CN112397575B - 外延结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种外延结构，包括：基板、缓冲层、背面扩散阻挡层、形成在背面扩散阻挡层上的通道层以及形成在通道层上的阻挡层。缓冲层形成在基板上。背面扩散阻挡层形成在缓冲层上，背面扩散阻挡层的化学组成为AlxInyGa1‑x‑ yN，其中0≦x≦1且0≦y≦1，背面扩散阻挡层的晶格常数在之间。背面扩散阻挡层于厚度方向上由多个区域组成，且背面扩散阻挡层的铝含量与铟含量沿厚度方向为阶梯式变化或阶梯渐变式变化。背面扩散阻挡层还包括碳，且碳浓度沿厚度方向为阶梯式变化或阶梯渐变式变化。

Description

外延结构
技术领域
本发明涉及一种半导体结构，尤其涉及一种外延结构。
背景技术
由于氮化镓(GaN)具有较高的频率与输出功率等优点，因此目前已经广泛应用于半导体外延工艺中，且适合应用于5G基站上。
然而，使用氮化镓材料的传统扩散阻挡层虽可有效降低杂质扩散至通道层，但此方法并无法改善二维电子气(2DEG)溢流至缓冲层(buffer layer)，进而易影响元件特性。
另外，传统结构为了改善载流子局限能力，通常会形成一层作为阻挡层(barrierlayer)的氮化镓铝(AlGaN)层，来预防载流子往缓冲层移动，而可改善直流(DC)与电流漏泄特性。但由于晶格常数差异，容易导致后续形成作为通道层的氮化镓层的质量劣化。再者，所述阻挡层无法有效防止铁扩散至通道层，进而影响元件特性。
发明内容
本发明是针对一种外延结构，可改善外延结构的晶格匹配性，而可降低接口缺陷，且同时具有扩散阻挡作用与改善载流子局限能力，进而增加元件特性。
根据本发明的实施例，一种外延结构包括基板、缓冲层、背面扩散阻挡层、通道层以及阻挡层。缓冲层形成在基板上，背面扩散阻挡层形成在缓冲层上，通道层形成在背面扩散阻挡层上，阻挡层则形成在通道层上。所述背面扩散阻挡层的化学组成为AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x≤1且0≤y≤1；晶格常数在之间，其中背面扩散阻挡层于厚度方向上由多个区域组成；且铝含量与铟含量沿厚度方向为阶梯式变化(stepped change)或阶梯渐变式变化(gradually-stepped change)；背面扩散阻挡层还包括碳，且碳浓度沿厚度方向为阶梯式变化或阶梯渐变式变化。
在根据本发明的实施例的外延结构中，上述背面扩散阻挡层中的铝含量沿厚度方向为阶梯式增加，铟含量沿厚度方向为阶梯式增加，且铝含量的阶梯斜率为0.1％/阶梯(％/step)～50％/阶梯，铟含量的阶梯斜率为0.1％/阶梯～20％/阶梯；铝含量的起始值为0～50％，铝含量的结束值为50％～100％，铟含量的起始值为0～50％，铟含量的结束值为5％～50％：背面扩散阻挡层的能隙(energy gap，Eg)沿厚度方向从3.4±1eV至5.03±1eV阶梯式增加；背面扩散阻挡层的碳浓度沿厚度方向为阶梯式增加，其起始值为1E16cm-3～1E18cm-3、结束值为1E17cm-3～1E19cm-3。
在根据本发明的实施例的外延结构中，上述背面扩散阻挡层中的铝含量沿厚度方向为阶梯式降低，铟含量沿厚度方向为阶梯式降低，且铝含量的阶梯斜率为-0.1％/阶梯～-50％/阶梯，铟含量的阶梯斜率为-0.1％/阶梯～-20％/阶梯；铝含量的起始值为50％～100％，铝含量的结束值为0～50％，铟含量的起始值为5％～50％，铟含量的结束值为0～50％；背面扩散阻挡层的能隙沿厚度方向从5.03±1eV至3.4±1eV阶梯式降低；背面扩散阻挡层的碳浓度沿厚度方向为阶梯式降低，其起始值为1E17cm-3～1E19cm-3、结束值为1E16cm-3～1E18cm-3。
在根据本发明的实施例的外延结构中，上述背面扩散阻挡层中的铝含量沿厚度方向为阶梯渐变式增加，铟含量沿厚度方向为阶梯渐变式增加，且铝含量的阶梯斜率为0.1％/阶梯～50％/阶梯，铟含量的阶梯斜率为0.1％/阶梯～20％/阶梯，铝含量的渐变斜率为1％/nm～50％/nm，铟含量的渐变斜率为1％/nm～10％/nm；铝含量的起始值为0～50％，铝含量的结束值为50％～100％，铟含量的起始值为0～50％，铟含量的结束值为5％～50％；背面扩散阻挡层的能隙沿厚度方向从3.4±1eV至5.03±1eV阶梯渐变式增加；背面扩散阻挡层还的碳浓度沿厚度方向为阶梯渐变式增加，其起始值为1E16cm-3～1E18cm-3、结束值为1E17cm-3～1E19cm-3。
在根据本发明的实施例的外延结构中，上述背面扩散阻挡层中的铝含量沿厚度方向为阶梯渐变式降低，铟含量沿厚度方向为阶梯渐变式降低，且铝含量的阶梯斜率为-0.1％/阶梯～-50％/阶梯，铟含量的阶梯斜率为-0.1％/阶梯～-20％/阶梯，铝含量的渐变斜率为-1％/nm～-50％/nm，铟含量的渐变斜率为-1％/nm～-10％/nm；铝含量的起始值为50％～100％，铝含量的结束值为0～50％，铟含量的起始值为5％～50％，铟含量的结束值为0～50％；背面扩散阻挡层的能隙沿厚度方向从5.03±1eV至3.4±1eV阶梯渐变式降低；背面扩散阻挡层的碳浓度沿厚度方向为阶梯渐变式降低，其起始值为1E17cm-3～1E19em-3、结束值为1E16cm-3～1E18cm-3。
在根据本发明的实施例的外延结构中，上述背面扩散阻挡层的厚度在1nm～200nm之间且层数在2至30层。
