[发明专利]宽禁带半导体BPN/GaN异质结材料及外延生长方法

说明书

本发明公开了一种宽禁带半导体BPN/GaN异质结材料及外延生长方法，主要解决现有氮化镓异质结材料极化强度和二维电子气浓度低、外延生长工艺复杂和控制难度大的问题。其材料结构，自下而上包括衬底(1)、成核层(2)、GaN沟道层(3)、AlN插入层(4)、势垒层(5)和帽层(6)，其中势垒层采用P组分为30％‑40％、厚度为10nm‑30nm的BP_xN_1‑x，帽层采用厚度为1‑2nm的GaN或AlN，材料层结构均采用金属有机物化学气相淀积技术生长。本发明氮化镓异质结材料极化强度大，二维电子气浓度高，能提高氮化镓器件击穿电压和可靠性，材料生长工艺简单成本低，可用于制作场效应晶体管半导体器件。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种宽禁带半导体BPN/GaN异质结材料，可用于制作场效应晶体管半导体器件。

背景技术

以GaN为代表的III族氮化物半导体材料在高频微波功率器件和高效电力电子器件中有重要应用价值。GaN电子器件结构主要基于氮化物异质结构，该结构界面具有高面密度和高迁移率特性的二维电子气，能有效提高器件工作频率和输出功率密度。为了提高器件输出电流和功率密度，需要提高异质结势垒层极化强度，进而获得更高的二维电子气面密度。氮化物异质结构势垒层从传统的AlGaN材料向近晶格匹配InAlN和ScAlN材料发展，以期显著提高二维电子气密度的同时满足器件栅长和势垒层厚度等比例缩小规则，增强器件的工作频率。

目前，常规的氮化镓异质材料结构，如图1所示。其自下而上包括衬底、成核层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN或InAlN或ScAlN势垒层。该材料及结构存在以下缺点：

1、AlGaN/GaN异质结材料界面存在晶格失配，不可避免地产生高密度位错缺陷，该缺陷作为陷阱中心俘获电子引起器件电流崩塌，同时作为漏电通道降低器件击穿电压。此外，该材料异质结界面由极化效应产生的二维电子气浓度不够高，限制了器件栅长和势垒层厚度等比例缩小以及工作频率的提高；

2、AlGaN/GaN异质结材料势垒层中存在张应变，器件高压长时间工作时在AlGaN势垒层中会产生逆压电效应，产生晶格缺陷并降低器件可靠性；

3、InAlN/GaN异质结材料外延生长时，InAlN势垒层和GaN沟道层生长温度不同，生长过程需要短暂停顿和间隔来改变生长温度和切换载气，这一过程会引起Ga元素扩散结合到InAlN势垒层，导致异质结界面恶化，影响器件电流和功率输出特性；

4、ScAlN/GaN异质结材料金属有机物化学气相淀积生长时，需要对设备管路和控制系统及其生长室进行改造，满足Sc源输送和反应成膜，对工艺设备要求比较高；

5、该结构势垒层没有加以保护，会在势垒层表面产生表面态，降低二维电子气浓度，影响器件电流和功率输出特性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的缺点，提出一种宽禁带半导体BPN/GaN异质结材料及外延生长方法，以提高氮化镓异质结极化特性和二维电子气输运特性，降低材料外延生长工艺复杂度，满足高频微波功率器件应用需求。

为实现上述目的，本发明的宽禁带半导体BPN/GaN异质结材料，自下而上，包括衬底1、成核层2、GaN沟道层3、AlN插入层4和势垒层5，其特征在于：

所述势垒层5采用P组分为30％-40％，厚度为10nm-30nm的BP_xN_1-x；

所述势垒层5的上部设有帽层6，用于对该势垒层进行保护。

进一步，所述衬底1采用蓝宝石材料、Si材料、SiC材料、GaN材料、AlN材料中的任意一种材料。

进一步，所述成核层2为GaN或AlN。

进一步，所述帽层6为GaN或AlN，其厚度为1nm-2nm。