本实用新型涉及氮化镓器件领域，具体是一种提高氮化镓器件外延层质量的结构。
背景技术：
氮化镓器件内部结构中的gan外延于si基板上之技术,由于gan与si基板的晶格常数不匹配以及热膨胀系数不匹配，在si基板上为了避免ga原子回熔现象,先于si基板上成长aln缓冲层为必要手段,然而aln与si基板之间的晶格常数不匹配以及热膨胀系数不匹配,另外gan与aln之间的晶格常数不匹配以及热膨胀系数不匹配,皆会造成gan外延层质量不佳以及外延晶圆翘曲问题,外延层质量不佳与缺陷密度过高会造成电子器件电子迁移率下降,漏电以及可靠度不佳问题,外延晶圆翘曲问题会造成制程中易破片与黄光制程曝光良率不佳等问题。
目前解决的方案为在gan与aln间插入一适当al含量的algan缓冲层,因其晶格常数与热膨胀系数皆介于gan与aln之间,从而得到缓冲效果,减缓因晶格常数与热膨胀系数差异过大造成的弊端，但随着技术的发展，gan通道质量要求日益增高以及大尺寸外延片开发，现有技术的解决方案已然不符合需求，人们也在进行相关方面的研究。
技术实现要素：
本实用新型实施例的目的在于提供一种提高氮化镓器件外延层质量的结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：
一种提高氮化镓器件外延层质量的结构，包括衬底、i-gan(本征氮化镓)层和gancap层，所述衬底位于最底层，gancap层位于最顶层，衬底上部设置有aln(氮化铝)缓冲层，gancap层的下方设置有alganbarrier(氮化铝镓势垒)层，i-gan层设置在alganbarrier层的下方，i-gan层的下部设置有c-gan(碳掺杂氮化镓)层，c-gan层和aln缓冲层之间设置有缓变式多层缓冲层，alganbarrier层和i-gan层之间设置有alnspacer层(氮化铝阻挡层)。
作为本实用新型实施例进一步的方案：缓变式多层缓冲层中缓冲层的层数为3-10层。
作为本实用新型实施例进一步的方案：缓变式多层缓冲层中缓冲层均为algan结构。
作为本实用新型实施例进一步的方案：衬底采用si(硅)层或sic(碳化硅)层，技术成熟，使用效果好。
作为本实用新型实施例进一步的方案：缓冲式多层缓冲层包括alx1ga1-x1n缓冲层、alx2ga1-x2n缓冲层和alx3ga1-x3n缓冲层，x1、x2和x3均代表对应的al含量，1-x1、1-x2和1-x3均代表对应的ga含量。
作为本实用新型实施例进一步的方案：衬底的表面设置有至少一条凹下或者凸起的条状图形。
作为本实用新型实施例进一步的方案：缓变式多层缓冲层中缓冲层的厚度为100-1000nm。
所述提高氮化镓器件外延层质量的结构的制备方法，具体步骤如下：
步骤一，在衬底上成长aln缓冲层；
步骤二，在aln缓冲层成长完毕后，在aln缓冲层上方成长缓变式多层缓冲层结构，即aln缓冲层上方成长第一层缓冲层，在第一层缓冲层成长完毕后在其上方成长第二层缓冲层，在第二层缓冲层成长完毕后在其上方成长第三层缓冲层，缓冲层的层数依据实际需要确定；
步骤三，在缓变式多层缓冲层上方依次成长相应的c-gan层、i-gan层、alnspacer层、alganbarrier层和gancap层，即形成氮化镓外延结构层。
与现有技术相比，本实用新型实施例的有益效果是：
本产品利用衬底在gan与aln间插入缓变式多层缓冲层，缓变式多层缓冲层采用依次成长的多层algan结构形成，由于al含量缓变式多层结构,对于晶格不匹配造成之缺陷密度过高的,更有效解决晶格错位问题进而更有效地改善gan信道层晶体质量，对于晶格应力造成的翘曲,以及热膨胀不匹配性造成内应力蓄积问题,因应力均匀由各层algan结构分多阶段处理,可获得大幅度改善,也形成更稳定的外延结构，多层algan结构中采用algan中al和ga的含量缓变方式来大幅增加对于晶格应力的控制能力,平衡内应力,并消除gan/aln晶格不匹配性所造成的线缺陷，以及提供更有效的缓冲来达成高质量gan通道层的需求。
