一种半绝缘GAN外延结构.pdf

本发明提供一种半绝缘GaN外延结构，从下至上依次包括硅衬底层，缓冲层和GaN层，其特征在于：在所述缓冲层和GaN层之间插有一层Al组分的摩尔含量恒定的AlyGa1-yN，其中0＜y＜1。本发明能够有效的阻止Si原子从衬底层扩散到GaN层中，减少了氮化镓外延层中的位错等缺陷密度，提高了半绝缘GaN的晶体质量和表面形貌，优化了生长工艺，降低了生长成本，提高了产品的良率。此外，该半绝缘氮化镓基高电子迁移率晶体（HEMTs）具有更高的电子迁移速率、高功率密度等优点。

权利要求书1.  一种半绝缘GaN外延结构，从下至上依次包括硅衬底层、缓冲层和GaN层，其特征在于：在所述缓冲层和GaN层之间插有一层Al组分的摩尔含量恒定的AlyGa1-yN，其中0＜y＜1。 2.  根据权利要求1所述一种半绝缘GaN外延结构，其特征在于：所述缓冲层包括但不限于下列材料中的一种：AlN、AlGaN、AlGaN/GaN。 3.  根据权利要求1所述一种半绝缘GaN外延结构，其特征在于：所述硅衬底为硅（111）衬底。 4.  根据权利要求1所述一种半绝缘GaN外延结构，其特征在于：所述AlN缓冲层的生长厚度为50-300nm。 5.  根据权利要求1所述一种半绝缘GaN外延结构，其特征在于：所述AlGaN/GaN缓冲层中GaN的厚度为200nm，AlGaN的厚度为50-300nm。 6.  根据权利要求1所述一种半绝缘GaN外延结构，其特征在于：所述AlyGa1-yN的生长温度为1020-1060℃，生长厚度为0.1-1μm。 7.  根据权利要求1所述一种半绝缘GaN外延结构，其特征在于：所述AlyGa1-yN中Al组分的摩尔含量y为5%-95%。 8.  根据权利要求1所述一种半绝缘GaN外延结构，其特征在于：所述GaN层的生长温度为1000-1100℃，生长厚度为0.9-1.5μm。

