低接触电阻型GaN基器件及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种低接触电阻型GaN基器件及其制作方法，主要解决现有器件源漏接触电阻、栅漏寄生电容过高的问题。其器件自下而上包括衬底层(1)、成核层(2)、缓冲层(3)、第二沟道区(4)、背势垒层(5)、第一沟道区(6)、插入层(7)、AlGaN/InAlN势垒层(8)和GaN帽层(9)，GaN帽层上设有源电极(10)、漏电极(11)和刻蚀深度至背势垒层的凹槽，凹槽的内壁和GaN帽层除源漏电极外的区域设有钝化层(12)，凹槽内的钝化层上设有栅电极(13)。本发明专利技术降低了欧姆接触电阻，增加了栅漏间距，减小了栅漏反馈电容，提高了器件的工作频率，可用于通讯、卫星导航、雷达系统和基站系统中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，特别涉及一种低接触电阻型GaN基器件，可用于通讯，卫星导航，雷达系统和基站系统中。
技术介绍
随着科技水平的提高，现有的第一、二代半导体材料已经无法满足更高频率、更高功率电子器件的需求，而基于氮化物半导体材料的电子器件则可满足这一要求，大大提高了器件性能，使得以GaN为代表的第三代半导体材料在微波毫米波器件制造中有了广泛的应用。GaN是一种新型宽禁带化合物半导体材料，具有许多硅基半导体材料所不具备的优良特性，如宽禁带宽度，高击穿电场，以及较高的热导率，且耐腐蚀，抗辐射等。进入二十世纪90年代后，由于P型掺杂技术的突破以及成核层技术的引入，使得GaN材料得到快速的发展。GaN材料可以形成AlGaN/GaN异质结构，这种异质结构不仅在室温下能获得很高的电子迁移率，以及极高的峰值电子速度和饱和电子速度，而且可以获得比第二代化合物半导体异质结更高的二维电子气浓度。这些优势使得AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管在微波毫米波频段的大功率、高效率、宽带宽、低噪声性能方面显著超过了GaAs基HEMT和InP基HEMT。然而，随着工作频率的增加，栅漏之间的反馈电容对器件频率特性的影响日益明显；传统异质结结构难以将源漏欧姆接触向更低突破是当前急需解决的问题。目前，在国内和国际上，主要是缩小栅宽，采用T型栅，以缩小源漏间距，提高器件的频率特性，这些方法包括：2008年MasatakaHigashiwaki等人采用高Al组分AlGaN势垒层和Cat-CVD生长SiN钝化层等措施，在4H-SiC衬底上生长了栅长为60nm的AlGaN/GaNHEMT器件，其中2DEG面密度为2×1013cm-2，器件的2DEG迁移率为1900cm2/(V·s)，饱和电流为1.6A/mm，fT和fmax分别达到了190GHz和241GHz。参考文献MasatakaHigashiwaki,TakashiMimura,ToshiakeMatsuiGaN-basedFETsusingCat-CVDSiNpassivationformillimeter-waveapplicationsThinSolidFilm516(2008)548-552。2010年，JinwookW.Chung等人报道了最大振荡频率达300GHz的AlGaN/GaNHEMT器件。该器件采用T形槽栅结构，栅长为60nm，漏源距离为1.1μm。参考文献ChungJW,HokeWE,ChumbesEM,etal.AlGaN/GaNHEMTwith300-GHz[J].ElectronDeviceLetters,IEEE,2010,31(3):195-197。综上所述，当前，国际上毫米波GaN基器件的制作都是采用缩小栅宽的方法，以减小源漏间距，提高器件的频率特性，但存在以下不足：一是当器件栅长小于100nm以后，缩小栅宽会导致栅的支撑性变差；二是随着栅漏间距的减小，寄生电容对器件频率特性的影响会增强。