加栅场板增强型AlGaN/GaN HEMT器件结构及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种加栅场板增强型AlGaN/GaN HEMT器件结构及其制作方法，所述结构包括衬底、本征GaN层、AlN隔离层、本征AlGaN层、AlGaN掺杂层、p型GaN层、栅电极、源电极、漏电极、栅场板、绝缘层、钝化层以及用于调节沟道电场的硅化物。AlGaN掺杂层位于本征AlGaN层之上，p型GaN层位于AlGaN掺杂层之上，源漏电极以及绝缘层位于AlGaN层之上，栅电极位于p型GaN层之上，硅化物位于绝缘层之上。在衬底上外延生长增强型AlGaN/GaN异质结材料，并在该结构上形成源极和漏极，然后淀积一层绝缘层，在绝缘层上，形成硅化物，将厚绝缘层上的硅化物与栅极电连接形成栅场板结构；栅极下方存在p-GaN外延层，形成增强型器件。最后淀积钝化层实现器件的钝化。本发明专利技术具有器件频率高，工艺重复性和可控性高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，涉及半导体器件制作，具体的说是一种加栅场板增强型AlGaN/GaN HEMT器件结构及制作方法，可用于制作低导通电阻、高频率、高击穿电压的增强型高电子迁移率晶体管。
技术介绍
近年来以SiC和GaN为代表的第三带宽禁带隙半导体以其禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、饱和电子速度大和异质结界面二维电子气浓度高等特性，使其受到广泛关注。在理论上，利用这些材料制作的高电子迁移率晶体管HEMT、发光二极管LED、激光二极管LD等器件比现有器件具有明显的优越特性，因此近些年来国内外研究者对其进行了广泛而深入的研究，并取得了令人瞩目的研究成果。AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管HEMT在高温器件及大功率微波器件方面已显示出了得天独厚的优势，追求器件高频率、高压、高功率吸引了众多的研究。近年来，制作更高频率高压AlGaN/GaN HEMT成为关注的又一研究热点。由于AlGaN/GaN异质结生长完成后，异质结界面就存在大量二维电子气2DEG，当界面处电阻率降低时，我们可以获得更高的器件频率特性。AlGaN/GaN异质结电子迁移率晶体管可以获得很高的频率，但往往要以牺牲耐高压特性为代价。目前提高的AlGaN/GaN异质结晶体管频率的方法如下:1.结合无电介质钝化(dielectric-free passivation)与重生长欧姆接触来减小电阻率。参见 Yuanzheng Yue, Zongyang Hu, Jia Guo 等 InAlN/AlN/GaN HEMTs With RegrownOhmic Contacts and f_{T}of370GH。EDL.Vol33.N0.7，P1118-P1120。该方法采用了 30 纳米栅长，并且结合无电介质钝化(dielectric-free passivation)与重生长欧姆接触来减小源漏电阻率。频率可以达到370GHz。还可以通过减少沟道长度继续提高频率到500GHz。2.重生长重掺杂源漏到近栅的二维电子气沟道。参见Shinohara，K.Regan，D.Corrion, A.Brown 等 self-aligned-gate GaN-HEMTs with heavily-doped n+_GaN ohmiccontacts to 2DEG ；IEDM, IEEE ;2012。过去重生长n+GaN欧姆接触对减少沟道接触电阻成效显著，但是重掺杂源漏接触直接到接近栅极下的二维电子气沟道可以获得更好的频率特性和电流特性。文中报道的方法使频率达到了 fT/fmax = 342/518GHz0同时击穿电压14V。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对以上高频率器件的不足，提供一种基于硅化物对沟道产生应力的方法，以同时提高增强型AlGaN/GaN高迁移率晶体管的频率特性耐压特性，增强工艺的可控性和重复性，满足GaN基电子器件对高频率、高电压的应用要求。