基于溅射AlN基板的混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于溅射AlN基板的混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制备方法，所述制备方法包括：在衬底的预设部分溅射生长AlN基板；在衬底的其余部分和AlN基板上生长AlN成核层；在AlN成核层上生长混合极性GaN缓冲层；在混合极性GaN缓冲层上生长插入层；在插入层上生长混合极性AlGaN势垒层；在衬底的其余部分对应的AlGaN势垒层上蒸发欧姆金属，退火，然后在衬底的其余部分对应的GaN缓冲层上形成源极和漏极，同时在AlN基板对应的AlGaN势垒层上制备栅极，最终完成混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制备。通过这种制备方法，可以得到一种混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，在有效减小源极、漏极欧姆接触电阻的基础上，抑制栅极下方材料漏电，从而大幅度提升器件性能。

【技术实现步骤摘要】
基于溅射AlN基板的混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制备方法
本专利技术属于微电子
，具体涉及一种基于溅射AlN基板的混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制备方法。
技术介绍
由于N极性面GaN与常规Ga极性面的GaN极性完全相反，其在光电器件、探测器和微波功率器件等领域有很好应用前景。比如，采用N极性面GaN材料制备LED器件，由于耗尽电场和极化电场方向相同，可以缩短耗尽区的宽度，从而获得较低的开启电压，而较低的开启电压有利于缓解量子限制斯塔克效应，从而提高LED的发光效率；采用N极性面GaN材料制备氢气探测器时，由于氢原子与N极性面GaN材料表面的亲和力远大于Ga极性面GaN材料，因此基于N极性面GaN肖特基二极管的灵敏度要高于Ga极性面GaN器件的灵敏度；采用N极性面GaN材料制备HEMT器件具有天然背势垒、欧姆接触电阻低、更好的等比例缩小特性等优势。但是由于N极性面材料对O杂质的吸附能力太强，导致材料内部O杂质含量往往达到1019量级，这使得其背景载流子浓度处于一个很高的水平，这一难题至今还未能有效的解决。因此，将基于N面异质结材料的电子器件必然存在着严重的漏电问题。但是，基于混合极性AlGaN/GaN异质结构，选用源极和漏极下方材料为N面材料，而栅极下方材料为Ga极性材料，则能够有效利用N极性面材料制备欧姆接触电阻低的优势，同时可以避免N面材料漏电对HEMTs器件带来的不利影响，能够大幅度提升器件性能。目前实现混合极性氮化物材料生长的工艺主要基于MBE(分子束外延)生长方法和干法刻蚀技术。其制备流程如图1所示，图1为现有技术提供的一种制备混合极性GaN材料的方法：首先，在蓝宝石衬底上采用MOCVD(金属有机化合物化学气相淀积)或者MBE技术外延一定厚度的AlN成核层；然后在成核层上做图形掩膜；再用干法刻蚀将非掩膜区刻蚀至衬底，并将掩膜去除；最后，再使用MBE外延GaN。利用MBE直接在蓝宝石衬底上生长的GaN是N极性面，而在AlN成核层上生长的GaN是Ga极性面的原理，实现混合极性GaN的生长。然而，这一混合极性的方法较为繁琐，需要经过干法刻蚀和再生长等复杂的工艺过程，大大提升了实验的成本并降低了工艺的稳定性和可重复性。同时，直接在蓝宝石衬底上生长出来的N极性面GaN材料质量较差，难以满足器件制备工艺要求。因此，需要探索更为简便易行的技术方案来实现高质量混合极性氮化物薄膜材料的生长。
技术实现思路
为了解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种基于溅射AlN基板的混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制备方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：本专利技术的一个实施例提供了一种基于溅射AlN基板的混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法，包括：在衬底的预设部分溅射生长AlN基板；在所述衬底的其余部分和所述AlN基板上生长AlN成核层；在所述AlN成核层上生长混合极性GaN缓冲层；在所述GaN缓冲层上生长插入层；在所述插入层上生长混合极性AlGaN势垒层；在所述衬底的其余部分对应的所述混合极性AlGaN势垒层上蒸发欧姆金属，退火，然后在所述衬底的其余部分对应的所述混合极性GaN缓冲层上形成源极和漏极，同时在所述AlN基板对应的所述混合极性AlGaN势垒层上制备栅极，最终完成混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制备。在本专利技术的一个实施例中，所述衬底材料为蓝宝石。在本专利技术的一个实施例中，在衬底的预设部分溅射生长AlN基板，包括：对磁控溅射设备的溅射腔体进行抽真空后通入氮气和氩气；以Al作为溅射靶材，在衬底的预设部分溅射生长AlN基板。在本专利技术的一个实施例中，在衬底的预设部分溅射生长AlN基板，之后还包括：对所述衬底进行高温氮化处理。在本专利技术的一个实施例中，在所述衬底的其余部分和所述AlN基板上生长AlN成核层，包括：在1000℃～1100℃的温度，30Torr～50Torr的压强下，采用低压MOCVD工艺，以三甲基铝作为Al源，以氨气作为N源，在所述衬底的其余部分和所述AlN基板上生长AlN成核层，生长时间为10min～30min。在本专利技术的一个实施例中，在所述AlN成核层上生长混合极性GaN缓冲层，包括：在900℃～1100℃的温度，30Torr～50Torr的压强下，采用低压MOCVD工艺，以三甲基镓作为Ga源，以氨气作为N源，在所述AlN成核层上生长混合极性GaN缓冲层，生长时间为50min～70min。在本专利技术的一个实施例中，在所述插入层上生长混合极性AlGaN势垒层，包括：在900℃～1100℃的温度，30Torr～50Torr的压强下，采用低压MOCVD工艺，以三甲基镓作为Ga源，三甲基铝作为Al源，以氨气作为N源，在所述插入层上生长混合极性AlGaN势垒层，生长时间为1min～5min。