非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管及制备方法，其制备方法包括步骤：S1、选取非极性GaN材料作为衬底；S2、在衬底上生长GaN，形成非极性沟道层；S3、在非极性沟道层上生长InAlN，形成非极性势垒层；S4、在非极性沟道层和非极性势垒层内制作源极和漏极，在非极性势垒层上制作栅极，得到非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管。本发明专利技术实施例的非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法在一定工艺条件下，形成了非极性的沟道层和势垒层，非极性沟道层和非极性势垒层形成非极性异质结构，非极性异质结构能够对自发极化及压电极化进行调制，从而抑制沟道内高密度极化电荷的产生，实现增强型效果。

【技术实现步骤摘要】
非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管及制备方法
本专利技术属于微电子
，具体涉及一种非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管及制备方法。
技术介绍
由于GaN基异质结构的沟道内存在高迁移率二维电子气，因此GaN成为制备高性能电子器件最理想的材料。自从K.Han等人第一次提出GaN基异质结构的概念后，以AlGaN/GaN、InAlN/GaN、AlN/GaN等为代表的异质结构在制备高电子迁移率晶体管方面取得了丰硕的研究成果。截至目前，以常规AlGaN/GaN异质结构为基础的高电子迁移率晶体管(HighElectronMobilityTransistor，简称HEMT)的截止频率已经突破200GHz，最大震荡频率也已经突破300GHz。基于常规极性c面III族氮化物异质结构的晶体管器件为耗尽型器件，即器件在零偏置时呈现开启状态，需要外加偏置电压来使其达到截止状态。这一性质不仅会使器件在非工作状态下损耗功率，同时使器件在电力电子应用方面存在安全隐患。另外，在数字电路体系中，仅依靠耗尽型器件无法完成多种逻辑功能的实现。因此，制备高性能的增强型(常关型)器件成为了当前GaN基电子器件研究的热点和重点。目前，实现增强型器件的技术主要包括p-GaN帽层结构制备技术、凹栅结构制备技术以及氟离子注入技术等，但是，上述传统工艺在实现增强型的同时，均会产生较为严重的不利影响。p-GaN帽层制备技术：p-GaN帽层技术的工作原理和pn结相似，p型GaN可以和n型AlGaN势垒层产生pn结电场，对AlGaN/GaN异质结界面处的二维电子气产生耗尽作用。但是在p-GaN帽层结构中，帽层的淀积不仅会增大器件的寄生电容，同时会削弱器件的栅控能力；并且，p型GaN的生长对于掺杂技术的要求很高，目前仍是尚未攻克的GaN外延工艺难点，工艺过程难以精确控制；凹栅结构制备技术：凹栅技术是对AlGaN势垒层进行刻蚀，当其厚度小于临界值时，AlGaN/GaN异质结界面不会产生二维电子气，这时，栅极下方没有电子的积聚，器件处于常关状态。但是对于凹栅结构，过薄的势垒层会导致沟道势阱深度较浅，造成载流子的限域性降低；而且，干法刻蚀工艺会对材料结构造成损伤，且工艺稳定性和重复性较差，不利于大规模生产；另外，凹栅结构器件的阈值电压仅能达到稍大于0V的水平，无法得到更高的阈值电压。氟离子注入技术：氟离子注入技术的原理是通过等离子体设备对栅区域的AlGaN势垒层进行氟等离子体处理，使部分氟离子进入AlGaN势垒层中形成负电中心，在其周围形成的势场对沟道电子产生耗尽作用从而形成增强型器件。然而，由于氟离子注入工艺会造成势垒层中陷阱态和缺陷损伤的增加，影响器件性能，尤其会影响器件在高温条件下的稳定性；此外，传统工艺方法尽管均能达到耗尽沟道内载流子的目的，但是异质结构界面处的极化电荷仍然存在；现有技术表明，在进行栅介质淀积等器件工艺时，极化电荷会造成器件阈值电压的负向漂移，可靠性存在隐患。综上所述，目前国内外实现增强型器件的技术存在诸多问题，主要体现在工艺重复性差、工艺过程对材料及器件造成损伤、工艺过程影响器件稳定性等方面，从而影响增强型器件的性能和可靠性。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管及制备方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：本专利技术实施例提供了一种非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法，包括步骤：S1、选取非极性GaN材料作为衬底；S2、在所述衬底上生长GaN，形成非极性沟道层；S3、在所述非极性沟道层上生长InAlN，形成非极性势垒层；S4、在所述非极性沟道层和所述非极性势垒层内制作源极和漏极，在所述非极性势垒层上制作栅极，得到非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管。在本专利技术的一个实施例中，步骤S1之后还包括：S11、在温度范围为828～1012℃的条件下，对所述衬底进行氮化处理；S12、对所述衬底进行处理，处理过程为：在衬底上生长GaN膜，对所述GaN膜进行刻蚀处理，生长所述GaN膜和对所述GaN膜进行刻蚀处理循环预定周期。在本专利技术的一个实施例中，步骤S2包括：在基座温度范围为900～1100℃、反应室压强范围为9～10Tor、Ga源的流量范围为9～11sccm、N源的流量范围为90～110sccm的条件下生长GaN，形成所述非极性沟道层。在本专利技术的一个实施例中，步骤S3包括：S31、在所述非极性沟道层上生长AlN，形成插入层；S32、在所述插入层上生长InAlN，形成所述非极性势垒层。