具备低导通动态特性的外延材料层及其制备方法、器件

1.本发明涉及半导体材料技术领域，尤其涉及具备低导通动态特性的外延材料层及其制备方法、器件。


背景技术：

2.随着工业技术的发展，大功率、高电流密度、高转换效率的器件越来越符合未来绿色发展的社会要求。而第三代半导体氮化镓材料与器件具备高功率密度和强场等优异的物理物性，已经逐步在消费电子验收应用。但在工业控制应用端暂没有得到初步的验证，主要原因归于氮化镓材料的位错缺陷比较高带来的一些不稳定的问题，因为在现有的外延调控过程中，由于应力调控不可避免引入位错，其次，由于高耐压的要求，需要碳或者铁元素掺杂外延技术，从而增加了电子俘获的位错缺陷，进一步影响动态电阻的稳定性。
3.现有的传统外延材料技术路线，先是用金属有机气相外延生长技术mocvd在衬底层上生长氮化铝缓冲层做为成核，再生长比较厚的外延应力缓冲层，形成外延结构的应力调控层，用于实现应力调控，提高耐压性，该外延应力缓冲层包括渐变铝镓氮、氮化镓或者氮化铝超晶格，进行碳元素、掺铁元素生长；接着进行氮化镓沟道层，铝镓氮势垒层，氮化镓帽层结构的外延材料结构的生长，由于该传统的外延结构包含了应力调控层及掺杂耐压层等缓冲层结构，使得材料中有比较多的位错和点缺席，这使得高压开关条件下，缓冲层会俘获沟通中的二维电子气电子，导致在下一个开关过程中电子不够时间回到沟道中，导致电阻变大而增加损耗。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供具备低导通动态特性的外延材料层及其制备方法、器件，通过去掉传统的外延结构的应力调控层及掺杂耐压层的缓冲层结构，去除了由于缓冲层外延工艺引入的电子俘获缺陷，解决电子俘获缺陷的问题。
5.鉴于此，提供一种具备低导通动态特性的外延材料层，包括：
6.衬底材料层，用于作为外延材料层的生长基层；
7.三维结构成核层，生长在所述衬底材料层的上表面上；
8.外延功能层，生长在所述三维结构层远离所述衬底材料层的一面上。
9.进一步的，所述外延功能层由下往上依次包括氮化镓沟道层)，铝镓氮势垒层和氮化镓帽层。
10.进一步的，所述三维结构层为氮化铝3d成核层，用于提高所述氮化镓沟道层和所述铝镓氮势垒层的晶体质量。
11.进一步的，所述衬底材料层为硅衬底、碳化硅衬底、金刚石衬底或者蓝宝石衬底中的一种或者多种
12.进一步的，所述外延功能层的厚度小于等于500nm。
13.进一步的，所述衬底材料层的厚度为100μm-1500μm，其尺寸为2英寸-12英寸。
14.进一步的，所述三维结构成核层的厚度为50nm，其结构为三维柱状结构。
15.另外、提供一种低导通动态特性外延材料层的制备方法，包括以下步骤：
16.提供一衬底材料层，所述衬底材料层为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底或者金刚石衬底；
17.使用物理气相沉积法pvd形成一三维结构成核层；
18.使用金属有机化学气相沉积mocvd在所述三维结构成核层进行外延功能层的生长。
19.进一步的，所述三维结构成核层为氮化铝3d成核层，为外延功能层提供成核；所述外延功能层由下往上依次包括氮化镓帽层、铝镓氮势垒层和氮化镓沟道层)。
20.另外，提供一种器件，包括所述的具备低导通动态特性的外延材料层；使用所述的制备方法。
21.本发明的有益效果：本发明实施例提供一种具备低导通动态特性的外延材料层及其制备方法、器件，该外延材料层的结构比较薄，不需要传统外延结构的应力释放层及高耐压调控层，通过直接把传统中外延结构缓冲层的结构去除，相当于把这外延结构的起到电子俘获的材料缺陷直接去除，由于氮化镓沟道层本身漏电低，没有缓冲层漏电通道，所以也实现了高耐压，900v-1200v，达到1700伏，相比现有技术获得了较高的性能。其次，所需要的外延厚度为传统外延厚度的十分之一到二十分之一左右，极大降低了外延时间和材料成本，具备较好的经济效益。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
23.图1为本发明实施例的具备低导通动态特性的外延材料层的结构图；
24.图2为本发明实施例的具备低导通动态特性的外延材料层的各层结构图；
25.图3为本发明实施例的具备低导通动态特性的外延材料层的三维结构成核层的形貌图；
26.图4为本发明实施例的具备低导通动态特性的外延材料层的外延功能层的表面形貌图；
27.图5为本发明实施例的具备低导通动态特性的外延材料层的性能测试图；
28.图6为本发明实施例的具备低导通动态特性的外延材料层的制备方法步骤流程图。
29.图中：1、衬底材料层；2、三维结构成核层；3、外延功能层；30、氮化镓沟道层；31、铝镓氮势垒层；32、氮化镓帽层。
具体实施方式