本产品通过实验观察到直流测试和脉冲测试所得跨导曲线在线性度方面存在较大差异，在排除自热效应的影响之后，提出了栅下势垒层类受主态缺陷影响器件跨导线性度这一理论机制，据此很好的解释了实验现象，借助二维数值仿真，详细论述了栅下势垒层中类受主态的作用机制，即栅下势垒层中类受主态随栅压增加而电离，带上负电荷，对沟道2deg起到排斥作用，阻碍2deg随栅压的线性变化，最终使得器件的跨导表现出非线性行为，仿真所得到的趋势与实验现象一致；
本产品为脉冲测试分析提供了一个新的观察角度，不仅加深了对氮化镓器件跨导非线性行为的理解，而且有助于了解其可靠性问题。
附图说明
图1为提高氮化镓器件外延层质量的结构的结构示意图。
图2为提高氮化镓器件外延层质量的结构中缓变式多层缓冲层的结构示意图。
图3为提高氮化镓器件外延层质量的结构中缓变式多层缓冲层为三层时缓冲层内铝成分随厚度变化的示意图。
图4为提高氮化镓器件外延层质量的结构中缓变式多层缓冲层为四层时缓冲层内铝成分随厚度变化的示意图。
图5为提高氮化镓器件外延层质量的结构中缓变式多层缓冲层为五层时缓冲层内铝成分随厚度变化的示意图。
其中：1-衬底，2-aln缓冲层，3-缓变式多层缓冲层，4-c-gan层，5-i-gan层，6-alnspacer层，7-alganbarrier层，8-gancap层，9-alx1ga1-x1n缓冲层，10-alx2ga1-x2n缓冲层，11-alx3ga1-x3n缓冲层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1：
一种提高氮化镓器件外延层质量的结构，其操作步骤如下：
s1、先于平面或图形化之si或sic衬底1上成长aln缓冲层2；
s2、在aln缓冲层2成长完毕后，在其上方成长缓变式多层缓冲层3,第一层为alx1ga1-x1n缓冲层9，其中x1＝1～0.7,即为al1～0.7ga0～0.3n，其中x1和1-x1分别代表其对应的al和ga含量，alx1ga1-x1n缓冲层9的厚度为10～1000nm,可藉由调变alx1ga1-x1n缓冲层9的厚度,缓变式多层缓冲层3的总层数为3-10层,来调变外延结构应力,根据不同外延结构设计,设计不同缓冲层,减少应力修正难度；
s3、在第一层alx1ga1-x1n缓冲层9成长完毕后，在其上方成长第二层缓变式多层缓冲层结构,第二层为alx2ga1-x2n缓冲层10，其中x2＝0.8～0.5,即为al0.8～0.5ga0.2～0.5n，其中x2和1-x2分别代表其对应的al和ga含量，其中缓变式多层缓冲层3中的al含量有规律的缓变式下降,因更有效解决晶格错位问题进而更有效地改善gan信道层晶体质量；
s4、在第二层alx2ga1-x2n缓冲层10成长完毕后，在其上方成长第三层缓变式多层缓冲层结构,第三层为alx3ga1-x3n缓冲层11，其中x3＝0.6～0.3,即为al0.6～0.3ga0.4～0.7n，其中x3和1-x3分别代表其对应的al和ga含量，同理缓变式多层缓冲层3依次成长，al含量有规律的缓变式下降，alx1ga1-x1n缓冲层9、alx2ga1-x2n缓冲层10和alx3ga1-x3n缓冲层11之间的晶格常数以及热膨胀系数差异微乎其微，非常小，有效的防止外延层质量不佳以及外延晶圆翘曲问题；
s5、经过步骤s2,s3,s4成长形成了缓变式多层缓冲层3，然后在缓变式多层缓冲层3上方依次成长相应的c-gan层4、i-gan层5、alnspacer层6、alganbarrier层7和gancap层8，形成氮化镓外延结构层。