说明书一种半绝缘GaN外延结构
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种在Si衬底上生长的半绝缘GaN外延结构。
背景技术
GaN具有较大的直接禁带宽度（3.4ev）、高热导率、高电子饱和漂移速度等特点，因此已经成为目前半导体技术领域的研究热点。特别地，氮化镓基高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）是一种基于氮化物异质结构的新型电子器件。该器件具有高频、大功率的优异特性，广泛应用于无线通信基站、电力电子器件等信息收发、能量转换等领域。
由于AlGaN/GaN异质结构击穿电压大，因极化可产生高浓度二维电子气（2DEG），并具有很高的电子迁移率，因此在微波功率器件应用方面引起了广泛关注。如有时氮化镓晶体管的基板和有源器件之间的隔离电压超过300V，此时一高阻GaN层作为隔离层，这样使得氮化镓晶体管与底层绝缘，这种方法能以单片方式制造出任何结构的多个晶体管器件，并且本身就具有高效通用的散热机制，在器件和散热器之间不需要绝缘层，同时也减少漏电流，提高了AlGaN/GaN HEMT器件的功率密度及其高温、高频性能。因此在器件材料结构中外延生长高阻GaN层是十分必要的。
目前主要采用异质外延生长的办法在蓝宝石、SiC等衬底材料生长GaN外延层及器件。但是这两种衬底价格昂贵，而且这两种衬底的尺寸都比较小，增加了器件的制作成本。此外，蓝宝石衬底还有硬度极高，导电差，导热差等特点，对器件的制作和性能不利。Si作为目前最成熟的半导体材料，具有价格便宜，尺寸大，晶体质量高，导热能力好等优点，用Si作为外延层的衬底可大大降低器件的制作成本，提高经济效益。
但是，在Si衬底上生长高阻厚膜GaN层的一个主要问题是在生长的过程中，特别是刚开始生长过程中，衬底上的Si原子会扩散到GaN层中，增加了Si施主的浓度，降低GaN层的绝缘性，同时回炉时Ga原子会扩散到Si衬底上形成合金，并且Si原子会与N原子形成SixNy非晶薄膜，SixNy会阻止GaN在Si衬底表面的沉积，降低厚膜GaN层的质量和表面形貌。
目前主要采用AlN作为缓冲层来提高Si衬底上生长GaN的质量。但采用AlN缓冲层的方法，制备的厚膜氮化镓外延层表面也产生裂纹，并且改种方法不能有效的阻止Si原子的扩散，因此很难进一步提高氮化镓晶体的质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种能有效阻止Si原子扩散到GaN层的半绝缘GaN外延结构，该结构同时能减少GaN层裂纹的产生。
本发明采用以下技术方案予以实现：一种半绝缘GaN外延结构，从下至上依次包括硅衬底层，缓冲层和GaN层，其特征在于：在所述缓冲层和GaN层之间插有一层Al组分的摩尔含量恒定的AlyGa1-yN，其中0＜y＜1。
优选地，所述缓冲层包括但不限于下列材料中的一种：AlN、AlGaN、AlGaN/GaN。
优选地，所述硅衬底为硅（111）衬底。
优选地，所述AlN缓冲层的生长厚度为50-300nm。
优选地，所述AlGaN/GaN缓冲层中GaN的厚度为200nm，AlGaN的厚度为50-300nm。
优选地，所述插入层AlyGa1-yN的生长温度为1020-1060℃，生长厚度为0.1-1μm。
优选地，所述插入层AlyGa1-yN中Al组分的摩尔含量y为5%-95%。
优选地，所述GaN层的生长温度为1000-1100℃，生长厚度为0.9-1.5μm。
本发明的有益效果：该结构能够有效的阻止Si原子从衬底层扩散到GaN外延层中，减少了氮化镓外延层中的位错等缺陷密度，提高了半绝缘GaN外延层的晶体质量和表面形貌，优化了生长工艺，降低了生长成本，提高了产品的良率。此外，该半绝缘氮化镓基高电子迁移率晶体管（HEMTs）具有更高的电子迁移速率、高功率密度等优点。
附图说明  
图1为本发明所述的一个半绝缘GaN外延结构示意图。
图2为本发明所述的一个半绝缘GaN外延结构示意图。
图3为本发明所述的一个半绝缘GaN外延结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均在本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
如图1所示，一种半绝缘GaN外延结构，它是在硅衬底101上通过MOCVD技术依次生长AlN缓冲层102、插入层103、氮化镓层104，具体的方法如下：选择硅（111）衬底101，利用MOCVD技术生长；将硅衬底101在1060℃和150Torr的H2环境中煅烧5分钟；降温至800℃，生长压力为450torr，通入三甲基铝和氨气，在硅衬底101表面生长厚度为0.3um的AlN缓冲层102；升温至1060℃，生长压力400torr，通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生长厚度为0.3um的Al0.08Ga0.92N插入层103；关闭三甲基铝，1060℃和500torr，生长厚度为1.2um的GaN层104；降至室温。
实施例2
如图2所示，一种半绝缘GaN外延结构，它是在硅衬底201上通过MOCVD技术依次生长缓冲层202、插入层203、氮化镓外延层204，其中缓冲层202包括AlN202a和AlGaN202b，具体的方法如下：选择硅（111）衬底201，利用MOCVD技术生长；将硅衬底201在1060℃和150Torr的H2环境中煅烧5分钟；温度保持不变，生长压力为450torr，通入三甲基铝和氨气，在硅衬底201表面生长厚度为250nm的AlN缓冲层202a；通入三甲基镓，生长厚度为200nm的AlGaN层202b；保持温度不变，生长压力为400torr，通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生长厚度为0.5um的Al0.8Ga0.2N插入层203；关闭三甲基铝，1060℃和500torr，生长厚度为1um的GaN层204；降至室温。
实施例3
如图3所示，一种半绝缘GaN外延结构，它是在硅衬底301上通过MOCVD技术依次生长缓冲层302、插入层303、氮化镓外延层304，其中缓冲层302包括AlN302a、AlGaN302b和GaN302C，具体的方法如下：选择硅（111）衬底301，利用MOCVD技术生长；将硅衬底301在1060℃和150Torr的H2环境中煅烧5分钟；温度保持不变，生长压力为450torr，通入三甲基铝和氨气，在硅衬底301表面生长厚度为250nm的AlN缓冲层302a；通入三甲基镓，生长厚度为300nm的AlGaN层302b；关闭三甲基铝，生长厚度为200nm的GaN层302c；保持温度不变，生长压力为400torr，通入氨气、三甲基铝和三甲基镓，生长厚度为0.5um的Al0.8Ga0.2N插入层303；关闭三甲基铝，1060℃和500torr，生长厚度为1um的GaN层304；降至室温。