一种基于InGaN插入层实现GaN器件隔离的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于InGaN插入层实现GaN器件隔离的方法，该方法包括：准备GaN外延片，GaN外延片的GaN沟道层和AlGaN势垒层之间形成二维电子气，在GaN外延片的隔离区之间设置InGaN插入层，InGaN插入层设置在AlGaN层外，InGaN插入层与AlGaN势垒层的异质结中诱导出极化负电荷，极化负电荷耗尽二维电子气中的电子以实现不同器件区的隔离。本发明专利技术实现了器件的隔离，隔离区稳定性高，平坦化好。本方法避免传统GaN器件隔离工序中因离子注入造成的损伤和不稳定性，同时也避免了刻蚀带来的界面损伤和深槽，保证了器件的平坦化，是基于大尺寸平台量产GaN器件工艺中非常好的技术选择。

A Method of GaN Device Isolation Based on InGaN Insertion Layer

The invention discloses a method for realizing GaN device isolation based on InGaN insertion layer. The method includes preparing GaN epitaxy sheet, forming two-dimensional electron gas between GaN channel layer and AlGaN barrier layer of GaN epitaxy sheet, setting InGaN insertion layer between isolation zone of GaN epitaxy sheet, setting InGaN insertion layer outside AlGaN layer, and inducing negative polarization in heterojunction between InGaN insertion layer and AlGaN barrier layer. Charge and polarized negative charge deplete electrons in two-dimensional electron gas to isolate different device regions. The invention realizes device isolation, high stability of isolation zone and good flatness. This method avoids the damage and instability caused by ion implantation in the isolation process of traditional GaN devices. It also avoids the interface damage and deep grooves caused by etching, and ensures the flattening of devices. It is a very good technology choice in the process of mass production of GaN devices based on large-scale platforms.

【技术实现步骤摘要】
一种基于InGaN插入层实现GaN器件隔离的方法
本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种基于InGaN插入层实现GaN器件隔离的方法。
技术介绍
随着高效完备的功率转换电路和系统需求的日益增加，具有低功耗和高速特性的功率器件最近吸引了很多关注。GaN是第三代宽禁带半导体材料，由于其具有大禁带宽度(3.4eV)、高电子饱和速率(2×107cm/s)、高击穿电场(1×1010—3×1010V/cm)，较高热导率，耐腐蚀和抗辐射性能，在高压、高频、高温、大功率和抗辐照环境条件下具有较强的优势，被认为是研究短波光电子器件和高压高频率大功率器件的最佳材料。GaN基AlGaN/GaN高迁移率晶体管是功率器件中的研究热点，这是因为AlGaN/GaN抑制结处形成高浓度、高迁移率的二维电子气(2DEG),同时异质结对2DEG具有良好的调节作用。良好的器件隔离技术是实现在大尺寸晶圆上开发高密度分立器件和集成电路制造的根本。