一种利用新型势垒层提高GaN增强型沟道迁移率的器件结构及实现方法技术

本发明专利技术公开了一种利用新型势垒层提高GaN增强型沟道迁移率的器件结构及其制作方法，所述结构包括衬底、GaN或AlN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN层插入层、GaN插入层、AlN插入层、AlGaN插入层、掩膜介质层、绝缘栅介质层以及源漏欧姆接触和栅金属。在衬底上外延生长AlGaN/AlN/GaN/AlGaN/GaN异质结材料，并在该结构上形成源极和漏极。本发明专利技术在AlGaN势垒层中插入一组AlN/GaN，插入的GaN层作为热氧化、湿法腐蚀的停止层，在栅极下方保留了完整的AlGaN/GaN异质结构，避免了腐蚀和淀积介质层对沟道的损伤，降低了导通电阻，同时可以精确控制栅极下方势垒层的厚度，可以提高工艺的准确性、可控性、一致性，有利于产业化大规模制备。

A device structure and implementation method for improving GaN enhanced channel mobility using a new barrier layer

The present invention discloses a device structure and its fabrication method for improving GaN enhanced channel mobility by using a novel barrier layer. The structure includes substrate, GaN or AlN buffer layer, GaN channel layer, AlGaN layer insertion layer, GaN insertion layer, AlN insertion layer, AlGaN insertion layer, AlGaN insertion layer, mask dielectric layer, insulating gate dielectric layer and source-drain ohm. Contact and gate metal. AlGaN/AlN/GaN/AlGaN/GaN heterojunction materials were epitaxially grown on substrates. Source and drain electrodes were formed on this structure. The method inserts a group of AlN/GaN into the AlGaN barrier layer, and the inserted GaN layer acts as the stop layer of thermal oxidation and wet etching. A complete AlGaN/GaN heterostructure is retained under the gate, which avoids the damage of the corrosion and deposition medium layer to the channel, reduces the on-resistance, and can accurately control the thickness of the barrier layer under the gate. It can improve the accuracy, controllability and consistency of the process, and is conducive to large-scale industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种利用新型势垒层提高GaN增强型沟道迁移率的器件结构及实现方法
本专利技术属于微电子
，涉及GaN电力电子器件制作
技术介绍
