[发明专利]硅基GaN-HEMT外延结构的制作方法

说明书

本发明提供一种硅基GaN‑HEMT外延结构的制作方法，包括：采用金属有机物化学气相沉积工艺于硅衬底上形成GaN‑HEMT外延结构，包括成核层、缓冲层、碳掺杂的GaN高阻层、非掺杂的GaN沟道层、AlN空间层、AlGaN势垒层及GaN盖帽层；所述GaN‑HEMT外延结构的外延生长所采用的气源包括有机金属源和氮源，以H₂和N₂作为载气，其中，氮源的载气H₂与N₂的体积比为1.75～2.5之间，有机金属源的载气H₂与N₂的体积比为0.4～1之间。本发明可有效提高GaN‑HEMT外延生长过程中的不同区域生长速率均匀性、厚度均匀性、AlGaN势垒层的Al组分均匀性以及2DEG密度和二维电子气的迁移率。

技术领域

本发明属于半导体器件设计及制造领域，特别是涉及一种硅基GaN-HEMT外延结构的制作方法。

背景技术

随着第三代半导体电力电子器件的发展，氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表引起了各国研究者的重视。与Si器件相比较，GaN功率器件的优点主要包括3个方面:①禁带宽度大(3.39eV)，能够适应于高温场和高电场，降低冷却成本，减小设备体积；②高击穿电场(4E6 V/cm)，可以承受更高的功率，在同大小的击穿电压下，GaN器件耗尽区长度更小，功耗更低；③高电子迁移率(1000～2000cm2/V·s)和高电子饱和漂移速率(2.5E7cm/s)，低功耗，在高场下仍然有大的功率输出密度。

而GaN材料一个很大的优势即是其存在极化(自发极化和压电极化)效应，能够在AlGaN/GaN异质结界面形成大量极化正电荷，使得AlGaN/GaN异质结量子讲中存在面密度非常高的二维电子气(Two Dimensional Electron Gas,2DEG)，其面密度通常在10E13cm-2量级，且其迀移率非常高，能达到2000cm2/V·s。因此基于GaN材料的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)具有明显优势，在相控阵雷达、电子对抗、5G通讯、汽车电子等领域具有广泛的应用前景，已成为目前国际学术界和产业界关注的焦点。

AlGaN/GaN HEMT的研究和应用取得了很多突破性的进展，但仍然面临着不少难题，例如外延材料的缺陷和杂质问题、欧姆接触问题、表面钝化问题、器件的稳定性和可靠性问题等。其中大部分器件的性能问题都源于外延材料的生长状况较差，其中AlGaN/GaN异质材料的晶体质量，AlGaN势垒层中Al组分的含量、势垒层厚度等性质会直接影响HEMT结构材料二维电子气的迁移率，对器件性能的影响很大。更重要的是，由于在生长过程中表面的Al原子较难移动，所以在生长大尺寸HEMT外延片时，外延片的厚度均匀性和AlGaN势垒层中Al组分均匀性较差，导致器件稳定性和可靠性存在问题。

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硅基GaN-HEMT外延结构的制作方法，用于解决现有技术中GaN-HEMT外延结构的厚度均匀性和AlGaN势垒层中Al组分均匀性较差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅基GaN-HEMT外延结构的制作方法，所述制作方法包括：提供一硅衬底；采用金属有机物化学气相沉积工艺于所述硅衬底上形成GaN-HEMT外延结构，包括：于所述硅衬底上外延生长成核层；于所述成核层上外延生长缓冲层；于所述缓冲层上外延生长碳掺杂的GaN高阻层；于所述碳掺杂的GaN高阻层上外延生长非掺杂的GaN沟道层；于所述非掺杂的GaN沟道层上外延生长AlN空间层；于所述AlN空间层上外延生长AlGaN势垒层；于所述AlGaN势垒层上外延生长GaN盖帽层；所述GaN-HEMT外延结构的外延生长所采用的气源包括有机金属源和氮源，所述有机金属源和所述氮源均以H₂和N₂作为载气，其中，所述氮源的载气H₂与N₂的体积比为1.75～2.5之间，所述有机金属源的载气H₂与N₂的体积比为0.4～1之间。