一种基于铝组分渐变帽层的氮化镓器件

本发明涉及一种基于铝组分渐变帽层的氮化镓器件，通过在氮化镓（gan）高电子迁移率晶体管（hemt）中引入铝组分渐变帽层来提高器件击穿电压，属于半导体器件。

背景技术：

1、随着si基材料的性能逐步逼近理论极限，以gan为代表的第三代半导体逐渐走向半导体世界的舞台中央。gan材料具备高禁带宽度、高电子迁移率、高电子饱和速度和高击穿电场等一系列优良的电学特性，在高频、高功率和高温电子器件领域显示出巨大的应用潜力，广泛应用于电力电子和微波射频领域，同时也是5g领域的核心关键技术之一。而ganhemt器件因其在algan/gan异质结界面存在高密度的二维电子气（2deg），具有高电子迁移率、耐高温、耐高压、抗辐射能力强等优越性质，被广泛应用于射频通信、雷达系统、卫星通讯和电力电子等领域。

2、在hemt的设计中，氮化铝（aln）因其优异的热导性和电子迁移率而被广泛用作帽层材料。然而，aln层的生长存在一系列挑战，尤其是当试图生长较厚层时，这些挑战包括：

3、（1）开裂问题：由于aln与gan基底材料之间的热膨胀系数差异，aln层在冷却过程中容易产生开裂。

4、（2）晶格失配：aln与常用的gan基底之间存在晶格常数的不匹配，这会导致生长过程中产生高密度的位错。

5、（3）界面质量：aln与gan之间的界面质量直接影响到2deg的形成和器件的整体性能。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于铝组分渐变帽层的氮化镓器件，采用了从gan到aln的渐变帽层结构，通过在gan和aln之间引入氮化铝镓（algan）渐变层，逐步改变铝组分比例，不仅解决了aln层生长中的开裂和晶格失配问题，还显著提高了hemt器件的击穿电压，为高压应用提供了更可靠的半导体器件。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种基于铝组分渐变帽层的氮化镓器件，自下而上依次包括衬底、gan缓冲层、gan沟道层、aln插入层、algan势垒层以及渐变帽层；在aln插入层、algan势垒层以及渐变帽层两侧、gan沟道层上方，分别设置有源极和漏极；所述渐变帽层上方设置有栅极；

4、所述渐变帽层为al组分渐变帽层。

5、优选的，所述渐变帽层为alxga1-xn渐变帽层，其中x自下而上从0渐变至1。

6、优选的，所述渐变帽层为alyga1-yn渐变帽层，其中y自下而上从1渐变至0。

7、本发明在hemt的传统gan帽层上，引入algan渐变层，最终过渡到aln层。渐变层的铝组分从0%逐渐增加到100%，形成一个平滑的铝组分渐变帽层，从而实现了以下改进：

8、减少晶格失配：通过algan渐变层的引入，可以逐渐调整晶格常数，从而减少gan与aln之间的晶格失配。

9、提高界面质量：渐变层的设计有助于改善aln与gan之间的界面质量，从而优化2deg的形成。

10、防止开裂：渐变层的使用减少了材料之间的热膨胀系数差异，降低了aln层开裂的风险。渐变帽层的厚度、铝组分的变化率等参数根据具体应用需求进行优化设计。同理，将帽层结构调换为从下至上为aln向gan渐变，也可以达到类似的效果。

11、优选的，本发明不拘泥于特定的渐变方式，只要实现x自下而上从0向1渐变，或者y自下而上从1向0渐变即可，包括但不限于：线性渐变、阶梯渐变、指数渐变、对数渐变或双曲线渐变。

12、进一步优选的，所述渐变帽层自下而上包括gan帽层、al0.2ga0.8n渐变帽层、al0.4ga0.6n渐变帽层、al0.6ga0.4n渐变帽层、al0.8ga0.2n渐变帽层和aln帽层。

13、进一步优选的，所述渐变帽层自下而上包括aln帽层、al0.8ga0.2n渐变帽层、al0.6ga0.4n渐变帽层、al0.4ga0.6n渐变帽层、al0.2ga0.8n渐变帽层和gan帽层。

