一种氮化镓HEMT外延结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体材料外延生长，更具体地说，涉及一种氮化镓hemt外延结构及其制备方法。

背景技术：

1、氮化镓（gan）基高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor,hemt）凭借其宽禁带、高击穿电场、高饱和电子漂移速度等优异特性，在射频功放、电力电子开关等领域具有广阔的应用前景。然而，高质量、大尺寸的gan单晶衬底制备困难且价格昂贵，严重制约了其规模化应用。为此，业界普遍采用在硅（si）衬底上异质外延gan的技术路线，以利用si衬底成本低、尺寸大、与现有cmos工艺兼容的优势。

2、现有技术通常在si衬底与gan层之间引入缓冲层结构，例如在si衬底与gan之间引入3c-sic插入层，利用3c-sic与gan的较小晶格失配来改善外延质量。然而，现有技术中3c-sic插入层通常为均匀掺杂。这种设计虽能起到隔离应力作用，但对垂直方向电场分布的调控能力有限，在高电压、高频应用场景下，3c-sic插入层存在漏电和击穿电压不足的问题。

3、因此，亟需一种能够更有效调控插入层电场、进一步降低漏电风险并提升击穿电压的新型外延结构。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种氮化镓hemt外延结构及其制备方法，以解决上述提出的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种氮化镓hemt外延结构的制备方法，包括以下步骤：

4、s200，在衬底表面生长3c-sic梯度掺杂插入层：衬底为si衬底，在1050-1250℃下，向mocvd反应室内衬底表面通入硅源气体、碳源气体和深能级掺杂源气体，在生长过程中调整深能级掺杂源气体流量，从而在衬底表面生长掺杂浓度沿垂直方向呈梯度变化的3c-sic梯度掺杂插入层，梯度变化配置为：越靠近衬底，3c-sic梯度掺杂插入层的掺杂浓度越低；

5、s400，生长aln成核层；

6、s500，在aln成核层表面生长缓冲层；

7、s600，在缓冲层表面生长gan沟道层；

8、s700，在gan沟道层表面生长势垒层。

9、可选地，在s200之前还包括s100的步骤如下：

10、s100，将si衬底装入mocvd反应腔，在h2环境下进行高温热处理。

11、可选地，s500，在aln成核层表面依次生长gan缓冲层和algan缓冲层。

12、可选地，s700，在gan沟道层表面生长的势垒层为algan层。

13、可选地，在s700生长势垒层之后，还包括s800在algan势垒层表面生长gan帽层的步骤。

14、可选地，在s200之后，s400之前，还包括s300在3c-sic梯度掺杂插入层表面生长扩散阻挡层的步骤如下：在700-900℃温度下，外延生长5-20nm的非掺杂aln层；

15、s400，在扩散阻挡层表面生长aln成核层，生长过程中的环境温度高于1000℃。

16、可选地，s200，在深能级掺杂源气体为铁源气体，铁源气体采用鼓泡法输送：将载气通入装有二茂铁固体的不锈钢鼓泡罐，载气为h2或n2，罐体温度控制在60-100℃，通过调节载气流量来调整通入到mocvd反应室内的铁源气体流量。

17、可选地，s200，采用mocvd方法生长3c-sic梯度掺杂插入层：环境温度保持在1100-1400℃，硅源流量为40-80sccm，碳源流量为10-30sccm，c原子和si原子的流量摩尔比为0.8-1，载气的起始流量为2-5sccm，载气的起始流量对应铁掺杂浓度约0.5×1017-2×1017cm-³，生长过程中载气流量线性增加至终流量，载气的终流量为15-25sccm，载气的终流量对应铁掺杂浓度为3×1019-7×1019cm-³，生长时间20-40min，3c-sic梯度掺杂插入层的总厚度为100-300nm。

18、可选地，s200，生长得到的3c-sic梯度掺杂插入层包括两层以上的掺杂子层，两层以上掺杂子层沿垂直方向分布并层叠连接，掺杂子层为均相层，不同掺杂子层中的掺杂浓度不同，沿垂直方向呈梯度变化。

