[发明专利]氮化镓基外延结构、半导体器件及其形成方法

说明书

本申请提供一种氮化镓基外延结构、半导体器件及其形成方法，该氮化镓(GaN)基外延结构包括：第一氮化镓层，其掺杂有第一浓度的碳(C)原子；第二氮化镓层，其掺杂有第二浓度的碳(C)原子，所述第二浓度小于所述第一浓度；以及，碳原子掺杂阻挡层，其位于所述第一氮化镓层和所述第二氮化镓层之间，用于阻挡碳原子在所述第一氮化镓层和所述第二氮化镓层之间扩散。本申请能够实现极大C掺杂的用于缓冲的高阻GaN层，同时能够获得低C掺杂且厚度较小的用于产生沟道的本征GaN层。

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种氮化镓基外延结构、半导体器件及其形成方法。

背景技术

氮化镓(GaN)基异质结构场效应晶体管(field-effect transistors,HFETs)被认为是下一代半导体器件，尤其在高功率和高频应用领域正受到广泛关注。GaN基异质结构场效应晶体管的主要优势，来自于GaN材料本身的优越材料特性(相比传统Si、Ge等传统半导体材料)，例如极佳的热力学和化学稳定性、高击穿电场、极化诱导的二维电子气(two-dimensional electron gas，2DEG，产生于AlGaN/GaN异质界面，既具有极高的载流子浓度又具备很高的迁移率)。

非故意掺杂的GaN由于N原子空位和背景O原子，都呈现为n型导电特性，这就阻碍器件的绝缘性能。在功率器件领域，良好的电学隔离性能可以减小截止漏电流，形成良好的沟道夹断性能和高击穿电压。因此，半绝缘的GaN材料在GaN基异质结构场效应晶体管制造中非常重要。通常，半绝缘的GaN材料通过故意引入受主态来补偿背景施主。常见的几种途径包括：一种是改变生长条件来引入本征缺陷，例如刃位错或其他位错，形成自我补偿效应；另一种是在GaN中外部掺入深能级掺杂原子，例如铁(Fe)或碳(C)原子，作为深能级受主。

然而，采用本征位错技术会导致比较差的器件可靠性，而且高压下本征位错会俘获电荷从而造成电流崩塌效应。采用Fe掺杂的GaN缓冲层则受限于很强的记忆效应，而且掺杂范围不能太大，其Fe掺杂的GaN绝缘性也较差，如果用高Fe掺杂，则同样也会造成电流崩塌效应。碳(C)掺杂的GaN则具有比较好的稳定性和更低记忆效应，而且其关断击穿电压也更好。但是，金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长的C掺杂GaN的生长温度低，因此，晶体质量较差。C掺杂引起的缺陷则会导致器件可靠性的衰退和电流崩塌效应。

为了克服上述C掺杂引起的相关问题，通常都会在C掺杂GaN缓冲层上再外延一层本征的GaN沟道层，形成AlGaN/GaN channel/high resistivity c-GaN的结构，二维电子气在AlGaN/uGaN界面形成，这样既通过c-GaN实现了较高的电学隔离性能，又利用本征uGaN作为导通沟道，避免了C掺杂引起的一系列问题。

专利文件1(US 20140209920A1，High Electron Mobility TransistorStructure)描述了一种典型的GaN基异质结构场效应晶体管的结构：第一击穿电压GaN层(GaN channel)/第二击穿电压GaN层/其他缓冲层，其中第一击穿电压GaN层其C掺杂小于1×10¹⁷CM^-3，第二击穿电压GaN层其C掺杂大于5×10¹⁸CM^-3。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本申请的发明人发现，上述专利文件1的结构存在如下问题：