30.本发明实施例提供一种具备低导通动态特性的外延材料层及其制备方法、器件，通过去掉传统的外延结构的应力调控层及掺杂耐压层的缓冲层结构，去除了由于缓冲层外
延工艺引入的电子俘获缺陷，解决电子俘获缺陷的问题。
31.为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
32.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
33.实施例：
34.由于传统的技术需要通过操纵二维电子气功能层下方的缓冲层来实现应力调控，提高耐压性。但是，通过缓冲层容易导致材料中有比较多的位错和点缺席，这使得高压开关条件下，缓冲层会俘获沟通中的二维电子气电子，导致在下一个开关过程中电子不够时间回到沟道中，导致电阻变大而增加损耗。
35.为了解决缓冲层带来的技术问题，本发明实施例提供一种具备低导通动态特性的外延材料层，去掉缓冲层，来解决缓冲层引用的材料对沟道电子俘获导致的导通不稳定性的问题，无需使用厚缓冲层，从而实现高性能的超薄异质结场效应晶体管hfet。
36.如图1所示，图1为一种具备低导通动态特性的外延材料层的结构图，如图1所示，提供一种具备低导通动态特性的外延材料层，包括：衬底材料层1，用于作为外延材料层的生长基层；该衬底材料层1为硅衬底、碳化硅衬底、金刚石衬底或者蓝宝石衬底中的其中一种或者多种，该衬底材料层1能够沉积外延层即可，不限于以上三种衬底材料。所述衬底材料层1的厚度为25-100nm。
37.三维结构成核层2，生长在所述衬底材料层1的上表面上；该三维结构成核层2为氮化铝3d成核层，所述三维结构成核层2的厚度为50nm，其结构为三维柱状结构。所述三维结构层2用于提高所述氮化镓沟道层30和所述铝镓氮势垒层31的晶体质量。
38.外延功能层3，生长在所述三维结构层2远离所述衬底材料层1的一面上。
39.具体的，如图2所示，在该三维结构层2，也就是柱状结构的氮化铝3d成核层上，利用mocvd进行氮化镓沟道层30，铝镓氮势垒层31，氮化镓帽层32的外延功能层外延生长。
40.进一步的，所述外延功能层3由上往下依次包括氮化镓帽层32、铝镓氮势垒层31和氮化镓沟道层30。
41.具体的，该氮化镓沟道层30，用于为二维电子气提供一个良好的运输通道；该铝镓氮势垒层31设置在所述氮化镓沟道层30的上表面，其中，铝镓氮的铝组分为25％；所述铝镓氮势垒层31和所述氮化镓沟道层30构成半导体异质结构，用于在所述势垒层和所述沟道层的界面处形成高浓度的具有高迁移特性的二维电子气；氮化镓帽层32的引入是用于减小电流崩塌效应。
42.进一步的，所述外延功能层3的厚度小于等于500nm。外延功能层3的结构不大于500nm。另外，所述衬底材料层的厚度为100μm-1500μm，其尺寸为2英寸-12英寸。最终形成没有缓冲层缺陷的较薄外延材料，该外延材料除了成核层，就是外延沟道功能层，从物理空间来看，除了自身的氮化镓沟道层，电子没有其它外延材料可以溢出。最终可以实现高导通电阻稳定性。
43.工艺流程如下：首先，在2英寸c面蓝宝石衬底材料层1上利用物理气沉积的方法沉
积一层50nm三维结构成核层2，该三维结构成核层2的结构为三维柱状结构；最终的形貌如下图1所示，显示了三维的柱状结构。接着利用mocvd进行外延功能层外延生长，氮化镓沟道层30，铝镓氮势垒层31，氮化镓帽层32，氮化镓沟道层30的外延层度为200nm，铝镓氮势垒层31的外延层厚度为25nm，氮化镓帽层32的外延层厚度为2nm，其中，铝镓氮的铝组分为25％。总的外延厚度为222nm。结合三维结构50nm,总共外延材料厚度为272nm。总外延厚度是传统外延厚度的二十分之一，其外延表面的形貌如图2所示，从图2中可以看出，实现了较为平整的处延表面，实现了无缓存无应力的外延表面。
44.实施例二：
45.另外，如图6所示，提供一种具备低导通动态特性的外延材料层及其制备方法，包括以下步骤：
46.步骤101：提供一衬底材料层1，该衬底材料层1一般为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底或者金刚石衬底。
47.步骤102：使用物理气相沉积法形成一三维结构成核层2；具体的，所述三维结构成核层2为氮化铝3d成核层；
48.具体的，通过物理气相沉积pvd系统溅射形成三维结构成核层2,该成核层可以获得具有高结晶质量的超薄氮化镓层。受益于该氮化铝3d成核层，传统的较厚高电阻氮化镓缓冲层可以排除在我们的hfet结构中。
49.步骤103：使用金属有机化学气相沉积mocvd在所述三维结构成核层2进行外延功能层3的生长；
50.进一步的，所述外延功能层3由下往上依次包括氮化镓沟道层30)，铝镓氮势垒层31和氮化镓帽层32。
