混合极性的GaN器件制造技术

本发明专利技术公开了一种混合极性的GaN器件，所述GaN器件涉及带有二维载流子气沟道的场效应晶体管技术领域。所述GaN器件自下而上包括衬底层、N‑polar GaN缓冲层、Al组分x递增式渐变的第一N‑polar AlxGaN层，Al组分x保持常量的第二N‑polar AlxGaN层，Al组分x递减式渐变的第三N‑polar AlxGaN层以及Ga‑polar GaN沟道层。借助该结构可以外延生长质量更高的GaN基材料并增大沟道内2DEG面密度和迁移率，同时可以采用传统的Ga‑polar GaN基器件制备工艺在该混合极性材料上制备具有更小欧姆接触电阻的器件。

【技术实现步骤摘要】
混合极性的GaN器件
本专利技术涉及带有二维载流子气沟道的场效应晶体管
，尤其涉及一种混合极性的GaN器件。
技术介绍
GaN基材料在微电子、光电子等应用领域以宽禁带、高击穿电场、高饱和电子漂移速度等材料特征备受研究者关注，成为目前全球半导体研究的前沿与热点，与SiC等材料一起并称为最有前途的“第三代半导体材料”。由于纤锌矿结构的GaN缺少中心反演，造成了极强的自发极化现象，故对于纤锌矿结构的GaN存在镓极性（Ga-polar）和氮极性（N-polar）两种极化方向的GaN。由于两种材料极性相反，造成两种不同极性的GaN材料也存在诸多不同，如N-polarGaN较Ga-polarGaN更易被碱性溶液腐蚀，同时其表面化学活性较强，表面态更为丰富，而随着材料外延生长技术的发展，N-polarGaN材料制备也变得更为容易。这都为N-polarGaN材料的广泛应用奠定了基础。在传统的Ga-polarGaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）的异质结中AlGaN在上、GaN在下，Ti/Al基金属直接沉积在AlGaN上，而AlGaN禁带宽度较GaN更宽，从而造成欧姆接触电阻较大，影响了器件性能。在N-polarGaN基HEMT中，为了与Ga-polarGaN基器件工艺相兼容，一般也采用Ti/Al基金属体系作为欧姆接触金属，由于N-polarGaN和AlGaN所构成的异质结中GaN在AlGaN上方，这样Ti/Al基欧姆接触金属可以直接沉积在N-polarGaN上，而GaN禁带宽度较AlGaN窄，从而可以实现更小的欧姆接触电阻。但研究发现在N-polarGaN基HEMT中直接沉积在N-polarGaN上的Ti/Al基欧姆接触金属经高温退火后并不能实现更小的欧姆接触电阻，原因是Ti/Al基金属中的Al金属经过高温退火后可以穿透Ti金属层进入GaN中并与N结合形成AlN。在Ga-polarGaN中该AlN和GaN会形成类似于AlGaN/GaN异质结的AlN/GaN异质结，从而在AlN和GaN界面处的GaN中形成二维电子气（2DEG），但在N-polarGaN中AlN和N-polarGaN所构成的异质结内不会产生2DEG，相反会形成二维空穴气（2DHG），原因是其极性与Ga-polarGaN相差了180°。而该2DHG的存在势必会使欧姆接触特性变差，从而造成在N-polarGaN基HEMT中仍无法实现更小的欧姆接触电阻。为了得到更小的欧姆接触电阻，一些文献报道中采用欧姆再生来降低欧姆接触电阻，但该方法会提高工艺难度，增长器件制备时间并增大工艺的不确定度。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种混合极性的GaN器件，借助该结构可以外延生长质量更高的GaN基材料并增大沟道内2DEG面密度和迁移率，同时可以采用传统的Ga-polarGaN基器件制备工艺在该混合极性材料上制备具有更小欧姆接触电阻的器件。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种混合极性的GaN晶器件，其特征在于：自下而上包括衬底层、N-polarGaN缓冲层、Al组分x递增式渐变的第一N-polarAlxGaN层，Al组分x保持常量的第二N-polarAlxGaN层，Al组分x递减式渐变的第三N-polarAlxGaN层以及Ga-polarGaN沟道层；其中所述第一N-polarAlxGaN层中的Al组分x从最小量递增至最大量，第二N-polarAlxGaN层中的Al组分x保持第一N-polarAlxGaN层中Al组分x的最大量不变，第三N-polarAlxGaN层中的Al组分x从第一N-polarAlxGaN层中Al组分x的最大量开始递减至最小量，其中第三N-polarAlxGaN层中Al组分x的最小量大于第一N-polarAlxGaN层中Al组分x的最小量，0≦x≦1。进一步的技术方案在于：所述第三N-polarAlxGaN层与Ga-polarGaN沟道层之间设有N-polarAlN插入层。进一步的技术方案在于：所述N-polarAlN插入层的生长厚度在1nm-2nm之间。进一步的技术方案在于：所述衬底层为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底。进一步的技术方案在于：第一N-polarAlxGaN层、第二N-polarAlxGaN层以及第三N-polarAlxGaN层的总厚度在20nm-50nm之间。进一步的技术方案在于：第一N-polarAlxGaN层中Al组x从0递增式渐变到0.5，厚度为10nm-20nm之间；第二N-polarAlxGaN层中Al组x保持0.5不变，厚度为5nm-15nm；第三N-polarAlxGaN层中Al组x从0.5递减式渐变到0.25-0.3，厚度为5nm-15nm。进一步的技术方案在于：所述N-polarGaN缓冲层的厚度在1μm-3μm之间。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：在本申请中，Ti/Al基欧姆接触金属可以直接沉积在Ga-polarGaN之上，由于GaN较AlxGaN禁带宽度更窄，从而实现了比现有技术中在Ga-polarAlxGaN/GaN异质结上形成更小的欧姆接触电阻，同时Al组分x递减式渐变的N-polarAlxGaN层作为背势垒层存在，进一步提高了2DEG限阈性。而在N-polarGaN/AlxGaN异质结中，Ti/Al基金属沉积在N-polarGaN之上，由于N-polarGaN与Ga-polarGaN极性相差180°，造成沉积在N-polarGaN上的Ti/Al基金属在高温退火后会产生不利于欧姆接触的2DHG，但在Ga-polarGaN上则会产生有利于欧姆接触的2DEG，故混合极性GaN器件上的欧姆接触电阻比N-polarGaN/AlxGaN异质结上的欧姆接触电阻也要小。Al组分x渐变的三层AlxGaN层中，Al组分x沿衬底向上先进行0-0.5的递增式渐变，随后保持常量不变，待材料质量稳定后，Al组分进行0.5-（0.25-0.3）的递减式渐变，这样在Ga-polarGaN缓冲层上进行外延时，可以保证更优的晶格匹配，从而可以改善外延材料质量、减小材料缺陷、提高2DEG面密度及迁移率。这种更好的材料质量及更优的欧姆接触特性为混合极性GaN器件的广泛应用奠定了坚实的材料基础。附图说明图1是本专利技术实施例一的结构示意图；图2是本专利技术实施例二的结构示意图；其中：1、衬底层2、N-polarGaN缓冲层3、第一N-polarAlxGaN层4、第二N-polarAlxGaN层5、第三N-polarAlxGaN层6、N-polarAlN插入层7、Ga-polarGaN沟道层8、源极9、栅极10、漏极。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似推广，因此本专利技术不受下面公开的具体实施例的限制。总体的，本专利技术公开了一种混合极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合极性的GaN器件，其特征在于：自下而上包括衬底层（1）、N‑polar GaN缓冲层（2）、Al组分x递增式渐变的第一N‑polar AlxGaN层（3），Al组分x保持常量的第二N‑polar AlxGaN层（4），Al组分x递减式渐变的第三N‑polar AlxGaN层（5）以及 Ga‑polar GaN沟道层（7）；其中所述第一N‑polar AlxGaN层（3）中的Al组分x从最小量递增至最大量，第二N‑polar AlxGaN层（4）中的Al组分x保持第一N‑polar AlxGaN层（3）中Al组分x的最大量不变，第三N‑polar AlxGaN层（5）中的Al组分x从第一N‑polar AlxGaN层（3）中Al组分x的最大量开始递减至最小量，其中第三N‑polar AlxGaN层（5）中Al组分x的最小量大于第一N‑polar AlxGaN层（3）中Al组分x的最小量，0≦x≦1。

