一种基于Si衬底的超晶格异质结外延结构

本技术属于半导体器件，特别是涉及一种基于si衬底的超晶格异质结外延结构。

背景技术：

1、gan材料由于具有高热导率、宽禁带宽度、高击穿场强和高电子饱和速度等特点，以及氮化物异质结较强的极化效应形成了高迁移率和载流子面密度的二维电子气(2deg)，使得gan基高电子迁移率晶体管(hemt)器件具有高电流驱动能力、高输出功率密度和高工作频率等优势。因此，gan基hemt器件在高频应用方面占据极大优势。

2、近年来，gan基hemt器件得到了迅速的发展，但是在实际应用中也存在很多问题。例如，在高温、高压的情况下，gan基hemt器件沟道中电子被强电场加速成为高能热电子，溢出量子阱之外，严重退化器件的性能。目前研究者们提出了背势垒结构技术、新型势垒层(如alinn、alingan)和新型沟道层(如ingan)等，抬高势垒层和缓冲层侧的导带高度，抑制沟道电子的溢出，改善gan基hemt器件的可靠性。但是，常规的algan背势垒结构一方面会削弱异质结极化效应，降低器件的饱和输出电流密度；另一方面，由于晶格失配较大，导致高al组分algan材料晶体质量较差。此外，高晶体质量的新型势垒层和沟道层的外延生长难度也较大(一种高迁移率晶体管的外延结构202221528720.1)。

技术实现思路

1、本实用新型针对现有gan基hemt器件中因较差2deg限域性造成的可靠性问题，提出了一种基于si衬底的超晶格异质结hemt器件外延结构，采用超晶格结构作为gan基hemt器件的势垒层和沟道层，同时抬高势垒层和缓冲层侧的导带高度，提高沟道中的2deg限域性。一方面，缓解了背势垒结构对异质结中极化效应的削弱；另一方面，超晶格结构利用晶格自身的应变阻挡位错的向上延伸，利于改善外延生长材料的晶体质量。

2、本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种基于si衬底的超晶格异质结外延结构，包括自下向上依次层叠的晶向为的si衬底、aln成核层、algan应力调控层、高阻gan缓冲层、gan/aln超晶格沟道层、aln/gan超晶格势垒层和gan帽层；

4、其中，所述gan/aln超晶格沟道层包括多个周期排列的aln单层和gan单层；aln/gan超晶格势垒层包括多个周期排列的gan单层和aln单层。

5、进一步地，所述aln成核层、algan应力调控层、高阻gan缓冲层、gan/aln超晶格沟道层、aln/gan超晶格势垒层和gan帽层均采用金属有机物化学气相沉积技术生长。

6、进一步地，所述si衬底是尺寸为6-8英寸，厚度为800-1200μm的异质si衬底。

7、进一步地，所述aln成核层的厚度为100-200nm；所述algan应力调控层厚度为300-400nm，algan应力调控层中的al组分为0.25-0.30。

8、进一步地，所述高阻gan缓冲层厚度为1.0-1.5μm，采用p型掺杂技术实现高阻缓冲层，以此降低器件的缓冲层泄漏电流。

9、进一步地，所述gan/aln超晶格沟道层的总厚度为100-200nm；

10、gan/aln超晶格沟道层中，aln单层和gan单层的厚度分别为1-2nm和2-4nm；

11、在超晶格单个周期中，aln单层生长于gan单层之上；

12、且满足aln单层厚度小于gan单层厚度，超晶格周期大于10个周期。

13、进一步地，所述aln/gan超晶格势垒层的总厚度为20-30nm；

14、aln/gan超晶格势垒层中，aln单层和gan单层的厚度分别为2-4nm和1-2nm；

15、在超晶格单个周期中，gan单层生长于aln单层之上；

16、超晶格周期小于10个周期。

17、进一步地，所述gan帽层位于aln/gan超晶格势垒层之上，对应生长厚度为1-3nm。

18、本实用新型的基于si衬底的超晶格异质结外延结构的可以通过如下步骤制备：

19、s1、对si衬底表面进行退火处理；

20、s2、在si衬底表面预铺al；

21、s3、在预铺al之后si衬底上的生长aln成核层；

22、s4、在aln成核层之上生长algan应力调控层；

23、s5、在algan应力调控层基础上生长高阻gan缓冲层，生长温度为1030℃，厚度为1.0-1.5μm；

24、s6、外延生长gan/aln超晶格沟道层；

25、s7、外延生长aln/gan超晶格势垒层；

26、s8、在aln/gan超晶格势垒层的基础上外延gan帽层。

27、步骤s1中，将si衬底置于石墨盘凹坑中，并通过机械手臂传送进金属有机化学气相化学沉积k465i设备的腔体中，在温度为1090℃和腔体压力75torr的环境下对si衬底表面进行退火处理；