当前，为加快AlGaN/GaN异质结构的商业化应用，产业界普遍的思路和做法是开发基于Si平台兼容的4-8inchGaN器件的开发。这其中用于器件隔离的方案主要有2种：①离子注入隔离，即通过在隔离区注入O，H，He等离子，实现片内器件间的隔离；基于此方案的隔离技术存在隔离区高温稳定性差，材料表面损伤严重等问题；②干法刻蚀隔离，这种方案是通过Cl2/BCl3基等离子刻蚀方法，刻蚀掉隔离区上层的AlGaN和部分的GaN，切断隔离区2DEG的通道，从而实现器件之间的隔离，这种方案是目前绝大部分商用器件开发者普遍采用的方案，此方案同样存在不可避免的问题，一是存在深槽，不利于器件的表面平坦化，尤其是以后基于小尺寸器件的开发，平坦的器件表面更是实现器件优异性能的基础；二是需要较好的深槽介质填充技术，尤其对于大功率器件来说，隔离区暴露出来的2DEG沟道存在很大与电极金属和衬底Si材料接触，从而导致漏电和短路的风险；因此，当前针对日益增长的市场需求，亟需开发一种可以同时满足稳定性以及技术延伸的可持续性的器件隔离技术。
技术实现思路
本申请提供一种基于InGaN插入层实现GaN器件隔离的方法，用以解决现有离子注入和干法刻蚀隔离技术带来的器件隔离区高温稳定性差、材料表面损伤严重、器件的表面平坦化差的技术问题。为了解决上述问题，本专利技术的技术方案如下：一种基于InGaN插入层实现GaN器件隔离的方法，该方法包括：准备GaN外延片，GaN外延片的GaN沟道层和AlGaN势垒层之间形成二维电子气，在GaN外延片的不同器件区之间设置InGaN插入层，InGaN插入层设置在AlGaN层外，InGaN插入层与AlGaN势垒层的异质结中诱导出极化负电荷，极化负电荷耗尽二维电子气中的电子以实现不同器件区的隔离。一种基于InGaN插入层实现隔离的GaN器件，包括由下往上依次设置的衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层和AlGaN势垒层，AlGaN势垒层上形成多个独立的器件区，每个器件区均设置有源电极、漏极和栅电极，各电极之间覆盖有与AlGaN势垒层相连接的钝化层，在不同器件区的AlGaN势垒层和钝化层之间设置InGaN插入层。本专利技术的有益效果为：本专利技术采用在隔离区插入InGaN薄层的方法，耗尽沟道中的电子，从而实现不同器件区的隔离，隔离区稳定性高，平坦化好。本方法避免传统GaN器件隔离工序中因离子注入造成的损伤和不稳定性，同时也避免了刻蚀带来的界面损伤和深槽，保证了器件的平坦化，是基于大尺寸平台量产GaN器件工艺中非常好的技术选择。附图说明图1是本专利技术InGaN插入层构成的隔离区截面图。图2是图1隔离区的能带图。图3是GaN外延片结构示意图。图4是GaN晶体结构图。图5是GaN外延片AlGaN/GaN异质结的极化效果示意图。图6是InGaN/AlGaN异质结的极化效果示意图。图7是本专利技术方法中二维电子气的耗尽示原理示意图。图8是本专利技术一种实施例制备的GaN器件结构示意图及其器件区和隔离区能带图。图中，101-衬底，102-GaN缓冲层，103-GaN沟道层，104-二维电子气，105-AlGaN势垒层，106-InGaN插入层，107-钝化层。具体实施方式目前，常用于GaN器件隔离的方案主要有两种，离子注入隔离和干法刻蚀隔离，这两种方法会带来器件隔离区高温稳定性差、材料表面损伤严重、器件的表面平坦化差、器件易漏电和短路的问题。因此，亟需开发一种可以同时满足稳定性以及技术延伸的可持续性的器件隔离技术。正是为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于InGaN插入层实现GaN器件隔离的方法，该方法的基本思路是，在GaN外延片的不同器件区插入InGaN薄层，耗尽沟道中的电子，从而实现器件的隔离。该方法避免了因离子注入造成的损伤和不稳定性，同时避免了干法刻蚀隔离所形成的深槽，保证了器件的平坦化，是GaN器件量产工艺开发中非常好的一种选择。图1和图2分别给出了器件隔离区的截面图和能带图，可以看出，器件隔离区具有简单的物理结构和十分优秀的隔离作用。采用InGaN插入层耗尽沟道中的电子以实现器件之间的隔离，其原理如下：解释原理之前，先通过说明GaN外延片中AlGaN/GaN异质结中高浓度二维电子气(2-DEG)的成因，了解极化效应以及极化诱导电子浓度的计估算。图3给出了普通我们制作器件使用的外延结构示意图，一般包含2-3um的GaN沟道层，20-30nm的AlGaN势垒层，其中Al组分为最常用的25％。