【技术特征摘要】
1.一种混合极性的GaN器件，其特征在于：自下而上包括衬底层(1)、在所述衬底层(1)上表面设有的N-polarGaN缓冲层(2)、在所述N-polarGaN缓冲层(2)上表面设有的Al组分x递增式渐变的第一N-polarAlxGaN层(3)，在所述第一N-polarAlxGaN层(3)上表面设有的Al组分x保持常量的第二N-polarAlxGaN层(4)，在所述第二N-polarAlxGaN层(4)上表面设有的Al组分x递减式渐变的第三N-polarAlxGaN层(5)，在所述第三N-polarAlxGaN层(5)上表面设有的Ga-polarGaN沟道层(7)，所述Ga-polarGaN沟道层(7)上表面设有源极(8)、栅极(9)和漏极(10)；其中所述第一N-polarAlxGaN层(3)中的Al组分x从最小量递增至最大量，所述第一N-polarAlxGaN层(3)中Al组x从0递增式渐变到0.5，厚度为10nm-20nm之间；第二N-polarAlxGaN层(4)中的Al组分x保持第一N-polarAlxGaN层(3)中Al组分x的最大量不变，所述第二N-polarAlxGaN层(4)中Al组x保持0.5不变，厚度为5nm-15nm；第三N-polarAlxGaN...

【专利技术属性】
技术研发人员：王现彬，王颖莉，刘振永，于京生，
申请(专利权)人：石家庄学院，
类型：发明
国别省市：河北;13