近年来，氮化镓材料由于禁带宽度大、击穿电场强、饱和速度大而引起了广泛关注。AlGaN/GaN异质结强极化效应形成高浓度的二维电子气在高速、高功率及耐压电子器件领域扮演着重要的角色。GaN材料优越的性能使其在射频微波和电力电子领域有着广阔的应用前景。GaN器件主要以GaN异质结HEMT为主，在常规的AlGaN/GaN异质结中，由于自发极化效应和压电极化效应，在异质结界面存在高浓度的二维电子气，即常规的AlGaN/GaNHEMT器件表现为耗尽型器件。但出于系统安全性和简洁性的考虑，在很多实际电路的应用中需要增强型器件。目前比较常用来实现增强型GaNMOS的方法是栅移除技术和氟离子注入技术，栅移除技术又包括干法刻蚀和湿法腐蚀两种。其中干法刻蚀的栅移除方法和氟离子注入的方法，对GaNMOS沟道表面都有很大的损伤；而湿法腐蚀的栅移除技术虽然无等离子损伤，但由于一次性全部移除AlGaN势垒层，淀积栅介质层对沟道的损伤不可避免，得到的MOS沟道的迁移率远低于异质结界面的迁移率，因此制备出的增强型器件的导通电阻大、输出电流密度较低。为了提高GaN增强型沟道电子迁移率，需要改善表面形貌，减少界面散射。目前解决这一问题有如下改善方案：1.调节工艺参数使得对沟道的损伤尽可能小；2.从能带工程的角度利用背势垒结构使得沟道电子远离介质层和GaN界面，从而减小界面对沟道电子的散射，提高增强型沟道电子迁移率，进而提升器件的饱和电流，获得高性能、高稳定的GaN增强型器件。
技术实现思路
本专利技术为了更好地解决GaN增强型沟道迁移率低这一问题，利用湿法腐蚀自停止的特点，在AlGaN势垒层中插入一组AlN/GaN，插入的GaN层作为热氧化、湿法腐蚀的停止层，在栅极下方保留了完整的AlGaN/GaN异质结构，降低了导通电阻，同时可以精确控制栅极下方势垒层的厚度，获得性能优越、稳定性高的GaN增强型器件。本专利技术的技术思路如下：基于栅移除技术的传统AlGaN/GaN增强型器件结构中，栅介质层与GaN层直接接触形成MOS沟道。一方面，绝缘栅介质层和GaN沟道层的距离很近，导致沟道电子受到来自界面的强散射作用，迁移率降低；另一方面，介质层直接淀积在GaN沟道上，对GaN沟道的损伤不可避免。在传统的增强型AlGaN/GaN器件结构的基础上中，在AlGaN势垒层中插入一组AlN/GaN，使用高温热氧化方法，使得氧化自动停止在插入的GaN层，消除了工艺过程中对沟道的损伤，保留了完整的AlGaN/GaN异质结，栅介质层与GaN沟道实现分离，有效抑制了界面的强散射作用，提高了增强型沟道电子的迁移率。依据上述技术思路，为了降低GaN增强型器件沟道电子的迁移率，降低器件的导通电阻，一种利用新型势垒层提高GaN增强型沟道迁移率的器件结构，所述结构包括衬底、GaN或AlN缓冲层、本征GaN沟道层、本征AlGaN插入层、本征GaN插入层、本征AlN插入层、本征AlGaN势垒层、掩膜介质层、绝缘绝缘栅介质层和栅金属；所述AlN/GaN组位于两层AlGaN之间；在衬底上外延生长AlGaN/GaN/AlN/AlGaN/GaN异质结材料，在晶元表面定义栅极区域，栅极区域下方AlGaN/AlN层被刻蚀掉，并在该结构上形成源极、漏极和栅极。该结构中各层组成成分及材料种类如下所示：所述衬底材料为以下材料中的一种：Si、SiC、蓝宝石。所述的AlGaN插入层的厚度在1和5nm之间。所述的GaN插入层的厚度在1和3nm之间。所述的AlN插入层的厚度在1和3nm之间。所述掩膜介质层的材料可以为：SiO2、Al2O3、HfO2、MgO。所述绝缘栅介质层的材料为以下材料中的任意一种：Si3N4、Al2O3、AlN、HfO2、SiO2、HfTiO、Sc2O3、Ga2O3、MgO、SiNO。所述源极和漏极为：钛、铝、镍、金、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆、钨等中的一种或多种的合金。所述栅极金属为以下导电材料的一种或多种的组合：铂、铱、镍、金、钼、钯、硒、铍、TiN、多晶硅、ITO。这种新型增强型GaNMOS器件的制备方法包括以下具体步骤：(1)在衬底上按照一定的生长条件依次生长GaN或AlN缓冲层、本征GaN沟道层、本征AlGaN插入层、本征GaN插入层、本征AlN插入层、本征AlGaN势垒层；(2)生长好的AlGaN/AlN/GaN/AlGaN/GaN材料进行光刻和刻蚀(或者离子注入)，形成有源区台面；(3)对制备好有源区台面的AlGaN/AlN/GaN/AlGaN/GaN材料进行有机清洗，用流动的去离子水清洗后放入HCl：H2O＝1:10的溶液中清洗1～2min，而后可利用PECVD、ICPCVD或LPCVD在其表面形成一层薄的SiO2介质层作为热氧化的掩膜；(4)光刻栅电极区域，用RIE刻蚀SiO2形成刻蚀窗口，然后放入退火炉中，温度为650℃，在一个大气压下，氧气流量为2.5L/min氧化45min，样品在氧化完成后放入70℃的KOH溶液中腐蚀40min，移除被氧化的上层AlGaN/AlN异质结，最后使用BOE去除SiO2掩膜；(5)对完成栅刻蚀的材料进行光刻，刻蚀出源漏欧姆接触区，通过电子束蒸发或者磁控溅射制备欧姆接触金属并进行剥离，最后在氮气环境中于800℃～900℃之间快速热退火(一般30s)，形成欧姆接触；(6)将形成源漏欧姆接触的材料放入原子层淀积设备中，在晶元表面生长绝缘栅介质层，光刻出源漏区域接触孔，然后刻蚀掉绝缘栅介质层，使源漏欧姆接触暴露出来；(7)用电子束蒸发或者磁控溅射生长如前所述的合金栅电极材料，随后对器件进行剥离工艺处理形成栅电极，最后在氮气环境下对整个晶元进行退火处理，完成整体器件的制备。