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的缺点，提出一种低接触电阻型GaN基器件及其制作方法，以减少源漏接触电阻、栅漏寄生电容，提高器件在高频下的频率特性，获得高性能的毫米波器件。本专利技术的技术方案是这样实现的：低接触电阻型GaN基器件，自下而上包括衬底层、成核层、缓冲层、第二沟道区、背势垒层、第一沟道区、插入层、AlGaN/InAlN势垒层和GaN帽层，GaN帽层上设有源电极和漏电极，其特征在于：GaN帽层上有刻蚀深度至背势垒层的凹槽，凹槽的内壁和GaN帽层除源电极和漏电极外的区域设有钝化层，凹槽内的钝化层上设有栅电极，形成下探式栅极结构。作为优选，所述凹槽的宽度为0.2μm-1μm。作为优选，所述凹槽的刻蚀深度为25nm-100nm。作为优选，所述的势垒层由AlGaN/InAlN层组成，其中，AlGaN层的厚度为3nm-50nm，Al组分为5％-100％；InAlN层的厚度为3nm-20nm，In组分的含量为5％-25％。为实现上述目的，本专利技术制作低接触电阻型GaN基器件的方法，包括如下步骤：1)在衬底基片上，利用MOCVD工艺，依次生长成核层、缓冲层、第二沟道区、背势垒层、第一沟道区、AlN插入层、AlGaN/InAlN势垒层和GaN帽层；2)在GaN帽层上采用ICP设备，刻蚀台面至背势垒层；3)在GaN帽层上光刻出源电极和漏电极图形，采用电子束蒸发工艺，在源电极和漏电极图形区蒸发欧姆接触金属；4)在GaN帽层涂抹光刻胶并光刻出凹槽区域，而后利用ICP设备对光刻图形区域进行干法刻蚀，形成光滑的倒角区；5)在凹槽的内壁和GaN帽层除源电极和漏电极外的区域利用ALD设备进行原子层Al2O3介质的淀积，形成Al2O3钝化层；6)采用电子束蒸发工艺，在凹槽内钝化层上蒸发栅电极金属层，去除光刻胶，完成器件的制作。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1.本专利技术通过多沟道的外延结构设计，有效的减少了外延结构的方阻和接触电阻，提升了器件的频率特性。2.本专利技术通过下探式的凹槽结构设计，有效的缩短了源漏间距，解决了源漏间距缩小的工艺难点，大幅改善了器件的频率特性。3.本专利技术采用下探式的栅型器件结构，增加了栅漏之间的距离，显著减少传统器件的栅漏寄生电容，极大的推进了毫米波器件的实用化进程。附图说明图1是本专利技术低接触电阻型GaN基器件的剖面结构示意图；图2是低接触电阻型GaN基器件的制作工艺流程图。具体实施方式参照图1，本专利技术器件的结构包括衬底层1、成核层2、缓冲层3、第二沟道区4、背势垒层5、第一沟道区6、插入层7、AlGaN/InAlN势垒层8、GaN帽层9、源电极10、漏电极11、钝化层12和栅电极13。其中衬底层1、成核层2、缓冲层3、第二沟道区4、背势垒层5、第一沟道区6、插入层7、AlGaN/InAlN势垒层8和GaN帽层9自下而上设置；GaN帽层9的中部向下至背势垒层5刻有凹槽；源电极10和漏电极11位于GaN帽层9的表面，且分布在凹槽两边；钝化层12位于凹槽的内壁和GaN帽层除源电极和漏电极外的区域之上；栅电极13位于凹槽内钝化层12之上。凹槽的宽度为0.2μm-1μm，凹槽刻蚀深度为25nm-100nm；势垒层选用AlGaN层的厚度为3nm-50nm，势垒层选用InAlN层的厚度为3nm-20nm。参照图2，制作本专利技术器件的工艺按照不同设备、不同的实现步骤分别给出如下四种实施例。实施例一，在蓝宝石衬底上制作凹槽宽度为0.2μm，凹槽刻蚀深度为25nm，势垒层由AlGaN层和GaN帽层组成的低接触电阻型GaN基器件。步骤1，在蓝宝石基片上，利用MOCVD工艺，生长AlN成核层。将蓝宝石衬底温度降低为500℃，保持生长压力为40Torr，氢气流量为1000sccm，氨气流量为600sccm，向反应室通入流量为4sccm的铝源，在蓝宝石衬底上生长厚度为5nm的低温AlN层；再将生长温度升高到940℃，保持生长压力为40Torr，氢气流量为1000sccm，氨气流量为1000sccm，向反应室通入流量为4sccm的铝源，在低温AlN成核层上再生长厚度为60nm的高温AlN层；该低温AlN层与高温AlN层共同形成AlN成核层。步骤2，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