根据本发明的另一实施例，一种外延结构包括基板、缓冲层、背面扩散阻挡层、通道层以及阻挡层。缓冲层形成在基板上，背面扩散阻挡层形成在缓冲层上，通道层形成在背面扩散阻挡层上，阻挡层则形成在通道层上。所述背面扩散阻挡层于厚度方向上由多层氮化镓薄膜与多层氮化铝铟镓薄膜交替堆叠所组成，其中氮化铝铟镓薄膜的化学组成为AlxInyGa1-x-yN，0≤x≤1且0≤y≤1，背面扩散阻挡层的晶格常数在之间，其中多层氮化铝铟镓薄膜的铝含量与铟含量沿厚度方向为阶梯式变化或阶梯渐变式变化，背面扩散阻挡层还可包括碳，且碳浓度沿厚度方向为阶梯式变化或阶梯渐变式变化。
在根据本发明的另一实施例的外延结构中，上述多层氮化铝铟镓薄膜中的铝含量沿厚度方向为阶梯式增加，铟含量沿厚度方向为阶梯式增加，且铝含量的阶梯斜率为0.1％/阶梯～50％/阶梯，铟含量的阶梯斜率为0.1％/阶梯～20％/阶梯；铝含量的起始值为0～50％、结束值为50％～100％，铟含量的起始值为0～50％、结束值为5％～50％；多层氮化铝铟镓薄膜的能隙沿厚度方向从3.4±1eV至5.03±1eV阶梯式增加；背面扩散阻挡层的碳浓度沿厚度方向为阶梯式增加，其起始值为1E16cm-3～1E18cm-3、结束值为1E17cm-3～1E19cm-3。
在根据本发明的另一实施例的外延结构中，上述多层氮化铝铟镓薄膜中的铝含量沿厚度方向为阶梯式降低，铟含量沿所述厚度方向为阶梯式降低，且铝含量的阶梯斜率为-0.1％/阶梯～-50％/阶梯，铟含量的阶梯斜率为-0.1％/阶梯～-20％/阶梯；铝含量的起始值为50％～100％、结束值为0～50％，铟含量的起始值为5％～50％、结束值为0～50％；多层氮化铝铟镓薄膜的能隙沿厚度方向从5.03±1eV至3.4±1eV阶梯式降低；背面扩散阻挡层的碳浓度沿厚度方向为阶梯式降低，其起始值为1E17cm-3～1E19cm-3、结束值为1E16cm-3～1E18cm-3。
在根据本发明的另一实施例的外延结构中，上述多层氮化铝铟镓薄膜中每一层的铝含量与铟含量均由三段变化所组成，其中三段变化包括由0渐变至最大值的第一渐变区、固定在最大值的固定区、以及由最大值渐变至0的第二渐变区。所述固定区的值沿着厚度方向阶梯式增加，且铝含量的阶梯斜率为0.1％/阶梯～50％/阶梯、铟含量的阶梯斜率为0.1％/阶梯～20％/阶梯。所述第一渐变区的铝含量的渐变斜率为1％/nm～50％/nm，铟含量的渐变斜率为1％/nm～10％/nm。所述第二渐变区的铝含量的渐变斜率为-1％/nm～-50％/nm，铟含量的渐变斜率为-1％/nm-10％/nm。所述多层氮化铝铟镓薄膜中的铝含量的起始值为0～50％、结束值为50％～100％，铟含量的起始值为0～50％、结束值为5％～50％。
在根据本发明的另一实施例的外延结构中，上述多层氮化铝铟镓薄膜中每一层的能隙由三段变化所组成，其中三段变化包括由最小值渐变至最大值的第一渐变区、固定在最大值的固定区、以及由最大值渐变至最小值的第二渐变区。所述多层氮化铝铟镓薄膜中的能隙的最小值相同，且所述固定区的值沿厚度方向从3.4±1eV至5.03±1eV阶梯式增加。
在根据本发明的另一实施例的外延结构中，上述背面扩散阻挡层的碳浓度沿厚度方向为阶梯渐变式增加，其起始值为1E16cm-3～1E18cm-3、结束值为1E17cm-3～1E19cm-3。
在根据本发明的另一实施例的外延结构中，上述多层氮化铝铟镓薄膜中每一层的铝含量与铟含量均由三段变化所组成，其中三段变化包括由0渐变至最大值的第一渐变区、固定在最大值的固定区、以及由最大值渐变至0的第二渐变区。所述固定区的值沿着厚度方向阶梯式降低，且铝含量的阶梯斜率为-0.1％/阶梯～-50％/阶梯，铟含量的阶梯斜率为-0.1％/阶梯～-20％/阶梯。所述第一渐变区的铝含量的渐变斜率为1％/nm～50％/nm，铟含量的渐变斜率为1％/nm～10％/nm。所述第二渐变区的铝含量的渐变斜率为-1％/nm～-50％/nm，铟含量的渐变斜率为-1％/nm-10％/nm。所述多层氮化铝铟镓薄膜中的铝含量的起始值为50％～100％、结束值为0～50％，铟含量的起始值为5％～50％、结束值为0～50％。
在根据本发明的另一实施例的外延结构中，上述多层氮化铝铟镓薄膜中每一层的能隙由三段变化所组成，其中三段变化包括由最小值渐变至最大值的第一渐变区、固定在最大值的固定区、以及由最大值渐变至最小值的第二渐变区。所述多层氮化铝铟镓薄膜中的能隙的最小值相同，且所述固定区的值沿厚度方向从5.03±1eV至3.4±1eV阶梯式降低。
在根据本发明的另一实施例的外延结构中，上述背面扩散阻挡层的碳浓度沿厚度方向为阶梯渐变式降低，其起始值为1E17cm-3～1E19cm-3、结束值为1E16cm-3～1E18cm-3。
在根据本发明的另一实施例的外延结构中，上述背面扩散阻挡层的厚度在1nm～5000nm之间，氮化铝铟镓薄膜的厚度在1nm～600nm之间且层数在2至30层。
基于上述，本发明通过设置于缓冲层与通道层之间具有特定铝含量变化及铟含量变化的背面扩散阻挡层，来提升外延结构的晶格匹配性、降低接口缺陷密度、维持通道层质量，且同时具有扩散阻挡作用与提升载流子局限能力，进而提升元件的直流(DC)电流、电流漏泄、动态特性及射频(RF)特性等。
附图说明
包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1是依照本发明的第一实施例的一种外延结构的剖面示意图；
图2是第一实施例的外延结构的背面扩散阻挡层的不同化学组成的晶格常数与能隙的关系图；