功率和射频器件开发使用的GaN，AlN材料均是基于(111)晶格方向生长的纤维锌矿结构的材料，参见图4，材料的铁电性较强，存在较强的自发极化效应；同时AlGaN，GaN之间存在由于晶格失配导致的压电极化效应；由此在AlGaN/GaN的接触界面诱导出大量的极化电荷，通过对极化方向的分析，可以知道，此处诱导的电荷为正电荷，参见图5。这样，高浓度的正向极化电荷，最终在AlGaN/GaN界面的GaN一侧诱导出了高密度的电子，如图3虚线位置所示，这一电子薄层被称为二维电子气(2-DEG)。极化效应诱导出的电子浓度可以使用以下公式计算：其中，x代表Al组分，本例中为0.25。d为AlGaN层的厚度，σ为极化量，eφb为肖特基势垒，EF是费米能级，ΔEC为AlGaN/GaN界面的导带差，ε为相对介电常数；为了计算出电子浓度ns需要做以下一些估算：ε(x)＝-0.5x+ε(GaN)(1)eφb＝1.3x+eφb(GaN)eV(2)其中，ΔEC＝0.7[Eg(x)-Eg(0)](5)其中，Eg(x)＝xEg(AlN)+(1-x)Eg(GaN)-x(1-x)1.0eV(6)其中，a为晶格常数，e为压电极化系数，C为弹性常数，PSP为自发极化量；对它们的估算可以使用以下线性方程：a(x)＝-0.077x+a(GaN)C13(x)＝5x+C13(GaN)C33(x)＝-32x+C33(GaN)(8)e31(x)＝-0.11x+e31(GaN)e33(x)＝0.73x+e33(GaN)PSP(x)＝0.052x+PSP(GaN)下表给出了GaN，AlN，InN的基本常量：表1GaN、AlN、InN参数表将这些常数带入(1)-(8)公式中，可得电子浓度ns的大小为1013量级；并且ns会随本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于InGaN插入层实现GaN器件隔离的方法，该方法包括：准备GaN外延片，所述GaN外延片的GaN沟道层(103)和AlGaN势垒层(105)之间形成二维电子气(104)，其特征在于，在GaN外延片的不同器件区之间设置InGaN插入层(106)，所述InGaN插入层(106)设置在AlGaN势垒层(105)外，InGaN插入层(106)与AlGaN势垒层(105)的异质结中诱导出极化负电荷，所述极化负电荷耗尽二维电子气(104)中的电子以实现不同器件区的隔离。

【技术特征摘要】
1.一种基于InGaN插入层实现GaN器件隔离的方法，该方法包括：准备GaN外延片，所述GaN外延片的GaN沟道层(103)和AlGaN势垒层(105)之间形成二维电子气(104)，其特征在于，在GaN外延片的不同器件区之间设置InGaN插入层(106)，所述InGaN插入层(106)设置在AlGaN势垒层(105)外，InGaN插入层(106)与AlGaN势垒层(105)的异质结中诱导出极化负电荷，所述极化负电荷耗尽二维电子气(104)中的电子以实现不同器件区的隔离。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，具体包括以下步骤：通过气相沉积法在衬底(101)上依次外延生长GaN缓冲层(102)、GaN沟道层(103)和AlGaN势垒层(105)；在AlGaN势垒层(105)表面形成InGaN薄层区域，构成不同器件区的隔离区；在AlGaN势垒层(105)及InGaN薄层区域的表面上沉积钝化层(107)；在各个器件区均刻蚀该器件区的欧姆接触孔；在欧姆接触孔内沉积欧姆金属；欧姆金属图形化并高温退火以形成源电极和漏电极；在各个器件区预设形成栅极的区域上制作栅电极。3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，在AlGaN势垒层(105)表面形成InGaN薄层区域，构成不同器件区的隔离区，具体包括以下步骤：在AlGaN势垒层(105)表面沉积InGaN插入层(106)；刻蚀InGaN插入层(106)，仅保留不同器件区边界区域的InGaN薄层，形成留有InGaN插入层(106)的隔离区。4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，在AlGaN势垒层(105)表面形成InGaN薄层区域，构成不同器件区的隔离区，具体包括以下步骤：...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙辉，胡腾飞，刘美华，林信南，陈东敏，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44