通过上述步骤，在gan与aln间插入缓变式多层缓冲层3，缓变式多层缓冲层3采用依次成长的多层algan缓冲层结构形成，由于al含量缓变式多层缓冲层结构,对于晶格不匹配造成之缺陷密度过高的,更有效解决晶格错位问题进而更有效地改善gan信道层晶体质量，对于晶格应力造成的翘曲,以及热膨胀不匹配性造成内应力蓄积问题,因应力均匀由各多层algan缓冲层结构分多阶段处理,可获得大幅度改善,也形成更稳定之外延结构，多层algan缓冲层结构中各层algan中al和ga的含量缓变方式来大幅增加对于晶格应力的控制能力,平衡内应力,并消除gan/aln晶格不匹配性所造成的线缺陷，以及提供更有效的缓冲来达成高质量gan通道层的需求。
实施例2：基于实施例1，但有所不同的是：
一种提高氮化镓器件外延层质量的结构，其操作步骤如下：
s1、先于平面或图形化之si或sic衬底1上成长aln缓冲层2；
s2、在aln缓冲层2成长完毕后，在其上方成长缓变式多层缓冲层3,第一层为alx1ga1-x1n缓冲层9，其中x1＝1～0.7,即为al1～0.7ga0～0.3n，其中x1和1-x1分别代表其对应的al和ga含量；
s3、在第一层alx1ga1-x1n缓冲层9成长完毕后，在其上方成长第二层缓冲层结构,第二层为alx2ga1-x2n缓冲层10，其中x2＝0.8～0.5,即为al0.8～0.5ga0.2～0.5n，其中x2和1-x2分别代表其对应的al和ga含量；
s4、在第二层alx2ga1-x2n缓冲层10成长完毕后，在其上方成长第三层缓冲层结构,第三层为alx3ga1-x3n缓冲层11，其中x3＝0.6～0.3,即为al0.6～0.3ga0.4～0.7n，其中x3和1-x3分别代表其对应的al和ga含量；
s5、经过步骤s2,s3和s4成长形成了缓变式多层缓冲层3，然后在缓变式多层缓冲层3上方依次成长相应的c-gan层4、i-gan层5、alnspacer层6、alganbarrier层7和gancap层8，形成氮化镓外延结构层，对制备氮化镓器件进行器件制造测试和二维数值仿真测试。
进一步，一种图形化之si或sic衬底1系指衬底1的表面设置有一条以上的凹下或凸起的条状图形。
alx1ga1-x1n缓冲层9、alx2ga1-x2n缓冲层10和alx3ga1-x3n缓冲层11的厚度为100～1000nm。
进一步的，缓变式多层缓冲层3的层数n为3-10层。
进一步的，对s5中制备的氮化镓器件进行器件制造测试，包括以下步骤：
a1、通过电感耦合等离子体刻蚀技术完成了台面刻蚀工艺，刻蚀所用的掩膜为光刻胶，所用的气体为bcl3/cl2，其中cl2气电离可产生强化学活性的等离子体，与样品发生化学反应，此外，带电的强活性等离子体在反应腔体中的直流偏置的作用下轰击样品表面，对样品进行物理刻蚀，而化学活性相对较弱的bcl3形成的等离子体，会聚集在刻蚀的侧墙边缘，保护侧墙，避免发生钻蚀；a2、采用电子束蒸发ti/al/ni/au的金属结构形成源漏金属，并用丙酮作为溶剂，剥离掉不需要的金属，剥离清洗后在n2环境快速热退火30s，退火温度为870℃；
a3、采用电子束蒸发ni/au金属结构作为栅极金属，并通过金属剥离形成栅条；
a4、采用n2气作为载气并加入sih4和nh3淀积低应力的sinx钝化层，该工艺通过增强型等离子体化学气相淀积实现，之后通过反应离子刻蚀机刻蚀电机通孔。
a5、采用安捷伦b2902精密型电源/测量单元对器件进行了三种不同方式的转移曲线测试。
进一步，优选地，a5中的转移曲线测试，包括：直流测试方式，栅压从-6v以直流方式扫描到 2v，同时漏压保持8v恒定；漏脉冲测试，栅压从-6v以直流方式扫描到 2v，漏压为脉冲方式，即关态电压为ov，开态电压为8v，开态/关态时间为0.2ms/200ms；栅脉冲测试，栅压从-6v己脉冲方式扫描到 2v，脉冲的关态电压为-6v，开态电压为测量点电压，漏压保持恒定8v，器件的开/关态时间为0.2ms/200ms。
