[发明专利]一种在硅衬底上生长的氮化镓外延结构

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种在硅衬底上生长的氮化镓外延结构。

背景技术

GaN具有较大的直接禁带宽度（3.4ev）、高热导率、高电子饱和漂移速度等特点，因此已经成为目前半导体技术领域的研究热点。特别地，氮化镓基高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）是一种基于氮化物异质结构的新型电子器件。该器件具有高频、大功率的优异特性，广泛应用于无线通信基站、电力电子器件等信息收发、能量转换等领域。

由于AlGaN/GaN异质结构击穿电压大，因极化可产生高浓度二维电子气（2DEG），并具有很高的电子迁移率，因此在微波功率器件应用方面引起了广泛关注。如有时氮化镓晶体管的基板和有源器件之间的隔离电压超过300V，此时一高阻GaN层作为隔离层，这样使得氮化镓晶体管与底层绝缘，这种方法能以单片方式制造出任何结构的多个晶体管器件，并且本身就具有高效通用的散热机制，在器件和散热器之间不需要绝缘层，同时也减少漏电流，提高了AlGaN/GaN HEMT器件的功率密度及其高温、高频性能。因此在器件材料结构中外延生长高阻GaN层是十分必要的。

 

目前主要采用异质外延生长的办法在蓝宝石、SiC等衬底材料生长GaN外延层及器件。但是这两种衬底价格昂贵，而且这两种衬底的尺寸都比较小，增加了器件的制作成本。此外，蓝宝石衬底还有硬度极高，导电差，导热差等特点，对器件的制作和性能不利。Si作为目前最成熟的半导体材料，具有价格便宜，尺寸大，晶体质量高，导热能力好等优点，用Si作为外延层的衬底可大大降低器件的制作成本，提高经济效益。

但是，在Si衬底上生长一高阻厚膜GaN层的一个主要问题是在生长的过程中，特别是刚开始生长过程中，衬底上的Si原子会扩散到GaN层中，增加了Si施主的浓度，降低GaN的绝缘性，同时回炉时Ga原子会扩散到Si衬底上形成合金，并且Si原子会与N原子形成Si_xN_y非晶薄膜，Si_xN_y会阻止GaN在Si衬底表面的沉积，降低GaN的质量和表面形貌。

在硅衬底上生长高质量的GaN厚膜，超晶格结构因为能够消除应力和阻挡穿透位错被看作是有效的生长结构。目前主要采用而AlN/GaN超晶格层缓冲层的方法也有存在的问题，由于直接在Si衬底上生长超晶格比较困难，这样超晶格缓冲层的作用也比较微弱，也不能在很大程度上阻止Si原子以及Ga原子的扩散。

发明内容

本发明的目是提供一种在硅衬底上生长的氮化镓外延结构，该结构能有效的消除应力和阻挡穿透位错，阻止Si原子扩散到GaN层，并减少GaN层裂纹的形成。

本发明采用以下技术方案予以实现：一种在硅衬底上生长的氮化镓外延结构，从下到上依次包括硅衬底层，氮化铝成核层，渐变Al_XGa_1-XN缓冲层，周期性GaN/AlGaN超晶格插入层，氮化镓层。

优选地，所述硅衬底为硅（111）衬底。

优选地，所述AlN成核层的生长温度为1020-1060℃，厚度为95-350nm优选地，所述渐变Al_XGa_1-XN缓冲层中Al摩尔含量从下至上由0渐变到X，X为0.08-0.4。

优选地，所述缓冲层Al_XGa_1-XN的厚度为200-1000nm。

优选地，所述周期性GaN/AlGaN超晶格插入层的生长温度为1000-1300℃，生长周期为5-100，每周期生长GaN的厚度为1-20nm，AlGaN的厚度为1-20nm。

优选地，所述氮化镓层的厚度为0.5-3μm。

本发明的有益效果：本发明提供的这种氮化镓外延结构能够有效的阻止Si原子从衬底层扩散到GaN层中，减少了氮化镓外延层中的位错等缺陷密度，提高了半绝缘GaN的晶体质量和表面形貌，优化了生长工艺，降低了生长成本，提高了产品的良率。此外，该半绝缘氮化镓基高电子迁移率晶体管（HEMTs）具有更高的电子迁移速率、高功率密度等优点。

附图说明  

图1为本发明所述的在硅衬底上生长的氮化镓外延结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均在本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1