14、进一步优选的，al组分渐变帽层通过以下方法之一实现：

15、a、分子束外延技术（mbe）：

16、原理：利用高真空环境下的分子束直接冲击加热的衬底，使材料在衬底上逐层生长。

17、操作：通过精确控制铝（al）和镓（ga）的分子束流量，逐步改变衬底上的铝组分比例，从而实现渐变层的生长。

18、优点：能够实现极高的材料生长精度和层厚均匀性。

19、b、金属有机化学气相沉积技术（mocvd）：

20、原理：通过化学反应将含有金属元素的有机化合物分解，沉积在衬底上形成薄膜。

21、操作：调整载气中铝前驱体和镓前驱体的比例，控制反应室内的温度和压力，以实现渐变层的生长。

22、优点：适合大面积生长，且生长速率相对较快。

23、c、混合源分子束外延技术（hybrid mbe）：

24、原理：结合mbe和mocvd的特点，使用固态源和气态源同时进行材料生长；

25、操作：同时控制固态源的温度和气态源的流量，实现更加灵活的铝组分调控；

26、优点：结合了mbe的高精度和mocvd的高生长速率。

27、d、原子层沉积技术（ald）：

28、原理：利用自限制的表面反应，逐原子层沉积材料；

29、操作：通过交替引入不同的前驱体气体和反应气体，实现对每一原子层组分的精确控制；

30、优点：能够实现极高的膜厚均匀性和界面质量。

31、e、气相外延技术（vpe）：

32、原理：在高温下，气态的反应物在衬底上发生化学反应，生成固态的薄膜；

33、操作：通过调节气体流量和衬底温度，控制薄膜的组分和生长速率；

34、优点：适合生长厚膜，且设备相对简单。

35、f、等离子体增强化学气相沉积技术（pecvd）：

36、原理：利用等离子体激发的化学气相沉积过程，在较低的温度下沉积薄膜；

37、操作：通过调节等离子体参数和前驱体比例，控制薄膜的组分和生长速率；

38、优点：可以在较低温度下进行薄膜生长，减少热应力。

39、每种技术都有其独特的优势和适用场景，此外，为了优化生长过程和提高器件性能，还可以考虑使用多种方法的组合，以及在生长过程中引入特定的掺杂剂或界面工程技术。

40、本发明的核心原理在于利用能带工程来提高hemt器件的击穿电压，在渐变帽层中，能带结构的调整导致了势垒的显著提升，具体原理包括：

41、（1）能带调整：通过改变algan渐变层中的铝组分，能够调整帽层的导带和价带边缘，形成一个向aln过渡的能带结构。

42、（2）高势垒形成：随着铝组分的增加，帽层的带隙逐渐增大，形成了一个高势垒，这个势垒能够有效地阻挡电子，减少漏电流。

43、（3）击穿电压提高：高势垒的存在显著增加了电子从2deg到帽层的能量障碍，从而提高了器件的击穿电压。

44、通过上述结构和原理，本发明的氮化镓器件在保持高电子迁移率的同时，显著提高了击穿电压，为高压电力电子器件提供了一种新的解决方案。这种方法不仅在理论上具有创新性，而且在实际应用中也具有重要的工程价值，为高电子迁移率晶体管的发展提供了新的技术路径。本发明可能会对高频、高功率电子器件的设计和制造产生深远的影响。

45、本发明未详尽之处，均可参见现有技术。

46、本发明的有益效果为：

47、1、提高击穿电压：通过引入铝组分渐变帽层，著提高了hemt器件的击穿电压，增强了器件在高电压应用中的可靠性和稳定性。

48、2、优化器件性能：渐变帽层的设计优化了界面质量，减少了晶格失配和热应力，从而提高了器件的整体性能。

49、3、降低制造成本：相比传统的aln帽层，渐变帽层的生长过程更加稳定，减少了生产中的缺陷和废品率，降低了制造成本。

50、4、提升器件寿命：在半导体器件中，热衰退会导致晶体结构的变化，从而影响器件的电气特性，其原因为长时间的热循环或高温操作会导致材料中的缺陷增多，如晶格空位和位错，这些缺陷会影响电子的流动，从而降低器件的性能。而渐变帽层可以通过逐步改变铝组分比例来优化界面处的应力分布，从而减少由于热循环引起的应力和热衰退。这种结构能够提高材料的热稳定性，减少长时间高温下的性能退化，从而延长器件的使用寿命；

51、电迁移主要由高电流密度引起，渐变帽层可以抬高势阱能带，从而减少了沟道的二维电子气，由于沟道2deg浓度减小，沟道电阻增加，使得gan基hemt器件的电流密度减小，从而减少电迁移现象，提高器件的长期稳定性和可靠性。

52、5、制造工艺简化：相比于传统的提高击穿电压的方法，如优化器件结构或使用场板技术，本发明提供的方法更为简单，可以在不过度增加制造复杂性的前提下实现。

53、6、本发明由于制造工艺的简化，可以降低生产成本，提高了击穿电压的gan hemt器件可以在更广泛的领域得到应用，包括但不限于射频通信、雷达系统、卫星通讯和电力电子等高功率应用，在材料科学和半导体技术领域提供了新的研究方向，为未来的技术创新奠定了基础。