[发明专利]一种近似同质外延HEMT器件结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种近似同质外延HEMT器件结构，属于微电子技术领域，包括从下至上依次排布的衬底、低温成核层、石墨烯层一、缓冲层一、恢复层、石墨烯层二、缓冲层二、高阻层、沟道层以及势垒层，本发明可以大幅度降低材料的位错密度，提高晶格质量，从而提升HEMT器件的电子迁移率、击穿电压以及漏电流等特性，适用于高压大功率电子器件应用，通过插入石墨烯层易于剥离，可以有效的缓解蓝宝石于氮化镓层的热失配以及可以提高蓝宝石衬底和氮化镓薄膜衬底的利用率，有效降低成本。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件的外延制备，一种近似同质外延HEMT器件结构及其制备方法，制备的器件主要用于高压大功率应用场合。

背景技术

第三代半导体材料即宽禁带(Wide Band Gap Semiconductor，简称WBGS)半导体材料是继第一代硅、锗和第二代砷化镓、磷化铟等以后发展起来。在第三代半导体材料中，氮化镓(GaN)具有宽带隙、直接带隙、高击穿电场、较低的介电常数、高电子饱和漂移速度、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越性质，成为继锗、硅、砷化镓之后制造新一代微电子器件和电路的关键半导体材料。特别是高温、大功率、高频和抗辐照电子器件以及全波长、短波长光电器件方面具有得天独厚的优势，是实现高温与大功率、高频及抗辐射、全波长光电器件的理想材料，是微电子、电力电子、光电子等高新技术以及国防工业、信息产业、机电产业和能源产业等支柱产业进入21世纪后赖以继续发展的关键基础材料。

但由于氮化镓HEMT器件与异质衬底之间均存在较大的晶格失配，即使有成核层与AlGaN或GaN缓冲层在衬底与GaN层之间起到缓冲作用，最终生长得到的GaN层的晶体质量也不够好，进而影响HEMT的质量，这样就会降低器件击穿电压，减小电子迁移率，从而使当前氮化镓HEMT器件的性能远低于理论极限。

发明内容

本发明的目的在于克服目前氮化镓HEMT器件晶格质量较差的问题，提供了一种HEMT外延结构及其制备方法，能够提高HEMT器件的质量。

一种近似同质外延HEMT器件结构，包括从下至上依次排布的衬底、低温成核层、石墨烯层一、缓冲层一、恢复层、石墨烯层二、缓冲层二、高阻层、沟道层、势垒层。

优选的，所述衬底尺寸大小为2-8inch，材质为蓝宝石。

优选的，所述低温成核层是ALN、ALGaN、GaN其中任意一种或组合，生长温度400-700℃，薄膜厚度10-50nm。

优选的，所述石墨烯层一以及石墨烯层二的薄膜厚度均为0.3nm-2nm。二者便于剥离，且石墨烯具有高导电性，存于外延层中不会有其他影响。

优选的，所述缓冲层一、缓冲层二均是采用金属有机气相外延沉积非故意掺杂的氮化镓层，生长温度为900～1120℃，薄膜厚度在0.5～2um。

优选的，所述恢复层是采用金属有机气相外延沉积非故意掺杂生长形成的高质量的氮化镓薄膜层，较正常偏厚，薄膜厚度范围为5um-50um，其生长温度为1120～1150℃。

优选的，所述高阻层是采用金属有机气相外延沉积非故意掺杂生长形成的半绝缘高质量的氮化镓薄膜层，薄膜厚度范围为1um-5um。

优选的，所述沟道层采用金属有机气相外延沉积非故意掺杂生长形成的半绝缘高质量的氮化镓沟道薄膜层，薄膜厚度范围为50-200nm。

优选的，所述势垒层具体为铝镓氮势垒层，其结构式为Al_xGa_1-xN，其中0x1，厚度为5-35nm。

本发明的制备方法可选择将外延层长到恢复层后移出腔体，在石墨烯层一进行剥离，剥离出的缓冲层加恢复层为纯氮化镓薄膜继续作为衬底放回腔体生长后续层，同质外延生长完整的HEMT结构。剥离后的蓝宝石衬底可重复使用。