28、对应腔体温度为855℃，抑制多晶sinx的形成，以此缓解对外延晶体质量的恶化；

29、步骤s3中，生长温度范围为1045-1090℃，厚度为100-200nm；

30、步骤s4中，生长温度范围为1045-1070℃，厚度为300-400nm；

31、步骤s5中，生长温度为1030℃，厚度为1.0-1.5μm；

32、步骤s6中，生长温度范围1030-1050℃，腔体压强200torr，每个周期中反应源间隔通入反应室，先通入三甲基镓源，再通入三甲基铝源；

33、步骤s7中，生长温度范围1030-1070℃，腔体压强200torr，每个周期中反应源间隔通入反应室，先通入三甲基铝源，再通入三甲基镓源。

34、相对于现有技术，本实用新型具有如下优点：

35、本实用新型针对现有gan基hemt器件中因较差2deg限域性导致的可靠性问题，提出一种基于si衬底的超晶格异质结hemt器件外延结构。一方面，超晶格沟道层抬高了gan缓冲层侧的导带高度，有效阻挡了沟道电子的溢出，增强2deg限域性，超晶格势垒层亦是如此，从而抑制了沟道电子溢出导致的可靠性问题，如沟道电子被缓冲层、势垒层中陷阱态或界面陷阱态捕获导致的电流崩塌效应、晶格碰撞产生新的缺陷等。另一方面，超晶格结构利用晶格自身应变有效阻挡位错的向上延伸，改善异质结晶体质量，从而进一步提高gan基hemt器件的可靠性。

技术特征：

1.一种基于si衬底的超晶格异质结外延结构，其特征在于：包括自下向上依次层叠的晶向为(111)的si衬底(1)、aln成核层(2)、algan应力调控层(3)、高阻gan缓冲层(4)、gan/aln超晶格沟道层(5)、aln/gan超晶格势垒层(6)和gan帽层(7)；

2.根据权利要求1所述的一种基于si衬底的超晶格异质结外延结构，其特征在于：所述aln成核层(2)、algan应力调控层(3)、高阻gan缓冲层(4)、gan/aln超晶格沟道层(5)、aln/gan超晶格势垒层(6)和gan帽层(7)均采用金属有机物化学气相沉积mocvd技术生长。

3.根据权利要求1所述的一种基于si衬底的超晶格异质结外延结构，其特征在于：所述si衬底(1)的尺寸为6-8英寸，厚度为800-1200μm的异质si衬底。

4.根据权利要求1所述的一种基于si衬底的超晶格异质结外延结构，其特征在于：所述aln成核层(2)的厚度为100-200nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于si衬底的超晶格异质结外延结构，其特征在于：所述algan应力调控层(3)厚度为300-400nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于si衬底的超晶格异质结外延结构，其特征在于：所述高阻gan缓冲层(4)厚度为1.0-1.5μm，采用p型掺杂技术实现高阻缓冲层，以此降低器件的缓冲层泄漏电流。

7.根据权利要求1所述的一种基于si衬底的超晶格异质结外延结构，其特征在于：所述gan/aln超晶格沟道层(5)的总厚度为100-200nm。

8.根据权利要求1所述的一种基于si衬底的超晶格异质结外延结构，其特征在于：

9.根据权利要求1所述的一种基于si衬底的超晶格异质结外延结构，其特征在于：所述aln/gan超晶格势垒层(6)的总厚度为20-30nm；

10.根据权利要求1所述的一种基于si衬底的超晶格异质结外延结构，其特征在于：所述gan帽层(7)位于aln/gan超晶格势垒层(6)之上，对应生长厚度为1-3nm。

技术总结
本技术公开了一种基于Si衬底的超晶格异质结外延结构。所述外延结构包括：Si衬底、AlN成核层、AlGaN应力调控层、高阻GaN缓冲层、GaN/AlN超晶格沟道层、AlN/GaN超晶格势垒层和GaN帽层。本技术采用GaN/AlN超晶格结构作为沟道层、AlN/GaN超晶格结构作为势垒层，同时提高提高缓冲层和势垒层侧的二维电子气限域性，缓解HEMT器件在电应力和高温下的退化，改善器件的可靠性；与此同时，超晶格异质结中更强的极化强度加深了二维势阱深度，提高器件的饱和输出电流密度，从而增强器件的电流驱动能力，非常适合于射频器件等应用。

技术研发人员：王洪,陈玲,王楷,方溢,沈霈
受保护的技术使用者：中山市华南理工大学现代产业技术研究院
技术研发日：20230915
技术公布日：2024/7/9