图3是第一实施例的部分外延结构沿厚度方向的第一种化学组成含量变化、形成温度变化及特性变化示意图；
图4是第一实施例的部分外延结构沿厚度方向的第二种化学组成含量变化、形成温度变化及特性变化示意图；
图5是第一实施例的部分外延结构沿厚度方向的第三种化学组成含量变化、形成温度变化及特性变化示意图；
图6是第一实施例的部分外延结构沿厚度方向的第四种化学组成含量变化、形成温度变化及特性变化示意图；
图7是依照本发明的第二实施例的一种外延结构的剖面示意图；
图8是第二实施例的部分外延结构沿厚度方向的第一种化学组成含量变化、形成温度变化及特性变化示意图；
图9是第二实施例的部分外延结构沿厚度方向的第二种化学组成含量变化、形成温度变化及特性变化示意图；
图10是第二实施例的部分外延结构沿厚度方向的第三种化学组成含量变化、形成温度变化及特性变化示意图；
图11是第二实施例的部分外延结构沿厚度方向的第四种化学组成含量变化、形成温度变化及特性变化示意图。
附图标号说明
100：基板；
102：缓冲层；
104：背面扩散阻挡层；
104a：接口；
106：通道层；
108：阻挡层；
110：成核层；
112a、114a：固定区(区域)；
112b、114b：渐变区(区域)；
200：氮化镓薄膜；
202：氮化铝铟镓薄膜；
202a、202d：第一渐变区；
202b、202e：固定区；
202c、202f：第二渐变区。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。为了方便理解，下述说明中相同的元件将以相同的符号标示来说明。
图1是依照本发明的第一实施例的一种外延结构的剖面示意图。
请参照图1，本实施例的外延结构包括基板100、缓冲层102、背面扩散阻挡层104、通道层106以及阻挡层108。缓冲层102形成在基板100上，背面扩散阻挡层104形成在缓冲层102上，通道层106形成在背面扩散阻挡层104上，阻挡层108则形成在通道层106上。背面扩散阻挡层104的化学组成为AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x≤1且0≤y≤1譬如0.1≤x≤0.8且0.022≤y≤0.176，x表示Al(铝)含量，y表示In(铟)含量，1-x-y表示Ga(镓)含量。背面扩散阻挡层104的晶格常数在之间，且背面扩散阻挡层104于厚度方向上由多个区域组成。此外，在本文中所叙述的一个“区域”的定义为x值与y值的一种变化，但区域的数目不一定代表层数，因为工艺的关系，单一层结构中可能包含x值与y值的多种变化，因此单一层可以是单一或由数个区域组成，但本发明并不限于此。并且，背面扩散阻挡层104的铝含量与铟含量沿厚度方向为阶梯式变化或阶梯渐变式变化。关于背面扩散阻挡层104的铝含量变化与铟含量变化将于下文详述。
请继续参照图1，基板100的材料例如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、氮化镓、碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)等基板或其他适合的材料。缓冲层102的材料例如掺杂有掺质的(高阻)氮化镓等，其中缓冲层102的掺质的浓度例如为1E17cm-3～5E18cm-3、较佳为4E17cm-3～2E18cm-3。在一实施例中，缓冲层102的掺质例如包括铁、镁、碳与硅等。通道层106的材料例如氮化镓等。阻挡层108的材料例如氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)、氮化铝铟(AlInN)、氮化铝镓铟(AlGnInN)等。另外，为了减少外延结构的应力、调整外延生长后的外延结构的翘曲度等，可在基板100与缓冲层102之间位成一成核层110，其材料例如氮化铝铟等。
在本实施例中，背面扩散阻挡层104还包括碳。举例来说，背面扩散阻挡层104的碳浓度沿厚度方向为阶梯式变化或阶梯渐变式变化，但本发明并不限于此。背面扩散阻挡层104的碳浓度例如小于1E19cm-3。关于背面扩散阻挡层104的碳浓度变化将于下文详述。
在本实施例中，背面扩散阻挡层104的形成温度例如是沿厚度方向阶梯式变化或阶梯渐变式变化，但本发明并不限于此。其中，掺质的扩散会随上述形成温度变化而变化。举例来说，由于上述碳浓度会随形成温度变高而增加、随形成温度降低而减少。因此，可通过上述的碳浓度变化反推出背面扩散阻挡层的形成温度。关于背面扩散阻挡层104的形成温度变化将于下文详述。
在本实施例中，背面扩散阻挡层104与通道层106之间的接口104a的粗糙度(rms)例如在0.1nm～5nm之间，较佳为0.1nm～2nm。背面扩散阻挡层104的厚度例如在1nm～200nm之间，较佳为1nm～50nm。背面扩散阻挡层104的层数例如在2至30层，较佳为2至10层。
本实施例通过设置背面扩散阻挡层104，可通过其中特定铝含量变化、铟含量变化与形成温度变化，来改善外延结构的晶格匹配性，而可降低接口缺陷，且同时具有扩散阻挡作用与改善载流子局限能力，进而增加元件特性。
图2是第一实施例的外延结构的背面扩散阻挡层的不同化学组成的晶格常数与能隙的关系图。