51.在一个具体的实施例中，制备流程如下：首先将装有蓝宝石衬底的托盘转移到pvd真空室中，并在650℃下通入1:4比例的氩气和氮气反应混合物，然后，然后，从持续15分钟的过程中获得35nm氮化铝3d成核层。随后，将样品装入mocvd反应室，通过金属有机化学气相沉积mocvd生长氮化镓沟道层30)，铝镓氮势垒层31和氮化镓帽层32。从上到下包括25nm的铝镓氮势垒层31、150nm的氮化镓沟道层30和35nm厚的氮化铝3d成核层，实现了hfet器件的外延结构的总厚度仅为200nm。
52.实施例三：
53.一种器件，包括所述的具备低导通动态特性的外延材料层及其制备方法、器件，使用该制备方法，具体的，利用上述的氮化铝3d成核层实现了独特的超薄异质结场效应晶体管hfet器件。在异位溅射氮化铝3d成核层的帮助下，在蓝宝石衬底上实现超薄异质结场效应晶体管hfet。尽管该外延层的总厚度仅为200nm，但所制造的hfet器件表现出优越的性能，如图5所示，特别是1700v的软bv和23μm的栅漏间距，同时测量了断态泄漏和导通电阻。
54.综上所述，本发明实施例提供一种具备低导通动态特性的外延材料层及其制备方法、器件，该外延材料层的结构比较薄，不需要传统外延结构的应力释放层及高耐压调控层，通过直接把传统中外延结构缓冲层的结构去除，相当于把这外延结构的起到电子俘获的材料缺陷直接去除，由于氮化镓沟道层本身漏电低，没有缓冲层漏电通道，所以也实现了高耐压，900v-1200v，高达到1700伏，相比现有技术获得了较高的性能。
55.以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前
述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.具备低导通动态特性的外延材料层，其特征在于，包括：衬底材料层(1)，用于作为外延材料层的生长基层；三维结构成核层(2)，生长在所述衬底材料层(1)的上表面上；外延功能层(3)，生长在所述三维结构层(2)远离所述衬底材料层(1)的一面上。2.根据权利要求1所述的具备低导通动态特性的外延材料层，其特征在于，所述外延功能层(3)由下往上依次包括氮化镓沟道层(30)，铝镓氮势垒层(31)和氮化镓帽层(32)。3.根据权利要求1所述的具备低导通动态特性的外延材料层，其特征在于，所述三维结构层(2)为氮化铝3d成核层，用于提高所述氮化镓沟道层(30)和所述铝镓氮势垒层(31)的晶体质量。4.根据权利要求1所述的具备低导通动态特性的外延材料层，其特征在于，所述衬底材料层(1)为硅衬底、碳化硅衬底、金刚石衬底或者蓝宝石衬底中的一种或者多种。5.根据权利要求1所述的具备低导通动态特性的外延材料层，其特征在于，所述外延功能层(3)的厚度小于等于500nm。6.根据权利要求1所述的具备低导通动态特性的外延材料层，其特征在于，所述衬底材料层(1)的厚度为100μm-1500μm，其尺寸为2英寸-12英寸。7.根据权利要求1所述的具备低导通动态特性的外延材料层，其特征在于，所述三维结构成核层(2)的厚度为50nm，其结构为三维柱状结构。8.低导通动态特性外延材料层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供一衬底材料层(1)，所述衬底材料层(1)为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底或者金刚石衬底；使用物理气相沉积法(pvd)形成一三维结构成核层(2)；使用金属有机化学气相沉积(mocvd)在所述三维结构成核层(2)进行外延功能层(3)的生长。9.根据权利要求8所述的具备低导通动态特性的外延材料层的制备方法，其特征在于，所述三维结构成核层(2)为氮化铝3d成核层；所述外延功能层(3)由上往下依次包括氮化镓帽层(32)、铝镓氮势垒层(31)和氮化镓沟道层(30)。10.一种器件，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的具备低导通动态特性的外延材料层；使用如权利要求8-9所述的制备方法。

技术总结
本发明公开了一种具备低导通动态特性的外延材料层及其制备方法、器件，该外延材料层的结构比较薄，不需要传统外延结构的应力释放层及高耐压调控层，通过直接把传统中外延结构缓冲层的结构去除，相当于把这外延结构的起到电子俘获的材料缺陷直接去除,从而实现低导通动态电阻特性，由于氮化镓沟道层本身漏电低，没有缓冲层漏电通道，所以也实现了高耐压，900V-1200V，高达到1700伏，相比现有技术获得了较高的性能。了较高的性能。了较高的性能。


技术研发人员：王琦 梁智文 刘强 王新强
受保护的技术使用者：北京大学东莞光电研究院
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/7/7