本专利技术是这样实现的:本专利技术的技术思路是:使用外延生长并刻蚀的方法在AlGaN之上生长绝缘层，通过刻蚀生成台阶状的一厚一薄绝缘层，再在薄绝缘层上生长多个块状硅化物，硅化物块间距小于块宽度，在厚绝缘层上也生长硅化物形成场板并连于栅极。由于硅化物的热膨胀系数大于绝缘层与AlGaN的热膨胀系数。当外延生长冷却时，硅化物会对绝缘层以及AlGaN层引入压应力，与此同时，位于硅化物之间的AlGaN层将会受到张应力。当AlGaN层受到压应力的时候，位于AlGaN/GaN界面的2DEG浓度有所减小，而当AlGaN层受到张应力的时候，位于AlGaN/GaN界面的2DEG浓度有所增加。AlGaN层所受压应力(张应力)的大小与硅化物(硅化物间距)的长度有关，这种关系并非是一种线性关系，而是当作用距离减小时AlGaN层所受到的应力对极化电荷的影响迅速增加(如下图2所示)，所以我们可以使硅化物的宽度、硅化物之间的间距不同来实现二维电子气浓度的调节，从整体上来看2DEG浓度的增加还是减少则取决于二者的大小关系，在此专利技术中，我们选择使二维电子气浓度增加来降低沟道电阻。所以张应力要大于压应力，于是硅化物宽度要小于硅化物间距。如图所示，如果硅化物的宽度为I μ m,硅化物间距为0.25 μ m，.那么硅化物间距(0.25 μ m)区域所经受的张力作用使极化电荷最终比硅化物区域(Iym)的极化电荷大两个数量级，所以整体上的作用表现为AlGaN层受到张应力即极化电荷浓度有所增加，从而栅源间与栅漏间2DEG的浓度也因为极化电荷的增加而呈现整体增加的结果。因此该区域的电阻有有所减小。参见 IEICE TRANS.ELECTON, VOL.E93-C，N0.8AUGUST2010.Analysisof Passivation-Film-1nduced Stress Effects on Electrical Properties in AlGaN/GaNHEMTs.通过选择使硅化物之间的间距小于硅化物的长度，使2DEG浓度的增长远大于2DEG浓度的减小的，从而使栅漏与栅源间的电阻有所减小，在不改变栅漏间距的情况下提高高迁移率晶体管的频率特性。在厚绝缘层上的场板由于介质较厚，对2DEG的影响可忽略，但是连于栅极后可以起到场板的作用，可以提高本专利技术的耐压特性。依据上述技术思路，一种加栅场板增强型AlGaN/GaN HEMT器件结构，所述结构包括衬底、本征GaN层、AlN隔离层、本征AlGaN层、AlGaN掺杂层p型GaN层、栅电极、源电极、漏电极、栅场板、绝缘层、钝化层以及用于调节沟道电场的硅化物；所述AlGaN掺杂层位于本征AlGaN层之上，P型GaN层位于AlGaN掺杂层之上，源漏电极以及绝缘层位于AlGaN层之上，栅电极位于P型GaN层之上，硅化物位于绝缘层之上；在衬底上外延生长增强型AlGaN/GaN异质结材料，并在该异质结材料上形成源极和漏极，然后淀积一层绝缘层，在绝缘层上的栅漏区域以及栅源区域间，形成硅化物，将厚绝缘层上的硅化物与栅极电连接形成栅场板结构；栅极下方存在P-GaN外延层，形成增强型器件。最后淀积钝化层实现器件的钝化。从而对沟道内电子气浓度和电场起到调节作用，器件的耐压能力也增强。从而提高晶体管的频率特性和耐压特性。依据上述技术思路，利用金属硅化物提高增强型AlGaN/GaN HEMT器件性能的结构，包括如下过程:(I)对外延生长的增强型Ρ-GaN/AlGaN/GaN材料进行有机清洗，用流动的去离子水清洗并放入HCl: H2O = I: I的溶液中进行腐蚀30-60s，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干(2)对清洗干净的ρ-GaN/AlGaN/GaN材料进行光刻和干法刻蚀，形成有源区台面；(3)对制备好台面的ρ-GaN/AlGaN/GaN材料进行光刻，形成p_GaN的刻蚀区域；(4)并将材料放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为:上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，Cl2的流量为lOsccm，Ar气的流量为lOsccm，刻蚀时间约为IOmin,刻蚀掉栅区域外的ρ-GaN外延层；(5)对完成刻蚀的ρ-GaN/AlGaN/GaN材料进行光刻，形成源漏欧姆接触区，放入电子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种加栅场板增强型AlGaN/GaN