镁掺杂制备的增强型GaN基HEMT器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了镁掺杂制备的增强型GaN基HEMT器件及其制备方法。所述方法包括以下步骤：（1）在AlxGa1‑xN势垒层上方光刻出栅电极接触窗口；（2）采用电子束蒸发/热蒸发/磁控溅射的方法在光刻后的表面沉积金属镁；（3）采用剥离工艺对未曝光的光刻胶进行剥离；（4）采用热退火工艺对沉积镁的外延片进行热退火的扩散掺杂；（5）通过配制稀盐酸将退火后的表面金属镁进行去除，得到增强型GaN基HEMT器件。本发明专利技术利用金属镁热扩散技术，实现栅电极下方AlxGa1‑xN势垒层的P型掺杂，制备出增强型GaN基HEMT器件。该制备方法具有工艺简单、成本低廉的优点，对于实现高性能GaN基HEMT器件具有重要意义。

Enhanced GaN-based HEMT devices fabricated by Mg doping and their preparation methods

The invention discloses an enhanced GaN-based HEMT device prepared by magnesium doping and a preparation method thereof. The method comprises the following steps: (1) the contact window of gate electrodes is etched above the barrier layer of AlxGa1 xN; (2) magnesium metal is deposited on the surface after lithography by electron beam evaporation/thermal evaporation/magnetron sputtering; (3) the uncovered photoresist is peeled off by peeling process; (4) diffusion doping by thermal annealing process for the epitaxy of magnesium deposited. (5) Enhanced GaN-based HEMT devices were obtained by preparing dilute hydrochloric acid to remove the annealed surface magnesium. The method realizes P-type doping of AlxGa1 xN barrier layer under the gate electrode by using magnesium thermal diffusion technology, and fabricates an enhanced GaN-based HEMT device. The preparation method has the advantages of simple process and low cost, and is of great significance for the realization of high performance GaN-based HEMT devices.

【技术实现步骤摘要】
镁掺杂制备的增强型GaN基HEMT器件及其制备方法
本专利技术属于半导体器件
，具体涉及一种镁掺杂制备的增强型GaN基HEMT器件及其制备方法。
技术介绍
电力电子器件是电力电子系统的核心元件。随着电力电子技术的快速发展，传统的硅材料以及第二代半导体材料局限性日益凸显，基于该材料的电力电子器件已经无法满足电力系统在高频化、低损耗和大功率容量等方面的迫切需求。以GaN材料为代表的第三代宽禁带半导体材料因具有大的禁带宽度、高的临界击穿场强和极强的抗辐射能力等特点，在电力电子器件方面显示出卓越的优势。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管（HEMT），由于异质结中二维电子气（2DEG）面密度约为1013㎝-2，迁移率高于1500㎝²∙V-1∙s-1，使得GaN器件具有低导通电阻和高工作频率，能满足下一代电力电子系统对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣高温工作的要求。