进一步，优选地，s5中的器件二维数值仿真测试，采用sentaurusdevice软件，器件结构与实验样品一致。在a1gan/gan界面处引入面密度为1.1×1013cm-2的固定正电荷，以模拟由极化效应产生的束缚正电荷；为研究栅下类受主态陷阱对器件电学性能的影响，在栅正下方的势垒层区域引入浓度为nt的类受主态。其简并度为1，俘获横截面为σn＝σp＝1×10-15cm2，仿真所用基本输运模型为漂移-扩散模型，该模型没有引入热载流子效应；仿真中为了模拟栅脉冲测试，采用了traps-frozen的仿真技术。在栅脉冲测试中，栅下的类受主态陷阱一直保持在栅极为一定负偏压时的电离程度，相应的，在仿真转移曲线时，可以设置让栅下势垒层中的陷阱一直保持在某个状态，与实验情况栅脉冲实验对应起来。具体地说，在一组仿真过程中，栅压从-6v增加到2v，但是栅下类受主陷阱的电离状态一直保持在栅压为-6v时的情形。
实施例3：基于实施例1和2，但有所不同的是：
利用平面或图形化之si或sic衬底1在gan与aln间插入缓变式多层缓冲层3，缓变式多层缓冲层3采用依次成长的多层algan结构形成，由于al含量缓变式多层结构,对于晶格不匹配造成之缺陷密度过高的,更有效解决晶格错位问题进而更有效地改善gan信道层晶体质量，对于晶格应力造成的翘曲,以及热膨胀不匹配性造成内应力蓄积问题,因应力均匀由各层algan结构分多阶段处理,可获得大幅度改善,也形成更稳定之外延结构，多层algan结构中algan中al和ga的含量缓变方式来大幅增加对于晶格应力的控制能力,平衡内应力,并消除gan/aln晶格不匹配性所造成之线缺陷，以及提供更有效之缓冲来达成高质量gan通道层的需求。
通过实验观察到直流测试和脉冲测试所得跨导曲线在线性度方面存在较大差异，在排除自热效应的影响之后，提出了栅下势垒层类受主态缺陷影响器件跨导线性度这一理论机制，据此很好的解释了实验现象。借助二维数值仿真，详细论述了栅下势垒层中类受主态的作用机制，即栅下势垒层中类受主态随栅压增加而电离，带上负电荷，对沟道2deg起到排斥作用，阻碍2deg随栅压的线性变化，最终使得器件的跨导表现出非线性行为。仿真所得到的趋势与实验现象一致。本实用新型为脉冲测试分析提供了一个新的观察角度，不仅加深了对氮化镓器件跨导非线性行为的理解，而且有助于了解其可靠性问题。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
1.一种提高氮化镓器件外延层质量的结构，包括衬底（1）、i-gan层（5）和gancap层（8），所述衬底（1）位于最底层，gancap层（8）位于最顶层，衬底（1）上部设置有aln缓冲层（2），gancap层（8）的下方设置有alganbarrier层（7），i-gan层（5）设置在alganbarrier层（7）的下方，i-gan层（5）的下部设置有c-gan层（4），其特征在于，c-gan层（4）和aln缓冲层（2）之间设置有缓变式多层缓冲层（3），alganbarrier层（7）和i-gan层（5）之间设置有alnspacer层（6）。
2.根据权利要求1所述的提高氮化镓器件外延层质量的结构，其特征在于，所述缓变式多层缓冲层（3）中缓冲层的层数为3-10层。
3.根据权利要求1或2所述的提高氮化镓器件外延层质量的结构，其特征在于，所述缓变式多层缓冲层（3）中缓冲层均为algan结构。
4.根据权利要求1所述的提高氮化镓器件外延层质量的结构，其特征在于，所述衬底（1）采用si层或sic层。
5.根据权利要求1所述的提高氮化镓器件外延层质量的结构，其特征在于，所述缓冲式多层缓冲层（3）包括alx1ga1-x1n缓冲层（9）、alx2ga1-x2n缓冲层（10）和alx3ga1-x3n缓冲层（11），x1、x2和x3均代表对应的al含量，1-x1、1-x2和1-x3均代表对应的ga含量。
6.根据权利要求1所述的提高氮化镓器件外延层质量的结构，其特征在于，所述衬底（1）的表面设置有至少一条凹下或者凸起的条状图形。
7.根据权利要求1所述的提高氮化镓器件外延层质量的结构，其特征在于，所述缓变式多层缓冲层（3）中缓冲层的厚度为100-1000nm。
技术总结