增强型GaN基HEMT器件、器件外延及其制备方法
阅读说明：本技术 增强型GaN基HEMT器件、器件外延及其制备方法 (Enhanced GaN-based HEMT device, device epitaxy and preparation method thereof ) 是由 马旺 陈龙 程静云 陈祖尧 王洪朝 袁理 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种增强型GaN基HEMT器件、器件外延及其制备方法,该外延自下向上依次包括形成于衬底上的C掺杂c-GaN高阻层、本征u-GaN沟道层、AlGaN势垒层、阻镁扩散层及Mg掺杂p-GaN帽层；阻镁扩散层包括Mg掺杂p-AlGaN层,且该Mg掺杂p-AlGaN层中的Mg以Mg-H键的形式被充分钝化,以降低Mg的活性,同时Mg掺杂p-AlGaN层中Mg的掺杂浓度大于所述Mg掺杂p-GaN帽层中Mg的掺杂浓度。由于将阻镁扩散层结构中Mg掺杂p-AlGaN层的Mg设置为Mg-H键的形式使Mg被钝化,可有效降低Mg的活性同时Mg掺杂p-AlGaN层中Mg的掺杂浓度大于Mg掺杂p-GaN帽层中Mg的掺杂浓度,两者形成一定的Mg浓度差,可以有效阻断Mg掺杂p-GaN帽层中的Mg向下扩散,从而有效阻挡和降低Mg掺杂p-GaN帽层中的Mg扩散至AlGaN势垒层及本征u-GaN沟道层,提高器件的导通性能。(The invention provides an enhanced GaN-based HEMT device, device epitaxy and a preparation method thereof, wherein the epitaxy sequentially comprises a C-doped C-GaN high-resistance layer, an intrinsic u-GaN channel layer, an AlGaN barrier layer, a magnesium-resistant diffusion layer and a Mg-doped p-GaN cap layer which are formed on a substrate from bottom to top; the magnesium diffusion resisting layer comprises a Mg-doped p-AlGaN layer, Mg in the Mg-doped p-AlGaN layer is fully passivated in a Mg-H bond mode to reduce the activity of the Mg, and meanwhile the doping concentration of the Mg in the Mg-doped p-AlGaN layer is larger than that of the Mg in the Mg-doped p-GaN cap layer. Because the Mg of the Mg-doped p-AlGaN layer in the structure of the magnesium diffusion resistance layer is arranged in a Mg-H bond mode to passivate the Mg, the activity of the Mg can be effectively reduced, meanwhile, the doping concentration of the Mg in the Mg-doped p-AlGaN layer is greater than that of the Mg in the Mg-doped p-GaN cap layer, a certain Mg concentration difference is formed between the Mg and the Mg, the Mg in the Mg-doped p-GaN cap layer can be effectively blocked from diffusing downwards, the Mg in the Mg-doped p-GaN cap layer can be effectively blocked and reduced from diffusing to the AlGaN barrier layer and the intrinsic u-GaN channel layer, and the conduction performance of the device is improved.)