在本实施例中，通过改变背面扩散阻挡层104的化学组成AlxInyGa1-x-yN的铝含量与铟含量，可获得背面扩散阻挡层104的能隙(Eg)与晶格常数之间的关系，其中将此关系绘制于图2中。当代表铝含量的x值为1且代表铟含量的y值为0时，即背面扩散阻挡层104的化学组成为AlN时，其能隙约6.13eV，晶格常数约当x值为0且y值为1时，即背面扩散阻挡层104的化学组成为InN时，其能隙约0.64eV，晶格常数约/>当x值为0且y值为0时，即背面扩散阻挡层104的化学组成为GaN时，其能隙约3.4eV，晶格常数约/> 进而，随着x值由0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7提高至0.8时，其所得的能隙越高，且每一x值对应的能隙与晶格常数呈线性关系。此外，于x值为定值的情况下，随着镓含量的减少(如图2中的箭头所示)，即铟含量的增加，其所得的晶格常数越高。
另一方面，可经由图2调整背面扩散阻挡层104的铝含量与铟含量，使得后续形成的外延结构具有较佳近晶格匹配性或晶格匹配性，且同时具有高能隙。举例来说，可选定与GaN的晶格常数匹配的晶格常数来进行调整。例如将晶格常数选定为3.189时，经由图2所获得的相关数值列于下表1中。借此，可降低背面扩散阻挡层104、与通道层106或缓冲层102之间的晶格常数差异，而可获得同时保有高能隙与较佳晶格匹配性的外延结构。
表1(Al(％)+In(％)+Ga(％)＝100％)
图3至图6是第一实施例的一种外延结构中的背面扩散阻挡层沿厚度方向的化学组成含量变化、形成温度变化及特性变化示意图，其中“化学组成含量”是指铝含量、铟含量与镓含量，“特性”是指能隙与晶格常数。
以下，所述的“阶梯式增加”是指铝含量、铟含量或形成温度等值沿着厚度方向逐步增加，例如图中有多个阶梯式区段，每个阶梯式区段内的值不变。所述的“阶梯式降低”是指铝含量、铟含量或形成温度等值沿着厚度方向逐步降低，例如图中有多个阶梯式区段，每个阶梯式区段内的值不变。所述的“阶梯渐变式增加”是定义为数个区域中的铝含量、铟含量或形成温度等值的最小值沿着厚度方向增大的变化(例如图5所示区域112a～112b中的铝含量变化，且每两个区域的铝含量、铟含量或形成温度等值是由固定区112a与渐变区112b所组成；也就是说，每两个区域是由一个值为定值的固定区112a与一个值以线性增加的渐变区112b所组成。所述的“阶梯渐变式降低”是定义为数个区域中的铝含量、铟含量或形成温度等值的最大值沿着厚度方向减小的变化(例如图6所示区域114a～114b中的铝含量变化)，且每两个区域的铝含量、铟含量或形成温度等值是由固定区114a与渐变区114b所组成；也就是说，每两个区域是由一个值为定值的固定区与一个值以线性降低的渐变区所组成。
图3是背面扩散阻挡层呈现阶梯式增加的示意图。请参照图3，背面扩散阻挡层的铝含量沿厚度方向例如为阶梯式增加，铟含量沿厚度方向例如为阶梯式增加，镓含量沿厚度方向则例如为阶梯式降低。背面扩散阻挡层104的铝含量的起始含量例如0％～50％、较佳为0％～20％，结束含量例如50％～100％、较佳为60％～90％；铟含量的起始含量例如0％～50％、较佳为0％～10％，结束含量例如5％～50％、较佳为5％～30％。举例来说，铝含量的阶梯斜率可为0.1％/阶梯～50％/阶梯，较佳为0.1％/阶梯～10％/阶梯；铟含量的阶梯斜率可为0.1％/阶梯～20％/阶梯，较佳为0.1％/阶梯～10％/阶梯。
在本实施例中，背面扩散阻挡层的形成温度沿厚度方向例如为阶梯式降低。背面扩散阻挡层104的形成温度的起始温度例如800℃～1000℃、较佳为800℃～900℃，结束温度例如600℃～900℃、较佳为650℃～800℃。举例来说，形成温度的阶梯斜率可为-1℃/阶梯～-100℃/阶梯，较佳为-1℃/阶梯～-50℃/阶梯。
在本实施例中，通过上述背面扩散阻挡层中的化学组成含量变化与形成温度变化，所得的背面扩散阻挡层的能隙沿厚度方向例如从3.4±1eV至5.03±1eV阶梯式增加，较佳为从3.4±0.5eV至5.03±0.5eV阶梯式增加。背面扩散阻挡层的晶格常数沿厚度方向例如为较佳为/>
另外，背面扩散阻挡层例如还可包括碳，且其碳浓度沿厚度方向为阶梯式增加。背面扩散阻挡层104的碳浓度的起始值例如为1E16cm-3～1E18cm-3、较佳为1E16cm-3～17E17cm-3，结束值例如为1E17cm-3～1E19cm-3、较佳为1E17cm-3～1E18cm-3。
图4是背面扩散阻挡层呈现阶梯式降低的示意图。请参照图4，背面扩散阻挡层的铝含量沿厚度方向例如为阶梯式降低，铟含量沿厚度方向例如为阶梯式降低，镓含量沿厚度方向则例如为阶梯式增加。背面扩散阻挡层104的铝含量的起始含量例如50％～100％、较佳为60％～90％，结束含量例如0％～50％、较佳为0％～20％；铟含量的起始含量例如5％～50％、较佳为5％～30％，结束含量例如0％～50％、较佳为0％～10％。举例来说，铝含量的阶梯斜率可为-0.1％/阶梯～-50％/阶梯，较佳为-0.1％/阶梯～-10％/阶梯；铟含量的阶梯斜率可为-0.1％/阶梯～-20％/阶梯，较佳为-0.1％/阶梯～-10％/阶梯。
在本实施例中，背面扩散阻挡层的形成温度沿厚度方向例如为阶梯式增加。背面扩散阻挡层104的形成温度的起始温度例如600℃～900℃、较佳为650℃～800℃，结束温度例如800℃～1000℃、较佳为800℃～900℃。举例来说，形成温度的阶梯斜率可为1℃/阶梯～100℃/阶梯，较佳为1℃/阶梯～50℃/阶梯。
在本实施例中，通过上述背面扩散阻挡层中的化学组成含量变化与形成温度变化，所得的背面扩散阻挡层的能隙沿厚度方向例如从5.03±1eV至3.4±1eV阶梯式降低，较佳为从5.03±0.5eV至3.4±0.5eV阶梯式降低。背面扩散阻挡层的晶格常数沿厚度方向例如为 较佳为/>
