[实用新型]一种氮化镓基外延结构

说明书

本实用新型公开了一种氮化镓基外延结构，由下至上包含衬底、成核层、缓冲层和氮化镓层；缓冲层由n个极化掺杂纳米单元层组成，2≤n＜100，所述极化掺杂纳米单元层为组分渐变的AlGaN层，AlGaN层的Al组分含量沿外延生长方向逐渐减小或增加。本实用新型利用周期性极化掺杂纳米单元层，可以减小背景自由电子浓度从而形成高阻值的缓冲层。

技术领域

本实用新型属于半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基外延结构。

背景技术

氮化镓（GaN）材料具有热稳定性高、抗辐射和耐腐蚀性优异、击穿场强大和高电子迁移速率快等优点，非常适合用于高频,高压高功率器件的制作。氮化镓基高电子迁移率场效应晶体管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）是目前最常用的的氮化镓基电子器件结构。氮化镓基HEMT是利用AlGaN层和GaN层的极化强度和禁带宽度的差异，在AlGaN/GaN异质结界面形成具有高浓度和高迁移率的二维电子气，从而形成具有通态电阻小，工作频率高器件耐压高的大功率场效应晶体管。

通常获得高阻值GaN基外延材料的方法可以分为两大类：一种是通过控制GaN基薄膜外延生长过程的生长参数（例如：反应室气压，生长温度，生长速率，V/III比等），增加外延材料中的p-型杂质的数量或俘获电子的缺陷态密度，从而降低背景自由电子浓度，进而获得高阻值GaN基缓冲层。此种方法是通过引入缺陷杂质获得高阻值GaN外延层，是以牺牲晶体质量为代价而获得高阻值，同时，在控制外延生长参数的过程中，对设备依赖性较强，生产条件苛刻而且成本高。

另一种方法是通过在GaN基材料的外延生长过程中通入含有Fe、Cr、Mg等金属元素的外源掺杂剂，在禁带中形成深能级缺陷或提供空穴来补偿背景电子，从而获得高阻值的GaN基缓冲层。此种方法中引入金属杂质，通常具有较强的记忆效应，会一直残留在反应室，使得后续外延材料都有被金属杂质污染风险，而且引入杂质会使沟道二维电子气（2DEG）的迁移率下降，影响器件特性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种氮化镓基外延结构，利用周期性极化掺杂纳米单元层，可以减小背景自由电子浓度从而形成高阻值的缓冲层。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术解决方案是：

一种氮化镓基外延结构，由下至上包含衬底、成核层、缓冲层和氮化镓层；缓冲层由n个极化掺杂纳米单元层组成，2≤n＜100，所述极化掺杂纳米单元层为组分渐变的AlGaN层，AlGaN层的Al组分含量沿外延生长方向逐渐减小或增加。

进一步，所述极化掺杂纳米单元层的厚度范围为10nm-100nm。

进一步，衬底的材料为硅、碳化硅或蓝宝石中一种。

进一步，氮化镓层包括由下至上依次层叠的GaN沟道层、AlGaN势垒层和GaN帽层。

进一步，所述氮化镓层还包括碳掺杂GaN缓冲层，碳掺杂GaN缓冲层位于GaN沟道层和缓冲层之间。

III-V氮化物晶体一般属于六方晶系，由于其沿C方向的反演非对称性使得AlN和GaN材料具有一定自发极化强度（AlN材料的极化强度为0.081C/cm²，GaN材料的极化强度为0.029C/cm²），因此在不同Al组分AlGaN的界面存在一定的剩余极化电荷。利用周期性组分递减（或递增）的AlGaN层中存在空间固定的剩余极化负电荷（或正电荷），可以形成电子势垒（或势阱），减小背景自由电子浓度，实现低漏电的高阻层。另外，周期性的AlGaN极化掺杂纳米单层与多量子阱和超晶格结构相比，结构更简单，因此应力控制更加容易，而且周期性应力也可以过滤位错，提高外延片的晶体质量。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

标号说明