌效应。目前，在微波放大器的应用中，器件的工作电压较低，电流崩塌效应已经得到较好解决。但是由高压(或高场)所致的电流崩塌效应仍未得到完全的解决，电流崩塌问题的解决与否是GaN电力电子器件能否达到实用化的一个很重要的因素，也是一大技术难点。

发明内容