另外，背面扩散阻挡层例如还可包括碳，且其碳浓度沿厚度方向为阶梯式降低。背面扩散阻挡层104的碳浓度的起始值例如为1E17cm-3～1E19cm-3、较佳为1E17cm-3～1E18cm-3，结束值例如为1E16cm-3～1E18cm-3、较佳为1E16cm-3～17E17cm-3。
图5是背面扩散阻挡层呈现阶梯渐变式增加的示意图。请参照图5，背面扩散阻挡层的铝含量沿厚度方向例如为阶梯渐变式增加，铟含量沿厚度方向例如为阶梯渐变式增加，镓含量沿厚度方向则例如为阶梯渐变式降低。以图5为例，背面扩散阻挡层104包含16个区域，换句话说，背面扩散阻挡层104包含8个固定区112a与8个渐变区112b，且固定区与渐变区是互相交替的。背面扩散阻挡层104的铝含量的起始含量例如0％～50％、较佳为0％～20％，结束含量例如50％～100％、较佳为60％～90％；铟含量的起始含量例如0％～50％、较佳为0％～10％，结束含量例如5％～50％、较佳为5％～30％。举例来说，铝含量的阶梯斜率可为0.1％/阶梯～50％/阶梯，较佳为0.1％/阶梯～10％/阶梯；铟含量的阶梯斜率可为0.1％/阶梯～20％/阶梯，较佳为0.1％/步～10％/阶梯。铝含量的渐变斜率可为1％/nm～50％/nm，较佳为1％/nm～30％/nm；铟含量的渐变斜率可为1％/nm～10％/nm，较佳为1％/nm～5％/nm。
在本实施例中，背面扩散阻挡层的形成温度沿厚度方向例如为阶梯渐变式降低。背面扩散阻挡层104的形成温度的起始温度例如800℃～1000℃、较佳为800℃～900℃，结束温度例如600℃～900℃、较佳为650℃～800℃。举例来说，形成温度的阶梯斜率可为-1℃/阶梯～-100℃/阶梯，较佳为-1℃/阶梯～-50℃/阶梯。形成温度的渐变斜率可为-1℃/sec～-10℃/sec，较佳为-1℃/sec～-5℃/sec。
在本实施例中，通过上述背面扩散阻挡层中的化学组成含量变化与形成温度变化，所得的背面扩散阻挡层的能隙沿厚度方向例如从3.4±1eV至5.03±1eV阶梯渐变式增加，较佳为从3.4±0.5eV至5.03±0.5eV阶梯渐变式增加。背面扩散阻挡层的晶格常数沿厚度方向例如为较佳为/>
另外，背面扩散阻挡层例如还可包括碳，且其碳浓度沿厚度方向为阶梯渐变式增加。背面扩散阻挡层104的碳浓度的起始值例如为1E16cm-3～1E18cm-3、较佳为1E16cm-3～17E17cm-3，结束值例如为1E17cm-3～1E19cm-3、较佳为1E17cm-3～1E18cm-3。
图6是背面扩散阻挡层呈现阶梯式降低的示意图。请参照图6，背面扩散阻挡层的铝含量沿厚度方向例如为阶梯渐变式降低，铟含量沿厚度方向例如为阶梯渐变式降低，镓含量沿厚度方向则例如为阶梯渐变式增加。以图6为例，背面扩散阻挡层104包含16个区域，换句话说，背面扩散阻挡层104包含8个固定区114a与8个渐变区114b，且固定区与渐变区是互相交替的。背面扩散阻挡层104的铝含量的起始含量例如50％～100％、较佳为60％～90％，结束含量例如0％～50％、较佳为0％～20％；铟含量的起始含量例如5％～50％、较佳为5％～30％，结束含量例如0％～50％、较佳为0％～10％。举例来说，铝含量的阶梯斜率可为-0.1％/阶梯～-50％/阶梯，较佳为-0.1％/阶梯～-10％/阶梯；铟含量的阶梯斜率可为-0.1％/阶梯～-20％/阶梯，较佳为-0.1％/阶梯～-10％/阶梯。铝含量的渐变斜率可为-1％/nm～-50％/nm，较佳为-1％/nm～-30％/nm；铟含量的渐变斜率可为-1％/nm～-10％/nm，较佳为-1％/nm～-5％/nm。
在本实施例中，背面扩散阻挡层的形成温度沿厚度方向例如为阶梯渐变式增加。背面扩散阻挡层104的形成温度的起始温度例如600℃～900℃、较佳为650℃～800℃，结束温度例如800℃～1000℃、较佳为800℃～900℃。举例来说，形成温度的阶梯斜率可为1℃/阶梯～100℃/阶梯，较佳为1℃/阶梯～50℃/阶梯。形成温度的渐变斜率可为1℃/sec～10℃/sec，较佳为1℃/sec～5℃/sec。通过背面扩散阻挡层的特定形成温度变化，可直接形成铝含量呈阶梯渐变式的背面扩散阻挡层，以防止例如缓冲层中的掺质扩散至通道层中，进而改善载流子局限能力。
如此一来，通过上述背面扩散阻挡层中的化学组成含量变化与形成温度变化，所得的背面扩散阻挡层的能隙沿厚度方向例如从5.03±1eV至3.4±1eV阶梯渐变式降低，较佳为从5.03±0.5eV至3.4±0.5eV阶梯渐变式降低。背面扩散阻挡层的晶格常数沿厚度方向例如为较佳为/>其中相较于图3至图5所示的实施方式，图6所示的实施方式具有较佳的背面扩散阻挡层的晶格匹配性，且其形成温度为阶梯渐变式增加，因此可防止后续形成的通道层的质量劣化，进而可获得较佳的外延结构与元件特性。
另外，背面扩散阻挡层例如还可包括碳，且其碳浓度沿厚度方向为阶梯渐变式降低。背面扩散阻挡层104的碳浓度的起始值例如为1E17cm-3～1E19cm-3、较佳为1E17cm-3～1E18cm-3，结束值例如为1E16cm-3～1E18cm-3、较佳为1E16cm-3～17E17cm-3。
在图3至图6中，通过背面扩散阻挡层的特定铝含量变化、铟含量变化与形成温度变化，来改善外延结构的晶格匹配性，而可降低接口缺陷，且同时具有扩散阻挡作用与改善载流子局限能力，进而增加元件特性。以晶格匹配性的观点来看，优选为图6的实施方式，原因为其所获得的外延结构的晶格匹配性较高，因此可更有效地提升扩散阻挡能力及载流子局限能力，进而获得较佳的元件特性。