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，特别是涉及一种增强型GaN基HEMT器件、器件外延及其制备方法。
背景技术
宽禁带半导体是继硅和砷化镓之后的第三代半导体材料，近年来越来越受到人们的重视，目前广泛研究的主要包含了III-V族与II-VI族化合物半导体材料、碳化硅(SiC)和金刚石薄膜等，在蓝绿光LED、紫外光LED、LD、探测器和微波功率器件等方面获得了广泛的应用。由于其优良的特性和广泛的应用，受到广泛的关注。特别是Ⅲ-Ⅴ族半导体材料中的氮化镓(GaN)材料，由于其在半导体照明领域的商业化应用，成为了当今全球半导体领域的研究热点。
GaN作为第三代半导体，具有禁带宽度大、击穿场强高、电子迁移率高、以及耐热特性和抗辐射性能良好等优异的半导体性能，非常适合应用于高温、高频、高功率及高击穿电压电力电子器件当中。基于AlGaN/GaN异质结处二维电子气的HEMT器件成为现阶段电力电子器件的研究热点并展现出极大的应用潜力。
与Si基电力电子器件不同，目前GaN基电力电子器件在应用时衬底和掺杂技术都还没有完全解决，在制作GaN基电力电子器件时，更多的是利用GaN材料体系异质结结构处的二维电子气来实现。而二维电子气是由于GaN基异质结中存在着较强的自发极化和压电极化作用在AlGaN/GaN界面处形成的，因此，常规的GaN基HEMT是耗尽型器件，也称常开型器件。在实际电路应用中，耗尽型器件需要一个负压电源将器件关闭，这不仅增加了电路误开启的危险，也增加了整个电路的功耗。所以，增强型GaN基HEMT器件更适用于电力电子电路的设计，是目前的研究热点。在增强型AlGaN/GaN HEMT器件的实现过程中，主要的目的是通过各种技术手段将栅下的二维电子气耗尽，使得当栅极不加偏置时，器件处于关闭状态。目前科学界实现增强型GaN基HEMT器件主要的方法有：pGaN增强型技术(p型盖帽层技术)、薄势垒层结构、槽栅结构、氟离子注入技术等，而目前最为常用的就是p型盖帽层技术。
但是由于在pGaN增强型HEMT中，pGaN的Mg容易扩散至AlGaN势垒层和沟道层中，从而使器件的比导通电阻增大，影响器件性能。因此，有必要提出一种增强型GaN基HEMT器件结构及生长工艺，以阻挡和降低pGaN中的Mg扩散至AlGaN势垒层和沟道层，提升器件的导通性能。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种增强型GaN基HEMT器件、器件外延及其制备方法，用于解决现有技术中pGaN盖帽层中的Mg容易扩散至AlGaN势垒层和沟道层中，从而使器件的比导通电阻增大，影响器件性能等的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种增强型GaN基HEMT器件外延，所述外延自下向上依次包括形成于衬底上的：C掺杂c-GaN高阻层、本征u-GaN沟道层、AlGaN势垒层、阻镁扩散层及Mg掺杂p-GaN帽层；
所述阻镁扩散层包括Mg掺杂p-AlGaN层，且该Mg掺杂p-AlGaN层中的Mg以Mg-H键的形式被充分钝化，以降低Mg的活性，同时该Mg掺杂p-AlGaN层中Mg的掺杂浓度大于所述Mg掺杂p-GaN帽层中Mg的掺杂浓度，以阻断所述Mg掺杂p-GaN帽层中的Mg向下扩散。
进一步地，所述阻镁扩散层还包括GaN帽层，且所述GaN帽层形成于所述阻镁扩散层的最上层。
进一步地，所述Mg掺杂p-AlGaN层的厚度介于1nm～30nm之间，所述GaN帽层的厚度不大于40nm。
可选地，采用氢气退火工艺形成所述Mg掺杂p-AlGaN层的Mg-H键。
进一步地，形成所述Mg掺杂p-AlGaN层的Mg-H键包括：先于所述Mg掺杂p-AlGaN层上形成InN层，然后采用氢气退火工艺形成所述Mg掺杂p-AlGaN层的Mg-H键，所述InN层在氢气退火过程中受热完全分解，以保证所述Mg掺杂p-AlGaN层不被氢气退火工艺影响而界面受到破坏。
进一步地，所述InN层的厚度不大于10nm。
可选地，所述衬底与所述C掺杂c-GaN高阻层之间形成有缓冲层。