在本专利技术的一个实施例中，所述混合极性AlGaN势垒层中Al的组份为20％～60％。在本专利技术的一个实施例中，所述混合极性AlGaN势垒层的厚度为6nm～30nm。本专利技术的另一个实施例提供了一种基于溅射AlN基板的混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，所述混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管由上述实施例中任一所述的方法制备形成；所述混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管包括：衬底、AlN基板、AlN成核层、混合极性GaN缓冲层、插入层、混合极性AlGaN势垒层、源极、漏极、栅极；所述AlN基板位于所述衬底的预设部分上；所述AlN成核层位于所述衬底的其余部分和所述AlN基板上；所述混合极性AlGaN势垒层、所述插入层、所述混合极性GaN缓冲层自上而下依次位于所述AlN成核层上；所述源极、所述漏极相对设置于衬底的其余部分对应的所述混合极性GaN缓冲层上；所述栅极设置于所述AlN基板对应的所述混合极性AlGaN势垒层上。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1.本专利技术利用“磁控溅射AlN基板和MOCVD生长AlN成核层”以及“单纯MOCVD生长AlN成核层”上生长GaN材料极性反转的临界氨气/三甲基镓摩尔流量比的差异，实现单片衬底上混合极性AlGaN/GaN异质结构的生长，避免了二次外延以及刻蚀等步骤，有效提升了工艺稳定性和可重复性，进而在混合极性AlGaN/GaN异质结构上制备高电子迁移率晶体管，源极、漏极对应N面材料，栅极对应Ga面材料，有效利用N面材料欧姆接触电阻小的优势，同时能够减小栅极下方材料漏电，大幅度提升器件性能；2.本专利技术生长的混合极性材料均位于AlN成核层上，材料质量较直接在蓝宝石上生长的材料具有明显提升；3.本专利技术在混合极性GaN材料的基础上，进一步实现混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制备，具有更加实际的应用价值；4.本专利技术采用的磁控溅射以及MOCVD工艺比MBE工艺在氮化物外延中更为常用，工艺更加成熟稳定，且易于实现大尺寸外延工艺，具有更强的商业化应用潜力。附图说明图1为现有技术提供的一种制备混合极性GaN材料的方法；图2为本专利技术实施例提供的一种基于溅射AlN基板的混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法的流程示意图；图3为本专利技术实施例提供的一种基于溅射AlN基板本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于溅射AlN基板的混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，包括：在衬底的预设部分溅射生长AlN基板；在所述衬底的其余部分和所述AlN基板上生长AlN成核层；在所述AlN成核层上生长混合极性GaN缓冲层；在所述GaN缓冲层上生长插入层；在所述插入层上生长混合极性AlGaN势垒层；在所述衬底的其余部分对应的所述混合极性AlGaN势垒层上蒸发欧姆金属，退火，然后在所述衬底的其余部分对应的所述混合极性GaN缓冲层上形成源极和漏极，同时在所述AlN基板对应的所述混合极性AlGaN势垒层上制备栅极，最终完成混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制备。

【技术特征摘要】
2018.08.20 CN 20181094600131.一种基于溅射AlN基板的混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，包括：在衬底的预设部分溅射生长AlN基板；在所述衬底的其余部分和所述AlN基板上生长AlN成核层；在所述AlN成核层上生长混合极性GaN缓冲层；在所述GaN缓冲层上生长插入层；在所述插入层上生长混合极性AlGaN势垒层；在所述衬底的其余部分对应的所述混合极性AlGaN势垒层上蒸发欧姆金属，退火，然后在所述衬底的其余部分对应的所述混合极性GaN缓冲层上形成源极和漏极，同时在所述AlN基板对应的所述混合极性AlGaN势垒层上制备栅极，最终完成混合极性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制备。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底材料为蓝宝石。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在衬底的预设部分溅射生长AlN基板，包括：对磁控溅射设备的溅射腔体进行抽真空后通入氮气和氩气；以Al作为溅射靶材，在衬底的预设部分溅射生长AlN基板。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在衬底的预设部分溅射生长AlN基板，之后还包括：对所述衬底进行高温氮化处理。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述衬底的其余部分和所述AlN基板上生长AlN成核层，包括：在1000℃～1100℃的温度，30Torr～50Torr的压强下，采用低压MOCVD工艺，以三甲基铝作为Al源，以氨气作为N源，在所述衬底的其余部分和所述AlN基板上生长AlN成核层，生长时间为10min～30min。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述AlN成核层上生长混合极性GaN缓冲层，包括：在900℃～1100℃的温...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雅超，马晓华，张涛，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