图7是依照本发明的第二实施例的一种外延结构的剖面示意图，其中使用与第一实施例相同或相似的元件符号表示相同或相似的构件，且相同的构件的说明可参照第一实施例，于此不再赘述。
请参照图7，第二实施例的外延结构与第一实施例的外延结构的不同处在于：背面扩散阻挡层104于厚度方向上由多层氮化镓薄膜200与多层氮化铝铟镓薄膜202交替堆叠所组成，其中氮化铝铟镓薄膜202的化学组成为AlxInyGa1-x-yN，且0≤x≤1且0≤y≤1，譬如0.1≤x≤0.8且0.022≤y≤0.176。氮化铝铟镓薄膜202的铝含量与铟含量沿厚度方向为阶梯式变化或阶梯渐变式变化。此外，背面扩散阻挡层104的厚度例如在1nm～5000nm之间，较佳为50nm～3000nm之间。背面扩散阻挡层104中单一层氮化铝铟镓薄膜202的厚度例如在1nm～600nm之间，较佳为1nm～300nm之间；且多层氮化铝铟镓薄膜202的层数例如在2至30层，较佳为2至10层。
在图7中虽然显示的是5层氮化镓薄膜200与4层氮化铝铟镓薄膜202，但本发明并不限于此；在其它实施例中，氮化镓薄膜200与氮化铝铟镓薄膜202的层数可依据元件设计的需求进行调整。另外，在本实施例中，氮化镓薄膜200例如设置于背面扩散阻挡层104靠近缓冲层102的一侧，且与缓冲层102接触。在另一实施例中，也可将氮化铝铟镓薄膜202设置于背面扩散阻挡层104中与缓冲层102接触的一侧，但本发明不限于此，可依据元件设计的需求进行调整。
另一方面，氮化镓薄膜200例如设置于背面扩散阻挡层104靠近通道层106的一侧，且与通道层106接触。在另一实施例中，也可将氮化铝铟镓薄膜202设置于背面扩散阻挡层104中与通道层106接触的一侧，但本发明不限于此，可依据元件设计的需求进行调整。
图8至图11是第二实施例的一种外延结构中的背面扩散阻挡层沿厚度方向的化学组成含量变化、形成温度变化及特性变化示意图。
请参照图8，如上述图3所示的化学组成含量变化、形成温度变化及特性变化，背面扩散阻挡层104的多层氮化铝铟镓薄膜202中的铝含量沿厚度方向例如为阶梯式增加，铟含量沿厚度方向例如为阶梯式增加，能隙则沿厚度方向从3.4±1eV至5.03±1eV阶梯式增加。
请参照图9，如上述图4所示的化学组成含量变化、形成温度变化及特性变化，背面扩散阻挡层104的多层氮化铝铟镓薄膜202中的铝含量沿厚度方向例如为阶梯式降低，铟含量沿厚度方向例如为阶梯式降低，能隙则沿厚度方向从5.03±1eV至3.4±1eV阶梯式降低。
请同时参照图8及图9，背面扩散阻挡层104的多层氮化镓薄膜200中的化学组成含量变化与特性变化例如维持于一固定值。举例来说，镓含量例如为＞95％，较佳为100％；能隙例如为3.4±1eV，较佳为3.4±0.5eV。
请参照图10与图11，背面扩散阻挡层104的氮化铝铟镓薄膜202例如是由数个固定区与数个渐变区所构成，每个渐变区介于两个固定区之间，且每个渐变区相邻的两个固定区的值为不同的固定值。并且，背面扩散阻挡层104的多层氮化镓薄膜200中的化学组成含量变化与特性变化例如维持于一固定值。举例来说，镓含量例如为＞95％，较佳为100％；能隙例如为3.4±1eV，较佳为3.4±0.5eV。
在图10中，背面扩散阻挡层104的多层氮化铝铟镓薄膜202中每一层的铝含量与铟含量例如由三段变化所组成，其中三段变化例如包括由0渐变至最大值的第一渐变区202a、固定在最大值的固定区202b、以及由最大值渐变至0的第二渐变区202c。其中，固定区202b的铝含量和铟含量沿着厚度方向阶梯式增加，且铝含量的阶梯斜率为0.1％/阶梯～50％/阶梯、较佳为0.1％/阶梯～10％/阶梯，铟含量的阶梯斜率为0.1％/阶梯～20％/阶梯、较佳为0.1％/阶梯～10％/阶梯。第一渐变区202a的铝含量的渐变斜率为1％/nm～50％/nm、较佳为1％/nm～30％/nm，第二渐变区202c的铝含量的渐变斜率为-1％/nm～-50％/nm、较佳为-1％/nm～-30％/nm。第一渐变区202a的铟含量的渐变斜率为1％/nm～10％/nm、较佳为1％/nm～5％/nm，第二渐变区202c的铟含量的渐变斜率为-1％/nm～-10％/nm、较佳为-1％/nm～-5％/nm。
另外，背面扩散阻挡层104的多层氮化铝铟镓薄膜202中每一层的能隙例如由三段变化所组成，其中三段变化例如包括由最小值渐变至最大值的第一渐变区202d、固定在最大值的固定区202e、以及由最大值渐变至最小值的第二渐变区202f。举例来说，固定区202e的值沿厚度方向例如从3.4±1eV至5.03±1eV阶梯式增加，较佳为从3.4±0.5eV至5.03±0.5eV阶梯式增加。第一渐变区202d的能隙则沿厚度方向渐变式增加，第二渐变区202f的能隙沿厚度方向渐变式降低。另外，多层氮化铝铟镓薄膜202中的能隙的最小值例如相同。举例来说，能隙的最小值例如为3.4±1eV，较佳为3.4±0.5eV。
在图11中，与图10的实施方式不同处在于：多层氮化铝铟镓薄膜202中每一层的铝含量与铟含量的固定区202b的值沿着厚度方向阶梯式降低，且铝含量的阶梯斜率为-0.1％/阶梯～-50％/阶梯、较佳为-0.1％/阶梯～-10％/阶梯，铟含量的阶梯斜率为-0.1％/阶梯～-20％/阶梯、较佳为-0.1％/步～-10％/阶梯。另外，多层氮化铝铟镓薄膜202中每一层的能隙的固定区202e的值沿厚度方向例如从5.03±1eV至3.4±1eV阶梯式降低，较佳为从5.03±0.5eV至3.4±0.5eV阶梯式降低。第一渐变区202d的能隙则沿厚度方向渐变式增加，第二渐变区202f的能隙沿厚度方向渐变式降低。