可选地，所述Mg掺杂p-AlGaN层中Mg的掺杂浓度介于5.5E+18cm-3～8E+19cm-3之间，所述Mg掺杂p-GaN帽层中Mg的掺杂浓度介于5E+18cm-3～7.5E+19cm-3之间。
本发明还提供一种增强型GaN基HEMT器件，所述HEMT器件基于如上所述任意一项的增强型GaN基HEMT器件外延制备得到。
本发明还提供一种增强型GaN基HEMT器件外延的制备方法，所述制备方法包括：
提供衬底；
采用MOCVD工艺于所述衬底上依次沉积C掺杂c-GaN高阻层、本征u-GaN沟道层、AlGaN势垒层、阻镁扩散层及Mg掺杂p-GaN帽层；其中，所述阻镁扩散层包括Mg掺杂p-AlGaN层，且该Mg掺杂p-AlGaN层中的Mg通过在H2的氛围中退火形成为Mg-H键的形式被充分钝化，以降低Mg的活性，同时该Mg掺杂p-AlGaN层中Mg的掺杂浓度大于所述Mg掺杂p-GaN帽层中Mg的掺杂浓度，以阻断所述Mg掺杂p-GaN帽层中的Mg向下扩散。
可选地，所述阻镁扩散层的沉积参数为：生长温度介于700℃～1160℃之间，生长压力介于20mbar～500mbar之间。
可选地，形成所述Mg掺杂p-AlGaN层中的Mg-H键包括：先于所述Mg掺杂p-AlGaN层上形成InN层；然后在形成所述InN层后进行H2氛围的退火以使所述Mg掺杂p-AlGaN层中的Mg被充分钝化形成为Mg-H键形式，且所述InN层在H2退火过程中受热完全分解，以保证所述Mg掺杂p-AlGaN层不被H2退火工艺影响而界面受到破坏。
本发明还提供一种增强型GaN基HEMT器件的制备方法，所述制备方法包括如上所述的任意一项增强型GaN基HEMT器件外延的制备方法。
如上所述，本发明的增强型GaN基HEMT器件、器件外延及其制备方法，通过在AlGaN势垒层与Mg掺杂p-GaN帽层之间设置阻镁扩散层，由于将阻镁扩散层结构中Mg掺杂p-AlGaN层的Mg以Mg-H键的形式被充分钝化，由于Mg-H键的键强很大，可有效降低Mg的活性，从而Mg掺杂p-AlGaN层的Mg几乎不可能向下扩散至AlGaN势垒层及本征u-GaN沟道层，同时Mg掺杂p-AlGaN层中Mg的掺杂浓度大于Mg掺杂p-GaN帽层中Mg的掺杂浓度，两者形成一定的Mg浓度差，可以有效阻断Mg掺杂p-GaN帽层中的Mg向下扩散，从而有效阻挡和降低Mg掺杂p-GaN帽层中的Mg扩散至AlGaN势垒层及本征u-GaN沟道层，降低器件的比导通电阻，提高器件的导通性能。
附图说明
图1显示为本发明的增强型GaN基HEMT器件外延的结构示意图。
图2显示为本发明的增强型GaN基HEMT器件外延在制备过程中阻镁扩散层一示例的结构示意图。
图3显示为本发明的增强型GaN基HEMT器件外延中阻镁扩散层一示例的结构示意图。
元件标号说明
10 衬底
11 C掺杂c-GaN高阻层
12 本征u-GaN沟道层
13 AlGaN势垒层
14 阻镁扩散层
141 Mg掺杂p-AlGaN层
142 InN层
143 GaN帽层
15 Mg掺杂p-GaN帽层
16 缓冲层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可根据实际需要进行改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种增强型GaN基HEMT器件外延，所述外延自下向上依次包括形成于衬底10上的：C掺杂c-GaN高阻层11、本征u-GaN沟道层12、AlGaN势垒层13、阻镁扩散层14及Mg掺杂p-GaN帽层15；
如图2及图3所示，所述阻镁扩散层14包括Mg掺杂p-AlGaN层141，且该Mg掺杂p-AlGaN层141中的Mg以Mg-H键的形式被充分钝化，以降低Mg的活性，同时该Mg掺杂p-AlGaN层141中Mg的掺杂浓度大于所述Mg掺杂p-GaN帽层15中Mg的掺杂浓度，以阻断所述Mg掺杂p-GaN帽层15中的Mg向下扩散。
本实施例的增强型GaN基HEMT器件外延，通过在AlGaN势垒层13与Mg掺杂p-GaN帽层15之间设置阻镁扩散层14，由于将阻镁扩散层14结构中Mg掺杂p-AlGaN层141的Mg以Mg-H键的形式被充分钝化，由于Mg-H键的键强很大，可有效降低Mg的活性，从而Mg掺杂p-AlGaN层141的Mg几乎不可能向下扩散至AlGaN势垒层13及本征u-GaN沟道层12，同时Mg掺杂p-AlGaN层141中Mg的掺杂浓度大于Mg掺杂p-GaN帽层15中Mg的掺杂浓度，两者形成一定的Mg浓度差，可以有效阻断Mg掺杂p-GaN帽层15中的Mg向下扩散，从而有效阻挡和降低Mg掺杂p-GaN帽层15中的Mg扩散至AlGaN势垒层13及本征u-GaN沟道层12，降低器件的比导通电阻，提高器件的导通性能。