近年来，GaN材料的发展促进了其在光电器件中的研究与应用。常规的AlGaN/GaNHEMT器件由于材料极化特性，即使不加任何栅压，在沟道中存在高浓度的2DEG，使得器件处于常开状态，即为耗尽型器件。为了实现关断功能，必须施加负的栅极电压才可以。而在功率开关器件中，从安全和节能等角度都要求开关为常闭状态，因此大量工作致力于实现增强型GaN基HEMT器件。实现增强型器件出发点就是通过改变栅极下面的沟道区域，使得栅压为零时导带位于费米能级以上，这样器件处于常关状态，施加正的偏压使器件处于导通。目前，人们已成功采用以下方法制备出了增强型AlGaN/GaNHEMT器件：1、通过能带设计和剪切降低AlGaN/GaN异质结界面的2DEG浓度实现增强型GaN基HEMT器件。常见的有在栅极下方，AlGaN势垒层上方通过MOCVD或者MBE生长一层P-GaN/P型AlGaN掺杂层来耗尽栅极下方的2DEG。这一方法最大缺点是成本高，时间长，工艺条件复杂，无法实现与耗尽型GaN基HEMT器件的兼容。即无法在同一片材料上即制备增强型GaN基HEMT器件，还研制出耗尽型GaN基HEMT器件。因此，这种方法无法满足GaN数字逻辑电路的研制需要。2、通过减薄栅区的AlGaN势垒层厚度来降低其极化效应进而降低栅下的2DEG浓度，从而实现增强型操作。这种方法最大的问题是需要很高的刻蚀精度来控制势垒层的的刻蚀厚度，另外刻蚀造成的表面损伤也会造成器件的漏电，降低器件的性能。3、对栅极下方AlGaN势垒层注入F离子，由于F离子具有很强的负电性从而耗尽栅极下方的2DEG，实现增强型GaN基HEMT器件。这种方法最大的问题是F离子注入会破坏AlGaN/GaN异质结界面特性，造成GaN基HEMT器件的性能退化。总之，现有的增强型GaN基HEMT器件技术方案都存在较大问题，需要专利技术新的技术方法。
技术实现思路
为了克服现有技术上的不足与缺点，本专利技术的目的在于提供一种镁掺杂实现增强型GaN基HEMT器件及其制备方法。本专利技术能够解决现有通过金属有机物化学气相沉积（MOCVD）或者分子束外延（MBE）生长的栅下P型掺杂层成本高、时间长、工艺条件复杂等问题，实现GaN基HEMT器件的常关型操作。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。本专利技术提供的镁掺杂制备增强型GaN基HEMT器件的方法，是通过在光刻栅电极窗口上沉积一层金属镁，利用热退火工艺使金属镁在AlxGa1-xN势垒层上方向下扩散与激活形成P型AlGaN掺杂层，从而耗尽栅电极下方的2DEG。本专利技术提供的一种镁掺杂制备增强型GaN基HEMT器件，包括硅衬底、GaN外延层、AlxGa1-xN势垒层、P型AlGaN掺杂层、栅电极、源电极以及漏电极；所述GaN外延层在硅衬底上，所述AlxGa1-xN势垒层在GaN外延层上；所述P型AlGaN掺杂层为金属镁在AlxGa1-xN势垒层的上表面向下扩散形成的；所述AlxGa1-xN势垒层中的x表示Al元素含量，所述x的取值范围为0.01-0.5；所述栅电极与P型AlGaN掺杂层的上表面接触；所述源电极以及漏电极分别与AlxGa1-xN势垒层上表面的两侧接触。本专利技术提供的一种制备上述镁掺杂制备增强型GaN基HEMT器件（具有镁掺杂P-AlGaN结构），包括以下步骤：（1）采用光刻技术在硅基GaN外延片的AlxGa1-xN势垒层上光刻，制备出栅电极接触窗口，得到含栅电极接触窗口的器件；（2）在步骤（1）所述栅电极接触窗口表面，沉积一层金属镁，得到含金属镁的器件；（3）对步骤（2）所述含金属镁的器件上采用剥离工艺对未曝光的光刻胶进行剥离处理，得到剥离处理后的器件；（4）对步骤（3）所述剥离处理后的器件进行热退火处理，使金属镁扩散掺杂到AlxGa1-xN势垒层形成P型AlGaN掺杂层，得到热退火后的器件；（5）热退火处理后，配制稀盐酸溶液，然后用稀盐酸溶液对P型AlGaN掺杂层表面的金属镁进行去除处理，得到去除处理后的器件；（6）在步骤（5）所述去除处理后的器件中的AlxGa1-xN势垒层上依次光刻、蒸镀及退火处理，制备源电极、漏电极及栅电极，得到所述镁掺杂制备增强型GaN基HEMT器件（具有镁掺杂P-AlGaN结构）。