低接触电阻型GaN基器件，自下而上包括衬底层(1)、成核层(2)、缓冲层(3)、第二沟道区(4)、背势垒层(5)、第一沟道区(6)、插入层(7)、AlGaN/InAlN势垒层(8)和GaN帽层(9)，GaN帽层(9)上设有源电极(10)和漏电极(11)，其特征在于：GaN帽层(9)上刻蚀有深度至背势垒层(5)的凹槽，凹槽的内壁和GaN帽层除源电极和漏电极外的区域设有钝化层(12)，凹槽内的钝化层上设有栅电极(13)，形成下探式栅极结构。

【技术特征摘要】
1.低接触电阻型GaN基器件，自下而上包括衬底层(1)、成核层(2)、缓冲层(3)、第二沟道区(4)、背势垒层(5)、第一沟道区(6)、插入层(7)、AlGaN/InAlN势垒层(8)和GaN帽层(9)，GaN帽层(9)上设有源电极(10)和漏电极(11)，其特征在于：GaN帽层(9)上刻蚀有深度至背势垒层(5)的凹槽，凹槽的内壁和GaN帽层除源电极和漏电极外的区域设有钝化层(12)，凹槽内的钝化层上设有栅电极(13)，形成下探式栅极结构。2.根据权利要求1所述的低接触电阻型GaN基器件，其特征在于凹槽的宽度为0.2μm-1μm，凹槽的刻蚀深度为25nm-100nm。3.根据权利要求1所述的低接触电阻型GaN基器件，其特征在于势垒层由AlGaN层和GaN帽层组成，其中，AlGaN层的厚度为3nm-50nm，Al组分的含量为5％-100％。4.根据权利要求1所述的低接触电阻型GaN基器件，其特征在于势垒层由InAlN层和GaN帽层组成，其中，InAlN层的厚度为3nm-20nm，In组分的含量为5％-25％。5.根据权利要求1所述的低接触电阻型GaN基器件，其特征在于背势垒层(5)采用Si掺杂，掺杂的浓度为5×1018cm-3-3×1019cm-3。6.一种低接触电阻型GaN基器件的制作方法，包括如下步骤：1)在衬底基片上，利用MOCVD工艺，依次生长成核层、缓冲层、第二沟道区、背势垒层、第一沟道区、AlN插入层、AlGaN/InAlN势垒层和GaN帽层；2)在GaN帽层上采用ICP设备，刻蚀台面至背势垒层；3)在GaN帽层上光刻出源电极和漏电极图形，采用电子束蒸发工艺，在源电极和漏电极图形区蒸发欧姆接触金属；4)在GaN帽层涂抹光刻胶并光刻出凹槽区域，而后利用ICP设备对光刻图形区域进行干法刻蚀，形成光滑的倒角区；5)在凹槽的内壁和GaN帽层除源电极和漏电极外的区域利用ALD设备进行原子层Al2O3介质的淀积，形成Al2O3钝化层；6)采用电子束蒸发工艺，在凹槽内钝化层上蒸发栅电极金属层，去除光刻胶，完成器件的制作。7.根据权利要求6所述的方法，其中步骤1中利用的MOCVD设备依次生长成核层、缓冲层、第二沟道区、背势垒层、第一沟道区、AlN插入层、AlGaN/InAlN势垒层和GaN帽层，其工艺参数如下：成核层：低温成核温度为500-650℃，生长压力为40-100Torr，氢气流量为1000-5000sccm，氨气流量为600-3000sccm，铝源流量为4-20sccm；高温成核温度为940-1050℃，生长压力为40-100Torr，氢气流量为1000-5000sccm，氨气流量为1000-3000sccm，铝源流量为4-20sccm；缓冲层：生长温度为940-1050℃，生长压力为40-100Torr，氢气流量为1000-5000sccm，氨...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨凌，康慨，周小伟，马晓华，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61