HEMT器件结构，其特征在于：所述结构包括衬底、本征GaN层、AlN隔离层、本征AlGaN层、AlGaN掺杂层、p型GaN层、栅电极、源电极、漏电极、栅场板、绝缘层、钝化层以及用于调节沟道电场的硅化物；所述AlGaN掺杂层位于本征AlGaN层之上，p型GaN层位于AlGaN掺杂层之上，源漏电极以及绝缘层位于AlGaN层之上，栅电极位于p型GaN层之上，硅化物位于绝缘层之上；在衬底上外延生长增强型AlGaN/GaN异质结材料，并在该异质结材料上形成源极和漏极，然后淀积一层绝缘层，在绝缘层上的栅漏区域以及栅源区域间，形成硅化物，将厚绝缘层上的硅化物与栅极电连接形成栅场板结构；栅极下方存在p‑GaN外延层，形成增强型器件，最后淀积钝化层实现器件的钝化。

【技术特征摘要】
1.一种加栅场板增强型AlGaN/GaNHEMT器件结构，其特征在于:所述结构包括衬底、本征GaN层、AlN隔离层、本征AlGaN层、AlGaN掺杂层、P型GaN层、栅电极、源电极、漏电极、栅场板、绝缘层、钝化层以及用于调节沟道电场的硅化物；所述AlGaN掺杂层位于本征AlGaN层之上，P型GaN层位于AlGaN掺杂层之上，源漏电极以及绝缘层位于AlGaN层之上，栅电极位于P型GaN层之上，硅化物位于绝缘层之上；在衬底上外延生长增强型AlGaN/GaN异质结材料，并在该异质结材料上形成源极和漏极，然后淀积一层绝缘层，在绝缘层上的栅漏区域以及栅源区域间，形成硅化物，将厚绝缘层上的硅化物与栅极电连接形成栅场板结构；栅极下方存在P-GaN外延层，形成增强型器件，最后淀积钝化层实现器件的钝化。2.根据权利要求1所述的加栅场板增强型AlGaN/GaNHEMT器件结构，其特征在于:其中的衬底材料是蓝宝石、碳化硅、GaN或MgO。3.根据权利要求1所述的加栅场板增强型AlGaN/GaNHEMT器件结构，其特征在于:其中的AlGaN中Al与Ga的组份可以调节，AlxGa1^N中x = O~I。4.根据权利要求1所述的加栅场板增强型AlGaN/GaNHEMT器件结构，其特征在于:硅化物包括 NiS1、TiSi2、或 Co2Si。5.根据权利要求1所述的加栅场板增强型AlGaN/GaNHEMT器件结构，其特征在于:薄绝缘层的厚度为5~10nm，厚绝缘层厚度为200~700nm。6.根据权利要求1所述的加栅场板增强型AlGaN/GaNHEMT器件结构，其特征在于:其GaN沟道替换为AlyGa1J沟道，而AlyGa1J中y的组份小于另外两层中的Al组份X，即x >7.根据权利要求1所述的加栅场板增强型AlGaN/GaNHEMT器件结构，其特征为:其中P型GaN材料也可以是 P型AlGaN或者InGaN材料。8.根据权利要求1所述的加栅场板增强型AlGaN/GaNHEMT器件结构，其特征在于:硅化物为块状，并且引入应力，块间距小于块宽度，硅化物会对下面的AlGaN外延层产生向内的压应力，硅化物之间的AlGaN外延层则受到向外的张压力，通过使硅化物间距小于硅化物宽度，使硅化物间距下的AlGaN层受到的张应力大于硅化物下面AlGaN层受到的压应力，从整体而言沟道中的电场得到增强，如此反复，最终使得整个沟道中的电场得到增强。9.根据权利要求1所述的加栅场板增强型AlGaN/GaNHEMT器件结构，其特征为:位于厚绝缘层上的硅化物与栅极电相连形成栅场板结构，提高器件的击穿电压。10.基于加栅场板增强型AlGaN/GaNHEMT器件结构的制作方法，包括如下步骤: 利用金属硅化物提高增强型AlGaN/GaN HEMT器件性能的结构，包括如下过程: (1)对外延生长的增强型p-GaN/AlGaN/GaN材料进行有机清洗，用流动的去离子水清洗并放入HCl: H2O = I: I的溶液中进行腐蚀30-60s，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干； ...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯倩，杜锴，代波，张春福，梁日泉，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