如图1所示，作为示例，所述衬底10与所述C掺杂c-GaN高阻层11之间形成有缓冲层16，所述缓冲层16用于缓解所述衬底10与所述C掺杂c-GaN高阻层11之间的晶格失配与热失配，提高外延结构的生长质量。作为示例，所述C掺杂c-GaN高阻层11的掺杂浓度可以根据实际的电阻特性需要进行掺杂，一般选择所述C掺杂c-GaN高阻层11的掺杂浓度介于1E+18cm-3～3E+19cm-3之间，但也不限于此。
原则上只要所述Mg掺杂p-AlGaN层141中Mg的掺杂浓度大于所述Mg掺杂p-GaN帽层15中Mg的掺杂浓度即可实现对Mg掺杂p-GaN帽层15中Mg的扩散阻挡效果，据此可知，两者之间Mg的浓度差越大，阻挡效果越好，所以可以通过对生长条件的调整，使Mg掺杂p-AlGaN层141中Mg掺杂浓度得到调控，做到越高越好，甚至可以做到Mg掺杂p-AlGaN层141的Mg掺杂浓度近乎饱和。在实际中，一般使Mg掺杂p-AlGaN层141中Mg的掺杂浓度介于5.5E+18cm-3～8E+19cm-3之间，Mg掺杂p-GaN帽层15中Mg的掺杂浓度介于5E+18cm-3～7.5E+19cm-3之间，包括端点值。
作为示例，可以采用氢气退火工艺形成所述Mg掺杂p-AlGaN层141的Mg-H键，具体地，在形成所述Mg掺杂p-AlGaN层141后，在氢气氛围下对Mg掺杂p-AlGaN层141进行退火，以使Mg离子与氢离子充分结合为Mg-H键完成钝化。
作为示例，所述Mg掺杂p-AlGaN层141的厚度一般选取为介于1nm～30nm之间，包括端点值。
如图2所示，作为示例，基于所述氢气退火工艺形成所述Mg掺杂p-AlGaN层141的Mg-H键包括：先于所述Mg掺杂p-AlGaN层141上形成InN层142，然后采用氢气退火工艺形成所述Mg掺杂p-AlGaN层141的Mg-H键，所述InN层142在氢气退火过程中受热完全分解，以保证所述Mg掺杂p-AlGaN层141不被氢气退火工艺影响而界面受到破坏，进而保证Mg掺杂p-AlGaN层141的界面形貌和晶体质量。这里需要说明的是可以通过工艺优化使得InN层142在氢气退火过程中恰好完全分解无残存。较佳地，所述InN层142的厚度一般选取为不大于10nm。
如图3所示，作为示例，所述阻镁扩散层14还可包括GaN帽层143，所述GaN帽层143形成于所述Mg掺杂p-AlGaN层141上。较佳地，所述GaN帽层143的厚度一般选取为不大于40nm。所述GaN帽层143可以进一步保护界面形貌以及过渡至所述Mg掺杂p-GaN帽层15。
下面结合具体的实验例对本实施例的增强型GaN基HEMT器件外延进行说明。
实验例1
如图1及图2所示，本实验例提供一种增强型GaN基HEMT器件外延，所述外延自下向上依次包括形成于衬底10上的缓冲层16、C掺杂c-GaN高阻层11、本征u-GaN沟道层12、AlGaN势垒层13、阻镁扩散层14及Mg掺杂p-GaN帽层15。
所述衬底10可以选择为Si衬底、C面蓝宝石衬底、SiC衬底或者GaN衬底，也可以为其它常规的衬底。
所述缓冲层16可以为AlN层、AlGaN层或GaN层，也可以为以AlN层、AlGaN层及GaN层构成的叠层为周期进行周期性交替组成的超晶格结构。
所述C掺杂c-GaN高阻层11的掺杂浓度为5E+18cm-3。
所述阻镁扩散层14由下向上依次包括Mg掺杂p-AlGaN层141、InN层142及GaN帽层143，其中，Mg掺杂p-AlGaN层141的厚度为3nm，InN层142的厚度为1.5nm，GaN帽层143的厚度为2nm。
Mg掺杂p-AlGaN层141中Mg的掺杂浓度为8E+19cm-3，Mg掺杂p-GaN帽层15中Mg的掺杂浓度为3E+19cm-3。
阻镁扩散层14中Mg掺杂p-AlGaN层141及InN层142生长后，进行氢气气氛下的氢气退火，以使Mg掺杂p-AlGaN层141中的Mg被充分钝化形成Mg-H键，同时InN层142受热分解，通过工艺优化使得InN层142在氢气退火过程中恰好完全分解无残存；然后再生长GaN帽层143。
通过阻镁扩散层14生长条件的调控，可以有效阻挡和降低Mg掺杂p-GaN帽层15中的Mg扩散至AlGaN势垒层13及本征u-GaN沟道层12，降低器件的比导通电阻，提高器件的导通性能。
实验例2