综上所述，根据本发明的外延结构，通过AlxInyGa1-x-yN的背面扩散阻挡层中不同化学组成含量(x值与y值)变化搭配相同晶格常数及形成温度变化，可提升外延结构的晶格匹配性、降低接口缺陷密度、维持通道层质量，且同时具有扩散阻挡作用与提升载流子局限能力，进而提升元件的直流电流、电流漏泄、动态特性及射频特性等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (16)

1.一种外延结构，其特征在于，包括：
基板；
缓冲层，形成在所述基板上：
背面扩散阻挡层，形成在所述缓冲层上，所述背面扩散阻挡层的化学组成为AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x≤1且0≤y≤1，所述背面扩散阻挡层的晶格常数在之间，其中所述背面扩散阻挡层于厚度方向上由多个区域组成，且所述背面扩散阻挡层的铝含量与铟含量沿所述厚度方向为阶梯式变化或阶梯渐变式变化，其中所述铝含量与所述铟含量的变化趋势相同，所述背面扩散阻挡层还包括碳，且碳浓度沿所述厚度方向为阶梯式变化或阶梯渐变式变化：
通道层，形成在所述背面扩散阻挡层上：
阻挡层，形成在所述通道层上。
2.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述背面扩散阻挡层中的所述铝含量沿所述厚度方向为步阶式增加，所述铟含量沿所述厚度方向为步阶式增加，且所述铝含量的步阶斜率为0.1％/步阶～50％/步阶，所述铟含量的步阶斜率为0.1％/步阶～20％/步阶，
所述背面扩散阻挡层的能隙沿所述厚度方向从3.4±1eV至5.03±1eV阶梯式增加，
所述背面扩散阻挡层的所述碳浓度沿所述厚度方向为阶梯式增加，所述碳浓度的起始值为1E16cm-3～1E18cm-3，所述碳浓度的结束值为1E17cm-3～1E19cm-3，
所述铝含量的起始值为0～50％，所述铝含量的结束值为50％～100％，所述铟含量的起始值为0～50％，所述铟含量的结束值为5％～50％。
3.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述背面扩散阻挡层中的所述铝含量沿所述厚度方向为步阶式降低，所述铟含量沿所述厚度方向为步阶式降低，且所述铝含量的步阶斜率为-0.1％/步阶～-50％/步阶，所述铟含量的步阶斜率为-0.1％/步阶～-20％/步阶，
所述背面扩散阻挡层的能隙沿所述厚度方向从5.03±1eV至3.4±1eV阶梯式降低，
所述背面扩散阻挡层的所述碳浓度沿所述厚度方向为阶梯式降低，所述碳浓度的起始值为1E17cm-3～1E19cm-3，所述碳浓度的结束值为1E16cm-3～1E18cm-3，
所述铝含量的起始值为50％～100％，所述铝含量的结束值为0～50％，所述铟含量的起始值为5％～50％，所述铟含量的结束值为0～50％。
4.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述背面扩散阻挡层中的所述铝含量沿所述厚度方向为步阶渐变式增加，所述铟含量沿所述厚度方向为步阶渐变式增加，且所述铝含量的步阶斜率为0.1％/步阶～50％/步阶，所述铟含量的步阶斜率为0.1％/步阶～20％/步阶，所述铝含量的渐变斜率为1％/nm～50％/nm，所述铟含量的渐变斜率为1％/nm～10％/nm，
所述背面扩散阻挡层的能隙沿所述厚度方向从3.4±1eV至5.03±1eV阶梯渐变式增加，
所述背面扩散阻挡层的所述碳浓度沿所述厚度方向为阶梯渐变式增加，且所述碳浓度的起始值为1E16cm-3～1E18cm-3，所述碳浓度的结束值为1E17cm-3～1E19cm-3，
所述铝含量的起始值为0～50％，所述铝含量的结束值为50％～100％，所述铟含量的起始值为0～50％，所述铟含量的结束值为5％～50％。
5.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述背面扩散阻挡层中的所述铝含量沿所述厚度方向步阶渐变式降低，所述铟含量沿所述厚度方向步阶渐变式降低，且所述铝含量的步阶斜率为-0.1％/步阶～-50％/步阶，所述铟含量的步阶斜率为-0.1％/步阶～-20％/步阶，所述铝含量的渐变斜率为-1％/nm～-50％/nm，所述铟含量的渐变斜率为-1％/nm-10％/nm，
所述背面扩散阻挡层的能隙沿所述厚度方向从5.03±1eV至3.4±1eV阶梯渐变式降低，
所述背面扩散阻挡层的所述碳浓度沿所述厚度方向为阶梯渐变式降低，所述碳浓度的起始值为1E17cm-3～1E19cm-3，所述碳浓度的结束值为1E16cm-3～1E18cm-3，
所述铝含量的起始值为50％～100％，所述铝含量的结束值为0～50％，所述铟含量的起始值为5％～50％，所述铟含量的结束值为0～50％。
6.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述背面扩散阻挡层的厚度在1nm～200nm之间且层数在2至30层。
7.一种外延结构，其特征在于，包括：
基板；
缓冲层，形成在所述基板上；