在本专利技术的一个实施例中，步骤S32包括：在基座温度范围为648～792℃、反应室压强范围为180～220Tor、Al源的流量范围为10～14sccm、N源的流量范围为900～1100sccm、In源的流量范围为72～88sccm的条件下生长InAlN，形成所述非极性势垒层。在本专利技术的一个实施例中，所述非极性势垒层的材料为In1-xAlxN，其中x范围为80％～85％。在本专利技术的一个实施例中，步骤S4包括：S41、利用金属蒸发方法在所述非极性势垒层上淀积第一金属材料，并对所述第一金属材料进行退火处理，使所述第一金属材料下沉至所述非极性沟道层，形成源极和漏极；S42、刻蚀所述非极性势垒层和所述非极性沟道层，形成隔离沟槽；S43、利用金属蒸发方法在所述非极性势垒层上淀积第二金属材料，形成栅极。在本专利技术的一个实施例中，在所述非极性势垒层上制作源极、漏极和栅极之后还包括：S5、利用等离子体增强化学气相沉积法，在所述非极性势垒层、所述源极、所述漏极和所述栅极上淀积SiN，形成保护层；S6、在所述保护层上光刻互联开孔区，在所述互联开孔区制作金属互联层。本专利技术的另一个实施例还提供了一种非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管，由上述制备方法制得。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1、本专利技术的非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法在一定工艺条件下，形成了非极性的沟道层和势垒层，非极性沟道层和非极性势垒层形成非极性异质结构，非极性异质结构能够对自发极化及压电极化进行调制，从而抑制沟道内高密度极化电荷的产生，实现增强型效果。2、本专利技术的制备方法仅依赖原位材料的生长控制，避免了刻蚀、离子注入等工艺对材料器件的损伤，大幅度提升了工艺重复性与稳定性，保证了增强型器件的性能和可靠性，可实现增强型器件的规模化制备。3、本专利技术选用基于新型氢化物气相外延(HVPE)的非极性GaN同质材料作为衬底，不仅能够有效缓解在异质材料上外延生长非极性材料的困难性，而且对于提升外延材料的结晶质量、异质结构的输运特性以及HEMTs器件的工作性能具有重要意义。4、本专利技术的非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管的栅极方向与c轴方向夹角θ范围为0°≤θ≤90°，结合非极性材料面内的各向异性，在制备非极性高电子迁移率晶体管的基础上，探讨了栅极方向对器件特性的影响机理，对非极性异质结构及相关器件体系的建立具有重要意义。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法的流程图；图2为本专利技术实施例提供的一种非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管的结构示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，包括步骤：S1、选取非极性GaN材料作为衬底(101)；S2、在所述衬底(101)上生长GaN，形成非极性沟道层(102)；S3、在所述非极性沟道层(102)上生长InAlN，形成非极性势垒层(103)；S4、在所述非极性沟道层(102)和所述非极性势垒层(103)内制作源极(104)和漏极(105)，在所述非极性势垒层(103)上制作栅极(106)，得到非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管。

【技术特征摘要】
1.一种非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，包括步骤：S1、选取非极性GaN材料作为衬底(101)；S2、在所述衬底(101)上生长GaN，形成非极性沟道层(102)；S3、在所述非极性沟道层(102)上生长InAlN，形成非极性势垒层(103)；S4、在所述非极性沟道层(102)和所述非极性势垒层(103)内制作源极(104)和漏极(105)，在所述非极性势垒层(103)上制作栅极(106)，得到非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管。2.如权利要求1所述的非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S1之后还包括：S11、在温度范围为828～1012℃的条件下，对所述衬底(101)进行氮化处理；S12、对所述衬底(101)进行处理，处理过程为：在衬底(101)上生长GaN膜，对所述GaN膜进行刻蚀处理，生长所述GaN膜和对所述GaN膜进行刻蚀处理循环预定周期。3.如权利要求1所述的非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S2包括：在基座温度范围为900～1100℃、反应室压强范围为9～10Tor、Ga源的流量范围为9～11sccm、N源的流量范围为90～110sccm的条件下生长GaN，形成所述非极性沟道层(102)。4.如权利要求1所述的非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S3包括：S31、在所述非极性沟道层(102)上生长AlN，形成插入层(1021)；S32、在所述插入层(1021)上生长InAlN，形成所述非极性势垒层(103)。5.如权利要求4所述的非极性InAlN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雅超，任泽阳，张进成，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