本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术的器件通过引入AlN/GaN插入层，使得腐蚀自动停止在GaN层，保留栅极下方AlGaN/GaN异质结，避免了腐蚀过程和淀积介质层过程中对沟道的影响，提高了GaN增强型器件的沟道迁移率；(2)本专利技术从器件结构设计的角度出发，通过改变AlN/GaN插入层的位置，可以精确控制栅极下方AlGaN层的厚度，使得器件性能具有极高的一致性，利于器件的大规模制备；(3)本专利技术的实现方法与传统湿法腐蚀实现增强型器件的方法相比，本专利技术只需要改变外延层的结构，并不需要改变工艺流程，因此实现方法简单可行。附图说明通过参照附图能更加详尽地阐明本专利技术器件的原理及其结构，并进一步描述本专利技术的示例性实施例，在附图中：图1是传统湿法腐蚀制备的增强型器件的整体剖面结构图，帮助更好地阐明本专利技术的设计思路；图2是本专利技术增强型器件的整体剖面结构示意图；图3～图10是本专利技术中的新型结构增强型器件每一步制造工艺后的剖面结构示意图，反映了本专利技术的工艺制造流程。具体实施方式在下文中，将参照附图更充分地描述本专利技术，在附图中示出了实施例及其实现过程，所描述的实施例仅仅是本专利技术中的一种实现形式，即本专利技术不应该解释为局限于在此阐述的实施例。基于该实施例，将本专利技术的范围充分地传达给本领域技术人员。在下文中，将参照附图更详细地描述本专利技术的示例性实施例。参照图2，该器件结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用新型势垒层提高GaN增强型沟道迁移率的器件结构及实现方法，其特征在于：所述结构包括：衬底、GaN或AlN缓冲层、本征GaN沟道层、本征AlGaN插入层、本征GaN插入层、本征AlN插入层、本征AlGaN势垒层、掩膜介质层、绝缘绝缘栅介质层和栅金属；所述AlN/GaN组位于两层AlGaN之间；在衬底上外延生长AlGaN/GaN/AlN/AlGaN/GaN异质结材料，在晶元表面定义栅极区域，栅极区域下方AlGaN/AlN层被刻蚀掉，并在该结构上形成源极和漏极以形成GaN增强型器件。

【技术特征摘要】
1.一种利用新型势垒层提高GaN增强型沟道迁移率的器件结构及实现方法，其特征在于：所述结构包括：衬底、GaN或AlN缓冲层、本征GaN沟道层、本征AlGaN插入层、本征GaN插入层、本征AlN插入层、本征AlGaN势垒层、掩膜介质层、绝缘绝缘栅介质层和栅金属；所述AlN/GaN组位于两层AlGaN之间；在衬底上外延生长AlGaN/GaN/AlN/AlGaN/GaN异质结材料，在晶元表面定义栅极区域，栅极区域下方AlGaN/AlN层被刻蚀掉，并在该结构上形成源极和漏极以形成GaN增强型器件。2.根据权利要求1所述的利用新型势垒层提高GaN增强型沟道迁移率的器件结构及实现方法，其特征在于：其中的衬底材料为Si、SiC、蓝宝石。3.根据权利要求1所述的利用新型势垒层提高GaN增强型沟道迁移率的器件结构及实现方法，其特征在于：AlGaN插入层的厚度在1和5nm之间。4.根据权利要求1所述的利用新型势垒层提高GaN增强型沟道迁移率的器件结构及实现方法，其特征在于：GaN插入层的厚度在1和3nm之间。5.根据权利要求1所述的利用新型势垒层提高GaN增强型沟道迁移率的器件结构及实现方法，其特征在于：AlN插入层的厚度在1和3nm之间。6.根据权利要求1所述的利用新型势垒层提高GaN增强型沟道迁移率的器件结构及实现方法，其特征在于：掩膜介质层的材料可以为：SiO2、Al2O3、HfO2、MgO。。7.根据权利要求1所述的利用新型势垒层提高GaN增强型沟道迁移率的器件结构及实现方法，其特征在于：绝缘栅介质层的材料为以下材料中的任意一种：Si3N4、Al2O3、AlN、HfO2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王茂俊，沈波，陶明，刘少飞，郝一龙，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11