19、根据本发明的另一方面提供一种氮化镓hemt外延结构，采用前述的制备方法制备得到。

20、本发明提供的氮化镓hemt外延结构制备方法，通过在3c-sic插入层的生长过程中动态调节深能级掺杂源气体的流量，使该插入层的掺杂浓度沿垂直方向形成梯度变化，并且越靠近衬底一侧掺杂浓度越低。在这一梯度分布中，沿垂直方向向上逐渐背离衬底，掺杂浓度逐步升高，深能级掺杂浓度的增加使得区域更加绝缘，在高电压环境下对载流子从沟道层向插入层内部的纵向输运构成更强的势垒阻挡，提升了插入层整体的耐压能力；底部靠近衬底的低掺杂区域由于深能级掺杂浓度较低，其相对于高掺杂区域具有更高的本征导电性，在器件承受高电压时，该低掺杂区域能够沿垂直方向承担更大的电压降，从而将原本容易集中分布于插入层局部的电场向衬底方向分散并展宽，有效抑制了局部电场的过度集中。上部高掺杂区与底部低掺杂区之间通过生长过程中气体流量的连续渐变实现平滑过渡，避免了掺杂突变带来的电场尖峰，使得电场在整个插入层厚度方向上呈均匀平缓的分布，协同配合提升了外延结构的垂直击穿电压。

21、本发明在si衬底与gan层之间引入的3c-sic插入层，其晶格常数介于si与gan之间。通过该插入层的过渡，本发明有效缓解了衬底与gan的晶格失配所产生的巨大应力问题，同时3c-sic的热膨胀系数也介于si与gan之间，降低了后续高温外延过程中因热失配引起的翘曲和开裂风险。本发明的梯度掺杂方式仅改变插入层中的掺杂浓度分布，并未改变3c-sic的立方晶格结构，因此该插入层在实现电场调控和漏电抑制的同时，依然能够充分发挥其作为晶格过渡层和应力缓冲层的核心作用，显著降低了外延层中的穿透位错密度，为后续aln成核层、缓冲层、gan沟道层和势垒层的高质量生长提供了优质的基底条件，从而从源头上提升了整个外延结构的晶体完整性和器件长期可靠性。

22、此外，3c-sic材料本身具有高电阻率和低介电损耗的特性，在高频信号传输过程中能够有效减少电磁能量的耗散。本发明所生长的3c-sic梯度掺杂插入层，尽管内部掺杂浓度存在梯度变化，但掺杂元素的引入并未破坏3c-sic的能带结构和极化特性，其整体依然保持3c-sic固有的优异高频绝缘性能，不会因梯度掺杂而引入额外的射频损耗或寄生效应。因此，本发明能够降低高频下的传输损耗，使得所制备的hemt器件在高频应用场景中具备更低的插入损耗和更高的功率增益。

1.一种氮化镓hemt外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的氮化镓hemt外延结构的制备方法，其特征在于，在s200之前还包括s100的步骤如下：

3.根据权利要求1所述的氮化镓hemt外延结构的制备方法，其特征在于，s500，依次生长algan缓冲层和gan缓冲层。

4.根据权利要求1所述的具有梯度掺杂插入层的氮化镓hemt外延结构的制备方法，其特征在于，s700生长的势垒层为algan层。

5.根据权利要求1所述的氮化镓hemt外延结构的制备方法，其特征在于，在s700生长势垒层之后，还包括s800生长gan帽层的步骤。

6.根据权利要求1所述的氮化镓hemt外延结构的制备方法，其特征在于，在s200之后，s400之前，还包括s300在3c-sic梯度掺杂插入层表面生长扩散阻挡层的步骤如下：在700-900℃温度下，外延生长5-20nm的非掺杂aln层；

7.根据权利要求1所述的氮化镓hemt外延结构的制备方法，其特征在于，s200，在深能级掺杂源气体为铁源气体，所述铁源气体采用鼓泡法输送：将载气通入装有二茂铁固体的不锈钢鼓泡罐，载气为h2或n2，罐体温度控制在60-100℃，通过调节载气流量来调整通入到mocvd反应室内的铁源气体流量。

8.根据权利要求1所述的氮化镓hemt外延结构的制备方法，其特征在于，s200，采用mocvd方法生长3c-sic梯度掺杂插入层：环境温度保持在1100-1400℃，硅源流量为40-80sccm，碳源流量为10-30sccm，c原子和si原子的流量摩尔比为0.8-1，载气的起始流量为2-5sccm，载气的起始流量对应铁掺杂浓度约0.5×1017-2×1017cm-³，生长过程中载气流量线性增加至终流量，载气的终流量为15-25sccm，载气的终流量对应铁掺杂浓度为3×1019-7×1019cm-³，生长时间20-40min，3c-sic梯度掺杂插入层的总厚度为100-300nm。

9.根据权利要求1所述的氮化镓hemt外延结构的制备方法，其特征在于，s200，生长得到的3c-sic梯度掺杂插入层包括两层以上的掺杂子层，两层以上掺杂子层沿垂直方向分布并层叠连接，掺杂子层为均相层，不同掺杂子层中的掺杂浓度不同，沿垂直方向呈梯度变化。

10.一种氮化镓hemt外延结构，其特征在于，采用权利要求1-9任一所述的制备方法制备得到。