[发明专利]高电子迁移率晶体管的外延结构及其制备方法

说明书

本发明提供一种高电子迁移率晶体管的外延结构及其制备方法，HEMT的外延结构包括：衬底，具有相对的第一主面和第二主面；应力补偿层，位于所述衬底的第二主面上，所述应力补偿层包括第一缓冲层；位于所述衬底的第一主面上的第二缓冲层和器件功能层，所述器件功能层位于所述第二缓冲层上，所述器件功能层包括于所述第二缓冲层上外延生长的碳掺杂的GaN高阻层、非掺杂的GaN沟道层和AlGaN势垒层。本发明通过在衬底的背面引入应力补偿层，应力补偿层的引入可以补偿衬底正面的缓冲层中的应力，使得后续器件功能层可以外延生长于几乎平整的平面上；另一方面，所述的制备方法可以缩短高成本的MOCVD工艺时间，有利于提升生产效率。

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GaN高电子迁移率晶体管的外延结构及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展，具有高频、高效率及大功率等优异性能的半导体器件的应用领域越来越多。以氮化镓为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度宽、热导率高、耐腐蚀等优良的物理化学性能，在光电器件及微电子器件等方面具有广泛的应用前景。

常规地，通过在诸如蓝宝石、碳化硅、硅衬底之类的异质衬底上长氮化镓外延层制作氮化镓器件。然而，由于使用了异质衬底，材料之间存在着晶格失配与热失配导致外延材料位错密度比较高，阻碍了相关器件性能的提升及其稳定性。特别是，在硅衬底上的GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件外延，晶格失配和热适配导致外延层有很多微细裂纹，现有的解决方法是通过在外延器件层与衬底之间生长应力调控层,诸如多超晶格、组分渐变AlGaN等，但是上述应力调控层存在工艺复杂，厚度大，生产效率低等问题，且效果有限。

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高电子迁移率晶体管的外延结构及其制备方法，用于解决现有技术中HEMT外延结构的工艺窗口较小、现有的应力调控层制造工艺耗时且工艺复杂、以及改善晶体质量的效果受限的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高电子迁移率晶体管的外延结构，所述高电子迁移率晶体管的外延结构包括：衬底，具有相对的第一主面和第二主面；应力补偿层，位于所述衬底的第二主面上，所述应力补偿层包括第一缓冲层，用于补偿与所述第二主面相对的所述第一主面上的外延层中的应力；位于所述衬底的第一主面上的第二缓冲层；器件功能层，所述器件功能层位于所述第二缓冲层上，所述器件功能层包括于所述第二缓冲层上外延生长的碳掺杂的GaN高阻层、非掺杂的GaN沟道层和AlGaN势垒层。

可选地，所述衬底为晶向为(111)的双面抛光的硅衬底，所述衬底的尺寸为6英寸或8英寸或12英寸。

可选地，所述应力补偿层还包括第一成核层，所述第一成核层设置于所述衬底与所述第一缓冲层之间，所述第一缓冲层包括AlN或AlGaN缓冲层。

可选地，所述第一成核层包括具有择优取向的多晶AlN层。

可选地，所述应力补偿层还包括覆盖层，所述覆盖层设置于所述第一缓冲层上，所述覆盖层包括GaN覆盖层。

可选地，所述外延结构包括第二成核层，所述第二成核层设置于所述衬底的第一主面与所述第二缓冲层之间，所述第二缓冲层包括一或多个AlGaN缓冲层，并且所述第二缓冲层具有0.5μm以下的厚度。

可选地，所述器件功能层还包括AlN空间层，所述AlN空间层设置于所述非掺杂的GaN沟道层与AlGaN势垒层之间。

可选地，所述器件功能层还包括盖帽层，所述盖帽层位于所述AlGaN势垒层上，所述盖帽层包括GaN盖帽层，其中所述AlGaN势垒层包含摩尔百分数为25％的Al组分。

本发明还提供一种GaN高电子迁移率晶体管，所述GaN高电子迁移率晶体管基于上述的高电子迁移率晶体管的外延结构制备