如图1及图3所示，本实验例提供一种增强型GaN基HEMT器件外延，所述外延自下向上依次包括形成于衬底10上的缓冲层16、C掺杂c-GaN高阻层11、本征u-GaN沟道层12、AlGaN势垒层13、阻镁扩散层14及Mg掺杂p-GaN帽层15。
所述衬底10可以选择为Si衬底、C面蓝宝石衬底、SiC衬底或者GaN衬底，也可以为其它常规的衬底。
所述缓冲层16可以为AlN层、AlGaN层或GaN层，也可以为以AlN层、AlGaN层及GaN层构成的叠层为周期进行周期性交替组成的超晶格结构。
所述C掺杂c-GaN高阻层11的掺杂浓度为5E+18cm-3。
所述阻镁扩散层14由下向上依次包括Mg掺杂p-AlGaN层141及GaN帽层143，其中，Mg掺杂p-AlGaN层141的厚度为5nm，GaN帽层143的厚度为2nm。
Mg掺杂p-AlGaN层141中Mg的掺杂浓度为5E+19cm-3，Mg掺杂p-GaN帽层15中Mg的掺杂浓度为3E+19cm-3。
阻镁扩散层14中Mg掺杂p-AlGaN层141生长后，进行氢气气氛下的氢气退火，以使Mg掺杂p-AlGaN层141中的Mg被充分钝化形成Mg-H键，然后再生长GaN帽层143。
通过阻镁扩散层14生长条件的调控，可以有效阻挡和降低Mg掺杂p-GaN帽层15中的Mg扩散至AlGaN势垒层13及本征u-GaN沟道层12，降低器件的比导通电阻，提高器件的导通性能。
本实施例还提供一种增强型GaN基HEMT器件，该增强型GaN基HEMT器件为基于本实施例提供的增强型GaN基HEMT器件外延制备得到。
实施例二
本实施例提供一种增强型GaN基HEMT器件外延的制备方法，该制备方法可以用于制备上述实施例一所述的增强型GaN基HEMT器件外延，其所能达到的有益效果可请参见实施例一，以下不再赘述。
如图1所示，增强型GaN基HEMT器件外延的制备方法包括：
提供衬底10；
采用MOCVD工艺于所述衬底10上依次沉积C掺杂c-GaN高阻层11、本征u-GaN沟道层12、AlGaN势垒层13、阻镁扩散层14及Mg掺杂p-GaN帽层15；其中，所述阻镁扩散层14包括Mg掺杂p-AlGaN层141，且该Mg掺杂p-AlGaN层141中的Mg通过在H2的氛围中退火形成为Mg-H键形式被充分钝化，以降低Mg的活性，同时该Mg掺杂p-AlGaN层141中Mg的掺杂浓度大于所述Mg掺杂p-GaN帽层15中Mg的掺杂浓度，以阻断所述Mg掺杂p-GaN帽层15中的Mg向下扩散。
作为示例，所述阻镁扩散层14的沉积参数为：生长温度介于700℃～1160℃之间，生长压力介于20mbar～500mbar之间。
如图2所示，作为示例，形成所述Mg掺杂p-AlGaN层141中的Mg-H键包括：先于所述Mg掺杂p-AlGaN层141上形成InN层142，然后在形成所述InN层142后进行H2氛围的退火以使所述Mg掺杂p-AlGaN层141中的Mg被充分钝化形成为Mg-H键形式，在采用H2氛围的退火将Mg掺杂p-AlGaN层141中的Mg充分钝化形成Mg-H键时，会使InN层142受热分解，通过工艺优化使得InN层142在氢气退火过程中恰好完全分解无残存，从而保护Mg掺杂p-AlGaN层141不被氢气退火工艺影响而界面受到破坏，进而保证Mg掺杂p-AlGaN层141的界面形貌和晶体质量。
本实施例还提供一种增强型GaN基HEMT器件的制备方法，该制备方法包括本实施例提供的增强型GaN基HEMT器件外延的制备方法。
综上所述，本发明提供一种增强型GaN基HEMT器件、器件外延及其制备方法，通过在AlGaN势垒层与Mg掺杂p-GaN帽层之间设置阻镁扩散层，由于将阻镁扩散层结构中Mg掺杂p-AlGaN层的Mg以Mg-H键的形式被充分钝化，由于Mg-H键的键强很大，可有效降低Mg的活性，从而Mg掺杂p-AlGaN层的Mg几乎不可能向下扩散至AlGaN势垒层及本征u-GaN沟道层，同时Mg掺杂p-AlGaN层中Mg的掺杂浓度大于Mg掺杂p-GaN帽层中Mg的掺杂浓度，两者形成一定的Mg浓度差，可以有效阻断Mg掺杂p-GaN帽层中的Mg向下扩散，从而有效阻挡和降低Mg掺杂p-GaN帽层中的Mg扩散至AlGaN势垒层及本征u-GaN沟道层，降低器件的比导通电阻，提高器件的导通性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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