背面扩散阻挡层，形成在所述缓冲层上，所述背面扩散阻挡层于厚度方向上由多层氮化镓薄膜与多层氮化铝铟镓薄膜交替堆叠所组成，其中所述氮化铝铟镓薄膜的化学组成为AlxInyGa1-x-yN，且0≤x≤1且0≤y≤1，所述背面扩散阻挡层的晶格常数在之间，其中所述多层氮化铝铟镓薄膜的铝含量与铟含量沿所述厚度方向为阶梯式变化或阶梯渐变式变化，其中所述铝含量与所述铟含量的变化趋势相同，所述背面扩散阻挡层还包括碳，且碳浓度沿所述厚度方向为阶梯式变化或阶梯渐变式变化；
通道层，形成在所述背面扩散阻挡层上；以及
阻挡层，形成在所述通道层上。
8.根据权利要求7所述的外延结构，其中所述多层氮化铝铟镓薄膜中的所述铝含量沿所述厚度方向为步阶式增加，所述铟含量沿所述厚度方向为步阶式增加，且所述铝含量的步阶斜率为0.1％/步阶～50％/步阶，所述铟含量的步阶斜率为0.1％/步阶～20％/步阶，
所述多层氮化铝铟镓薄膜的能隙沿所述厚度方向从3.4±1eV至5.03±1eV阶梯式增加，
所述背面扩散阻挡层的所述碳浓度沿所述厚度方向为阶梯式增加，所述碳浓度的起始值为1E16cm-3～1E18cm-3，所述碳浓度的结束值为1E17cm-3～1E19cm-3，
所述多层氮化铝铟镓薄膜中的所述铝含量的起始值为0～50％，所述铝含量的结束值为50％～100％，所述铟含量的起始值为0～50％，所述铟含量的结束值为5％～50％。
9.根据权利要求7所述的外延结构，其中所述多层氮化铝铟镓薄膜中的所述铝含量沿所述厚度方向为步阶式降低，所述铟含量沿所述厚度方向为步阶式降低，且所述铝含量的步阶斜率为-0.1％/步阶～-50％/步阶，所述铟含量的步阶斜率为-0.1％/步阶～-20％/步阶，
所述多层氮化铝铟镓薄膜的能隙沿所述厚度方向从5.03±1eV至3.4±1eV阶梯式降低，
所述背面扩散阻挡层的所述碳浓度沿所述厚度方向为阶梯式降低，所述碳浓度的起始值为1E17cm-3～1E19cm-3，所述碳浓度的结束值为1E16cm-3～1E18cm-3，
所述多层氮化铝铟镓薄膜中的所述铝含量的起始值为50％～100％，所述铝含量的结束值为0～50％，所述铟含量的起始值为5％～50％，所述铟含量的结束值为0～50％。
10.根据权利要求7所述的外延结构，其中所述多层氮化铝铟镓薄膜中每一层的所述铝含量与所述铟含量均由三段变化所组成，所述三段变化包括：由0渐变至最大值的第一渐变区、固定在所述最大值的固定区、以及由最大值渐变至0的第二渐变区，所述固定区的值沿着所述厚度方向步阶式增加，且所述铝含量的步阶斜率为0.1％/步阶～50％/步阶，所述铟含量的步阶斜率为0.1％/步阶～20％/步阶，所述第一渐变区的所述铝含量的渐变斜率为1％/nm～50％/nm，所述第二渐变区的所述铝含量的渐变斜率为-1％/nm～-50％/nm，所述第一渐变区的所述铟含量的渐变斜率为1％/nm～10％/nm，所述第二渐变区的所述铟含量的渐变斜率为-1％/nm～-10％/nm，
所述多层氮化铝铟镓薄膜中的所述铝含量的起始值为0～50％，所述铝含量的结束值为50％～100％，所述铟含量的起始值为0～50％，所述铟含量的结束值为5％～50％。
11.根据权利要求10所述的外延结构，其中所述多层氮化铝铟镓薄膜中每一层的能隙由三段变化所组成，所述三段变化包括：由最小值渐变至最大值的第一渐变区、固定在所述最大值的固定区、以及由最大值渐变至最小值的第二渐变区，所述多层氮化铝铟镓薄膜中的能隙的所述最小值相同，所述固定区的值沿所述厚度方向从3.4±1eV至5.03±1eV步阶式增加。
12.根据权利要求10所述的外延结构，其中所述背面扩散阻挡层的所述碳浓度沿所述厚度方向为步阶渐变式增加，所述碳浓度的起始值为1E16cm-3～1E18cm-3，所述碳浓度的结束值为1E17cm-3～1E19cm-3。
13.根据权利要求7所述的外延结构，其中所述多层氮化铝铟镓薄膜中每一层的所述铝含量与所述铟含量均由三段变化所组成，所述三段变化包括：由0渐变至最大值的第一渐变区、固定在所述最大值的固定区、以及由最大值渐变至0的第二渐变区，所述固定区的值沿着所述厚度方向步阶式降低，且所述铝含量的步阶斜率为-0.1％/步阶～-50％/步阶，所述铟含量的步阶斜率为-0.1％/步阶～-20％/步阶，所述第一渐变区的所述铝含量的渐变斜率为1％/nm～50％/nm，所述第二渐变区的所述铝含量的渐变斜率为-1％/nm～-50％/nm，所述第一渐变区的所述铟含量的渐变斜率为1％/nm～10％/nm，所述第二渐变区的所述铟含量的渐变斜率为-1％/nm～-10％/nm，
所述多层氮化铝铟镓薄膜中的所述铝含量的起始值为50％～100％，所述铝含量的结束值为0～50％，所述铟含量的起始值为5％～50％，所述铟含量的结束值为0～50％。
14.根据权利要求13所述的外延结构，其中所述多层氮化铝铟镓薄膜中每一层的能隙由三段变化所组成，所述三段变化包括：由最小值渐变至最大值的第一渐变区、固定在所述最大值的固定区、以及由最大值渐变至最小值的第二渐变区，所述多层氮化铝铟镓薄膜中的能隙的所述最小值相同，所述固定区的值沿所述厚度方向从5.03±1eV至3.4±1eV步阶式降低。
15.根据权利要求13所述的外延结构，其中所述背面扩散阻挡层的所述碳浓度沿所述厚度方向为步阶渐变式降低，所述碳浓度的起始值为1E17cm-3～1E19cm-3，所述碳浓度的结束值为1E16cm-3～1E18cm-3。
16.根据权利要求7所述的外延结构，其中所述背面扩散阻挡层的厚度在1nm～5000nm之间，所述氮化铝铟镓薄膜的厚度在1nm～600nm之间，且所述多层氮化铝铟镓薄膜的层数在2至30层。
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