进一步地，步骤（1）所述硅基为硅衬底；所述GaN外延片为GaN/AlGaN外延层。进一步地，步骤（1）所述AlxGa1-xN势垒层中，x表示Al元素含量，所述x的取值范围为0.01-0.5。进一步地，步骤（2）中所述沉积的方式包括电子束蒸发、热蒸发以及磁控溅射。进一步地，步骤（2）中所述金属镁的厚度为10-200nm。进一步地，步骤（4）中所述热退火的扩散掺杂处理的温度为400-1050摄氏度；进一步地，步骤（4）中所述热退火的扩散掺杂处理的时间为5-300分钟。进一步地，步骤（4）中所述热退火的扩散掺杂处理需在真空气氛，所述真空气氛的真空度为0-10-2Pa。进一步地，步骤（5）中所述稀盐酸溶液的浓度范围为0.01mol/L-0.5mol/L。本专利技术提供一种由上述的制备方法制得的镁掺杂制备增强型GaN基HEMT器件。本专利技术提供的制备方法原理如下。本专利技术提供的镁掺杂的增强型GaN基HEMT器件的制备方法，首先通过电子束蒸发栅极区域沉积一层金属镁，在真空气氛下热退火使AlxGa1-xN势垒层表面的金属镁在高温以及浓度梯度的作用下向AlxGa1-xN势垒层扩散，并在高温下镁原子置换出AlxGa1-xN中的Al原子或者Ga原子从而被激活，在扩散区域形成一层P型AlGaN掺杂层。该掺杂层能够提升导带起到耗尽栅电极下方2DEG的目的，从而形成增强型GaN基HEMT器件。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：本专利技术利用金属镁热扩散的原理在栅电极下方形成P型AlGaN掺杂层来耗尽栅电极下方的2DEG，该方法成本低，时间短，降低了制备器件成本，优化器件性能。附图说明图1为本专利技术的镁掺杂增强型GaN基HEMT器件的结构示意图；其中，1为硅衬底、2为GaN外延层、3为AlxGa1-xN势垒层、4为P型AlGaN掺杂层、5为漏电极、6为栅电极、7为源电极。图2为本专利技术实施例1制得的镁掺杂增强型GaN基HEMT器件转移特性曲线图。图3为本专利技术实施例1制得镁掺杂增强型GaN基HEMT器件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镁掺杂制备增强型GaN基HEMT器件，其特征在于，包括硅衬底、GaN外延层、AlxGa1‑xN势垒层、P型AlGaN掺杂层、栅电极、源电极以及漏电极；所述GaN外延层在硅衬底上，所述AlxGa1‑xN势垒层在GaN外延层上；所述P型AlGaN掺杂层为金属镁在AlxGa1‑xN势垒层的上表面向下扩散形成的；所述AlxGa1‑xN势垒层中的x表示Al元素含量，所述x的取值范围为0.01‑0.5；所述栅电极与P型AlGaN掺杂层的上表面接触；所述源电极以及漏电极分别与AlxGa1‑xN势垒层上表面的两侧接触。

【技术特征摘要】
1.一种镁掺杂制备增强型GaN基HEMT器件，其特征在于，包括硅衬底、GaN外延层、AlxGa1-xN势垒层、P型AlGaN掺杂层、栅电极、源电极以及漏电极；所述GaN外延层在硅衬底上，所述AlxGa1-xN势垒层在GaN外延层上；所述P型AlGaN掺杂层为金属镁在AlxGa1-xN势垒层的上表面向下扩散形成的；所述AlxGa1-xN势垒层中的x表示Al元素含量，所述x的取值范围为0.01-0.5；所述栅电极与P型AlGaN掺杂层的上表面接触；所述源电极以及漏电极分别与AlxGa1-xN势垒层上表面的两侧接触。2.一种制备权利要求1所述镁掺杂制备增强型GaN基HEMT器件，其特征在于，包括以下步骤：（1）在硅基GaN外延片的AlxGa1-xN势垒层上光刻，制备出栅电极接触窗口，得到含栅电极接触窗口的器件；（2）在步骤（1）所述栅电极接触窗口表面，沉积金属镁，得到含金属镁的器件；（3）对步骤（2）所述含金属镁的器件上未曝光的光刻胶进行剥离处理，得到剥离处理后的器件；（4）对步骤（3）所述剥离处理后的器件进行热退火处理，使金属镁扩散掺杂到AlxGa1-xN势垒层形成P型AlGaN掺杂层，得到热退火后的器件；（5）热退火处理后，配制稀盐酸溶液，然后用稀盐酸溶液对P型AlG...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，万利军，刘智崑，陈丁波，孙佩椰，阙显沣，姚书南，李润泽，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44