[实用新型]基于Si衬底的GaN基射频器件外延结构

说明书

本实用新型公开了基于Si衬底的GaN基射频器件外延结构。该外延结构从下至上由依次层叠的Si衬底、AlN成核层、AlGaN缓冲层、GaN：Fe/GaN高阻层、GaN超晶格层、GaN沟道层、AlGaN势垒层和GaN帽层组成；GaN：Fe/GaN高阻层由故意铁掺杂GaN层和非故意掺杂GaN层交替连接组成；GaN超晶格层由低压/低V/III比GaN层和高压/高V/III比GaN层周期性交替连接组成。本实用新型外延结构晶体质量高、缓冲层背景载流子浓度低、沟道载流子限域性好、泄漏电流小，制备的器件具有高击穿电压、高电流密度、低关态漏电、以及优良的夹断特性，且高温、高频下性能退化小，制造成本低。

技术领域

本实用新型涉及半导体器件，特别是涉及一种基于Si衬底的GaN基射频器件外延结构，该GaN基射频器件外延结构可用于适用于高频率、高功率的无线通信、雷达等领域；属于微电子技术领域。

背景技术

随着现代武器装备和航空航天、核能、通信技术、汽车电子、开关电源的发展，对半导体器件的性能提出了更高的要求。作为宽禁带半导体材料的典型代表，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强高、热导率高、稳定性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。另外，GaN还具有优良的电子特性，可以和AlGaN形成调制掺杂的AlGaN/GaN异质结构，该结构在室温下可以获得高于 1500cm²/Vs的电子迁移率，以及高达3×10⁷cm/s的峰值电子速度和2×10⁷cm/s的饱和电子速度，并获得比第二代化合物半导体异质结构更高的二维电子气密度，被誉为是研制微波功率器件的理想材料。因此，基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管HEMT在微波大功率器件方面具有非常好的应用前景。

SiC和Si是GaN基微波功率器件的主要衬底材料。其中，SiC衬底材料具有晶格失配小、位错密度低、导热性能好等特点，在SiC衬底上生长的GaN材料晶体质量高、漏电低，同时，由于SiC衬底导热性能好，能有效降低高功率密度的GaN基微波功率器件的自热效应。因此，SiC是制作高频、大功率GaN基微波功率器件的主要衬底材料。SiC衬底材料的主要制约因素是成本较高，导致基于SiC衬底的GaN基微波功率目前只能应用在有源相控阵雷达、卫星等军用领域。

相较于SiC衬底，Si衬底在低成本和大晶圆制备方面颇具优势，大尺寸(>12寸的Si衬底制备技术已十分成熟，同时，基于Si衬底的GaN材料可与Si工艺兼容从而实现大规模量产。因此，在低成本、高产能需求的通信卫星、低功率器件、有线电视等商业领域，基于Si衬底的GaN材料具更高竞争力。目前，在大尺寸Si衬底上生长平整的GaN基外延材料的主要困难是，由于GaN和Si衬底之间存在巨大的晶格失配(-17％和热失配(116％，导致晶圆翘曲度高、材料均匀性差、GaN晶体质量差，所以缺陷密度高(包括位错和背景杂质、进而材料的漏电高，造成器件的可靠性问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述已有技术的缺陷，从器件纵向结构的优化角度提出一种基于Si衬底的GaN基射频器件外延结构，提高外延材料晶体质量和性能，减小材料漏电，降低工艺难度，提高器件的可靠性。

本实用新型的目的至少通过如下技术方案实现。

一种基于Si衬底的GaN基射频器件外延结构，从下至上由依次层叠的Si衬底、AlN成核层、AlGaN缓冲层、GaN：Fe/GaN高阻层、GaN超晶格层、GaN沟道层、AlGaN势垒层和GaN帽层组成；其中，GaN：Fe/GaN高阻层由故意铁掺杂GaN层和非故意掺杂GaN层交替连接组成；所述的故意铁掺杂GaN层和非故意掺杂GaN层每层的厚度都为100nm～ 200nm；GaN超晶格层由低压/低V/III比GaN层和高压/高V/III比GaN层周期性交替连接组成；所述的低压/低V/III比GaN层和高压/高V/III比GaN层每层的厚度都为20～50nm。