一种增强型AlN/AlGaN/GaN HEMT器件及其制备方法技术

技术编号:22567093 阅读:63 留言:0更新日期:2019-11-16 12:55
本发明专利技术属于半导体器件领域,公开了一种增强型AlN/AlGaN/GaN HEMT器件及其制备方法。所述器件包括衬底、GaN沟道层、AlGaN超薄势垒层、非晶SiO

An enhanced AlN / AlGaN / GaN HEMT device and its preparation

The invention belongs to the field of semiconductor devices, and discloses an enhanced AlN / AlGaN / GaN HEMT device and a preparation method thereof. The device comprises a substrate, a GaN channel layer, an AlGaN ultra-thin barrier layer and an amorphous SiO

【技术实现步骤摘要】
一种增强型AlN/AlGaN/GaNHEMT器件及其制备方法
本专利技术属于半导体器件领域,具体涉及一种增强型AlN/AlGaN/GaNHEMT器件及其制备方法。
技术介绍
在化合物半导体电子器件中,高电子迁移率晶体管(HEMT)是应用于高频大功率场合最主要的电子器件。这种器件依靠Ⅲ族氮化物半导体的自发极化和压电极化效应,在异质结界面形成具有量子效应的二维电子气(2DEG)导电沟道,2DEG的密度、迁移率和饱和速率等决定了器件的电流处理能力。其中,基于GaN及相关Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料(AlN、InN)的HEMT器件是目前化合物半导体电子器件的研究热点。与第二代半导体GaAs相比,GaN具有宽禁带、临界击穿电场高、电子饱和速度高、热导率高、抗辐照能力强等优势,因此GaNHEMT具有优异的高频、耐压、耐高温、耐恶劣环境特性,被大量应用在射频微波以及功率开关等领域。AlGaN/GaN异质结界面处的自发极化及压电极化,使得常见的AlGaN/GaN异质结之间能够产生浓度大约为1013cm-2的面电荷密度,因此GaNHEMT器件是天然的耗尽型器件。这种耗尽型器件在射频微波应用中要使用负的开启电压,使电路结构变得复杂而且电路的防误启的保护功能也会受到影响,降低电路的安全性,因此有必要开展增强型GaNHEMT器件的研究,简化电路设计和降低制备成本,这对大规模微波射频电路应用来说具有重大意义。同时在数字电路中,增强型和耗尽型GaNHEMT相结合,可以集成为直接耦合型场效应晶体管逻辑(DCFL)电路,这些单片集成的增强型/耗尽型(E/DMode)GaNHEMTs逻辑单元可以用在混合信号电路和直流-直流(DC-DC)转换电路上,在反相器、环形振荡器的设计中,使电路设计更简单。常见的实现增强型器件的方法有氟离子注入技术、凹槽栅技术和p型栅技术。氟离子注入是在栅金属沉积之前,通过反应离子刻蚀(RIE)或者感应耦合等离子刻蚀(ICP)将氟离子注入栅下势垒层,注入的F离子通常受到来自相邻原子(Al、Ga或N)的排斥力而在间隙位置处于稳定,由于氟在所有元素中具有最强的电负性,因此在间隙位置处的单个氟离子会捕获自由电子并形成负的固定电荷,形成一个附加的势垒,提高势垒高度,产生阈值电压的大幅度正移。但是氟离子注入不可避免的会造成2DEG沟道中存在少量氟离子,导致沟道载流子迁移率减低,同时对势垒层造成晶格损伤。凹槽栅结构是对栅下势垒层进行刻蚀,只降低栅下极化电荷密度而尽可能不影响沟道电荷,在保证较高输出电流的情况下实现增强型。但在实际制备中,在工艺上难以精准刻蚀势垒层,同时刻蚀过程中会引入晶格损伤,降低被刻蚀区域的电子迁移率,增大栅电流,影响器件的功率特性,严重时会造成器件失效。p型栅技术是在未人为掺杂的AlGaN势垒层和栅极金属之间引入一层p型掺杂的GaN或AlGaN外延层,抬升整个异质结的导带从而耗尽栅极下方沟道中的2DEG,使器件由耗尽型转变为增强型。由于p型外延层选择性生长难度大,所以目前实现p型栅技术的常用方法是在势垒层上生长一层p-AlGaN或p-GaN,并使用ICP刻蚀掉栅源和栅漏之间p型外延层。因此,p型栅技术也同样存在难以控制刻蚀精度的问题,刻蚀不充分或刻蚀过度都会降低沟道下的二维电子气浓度,减小输出电流。可以看出,虽然以上方法均能实现增强型器件,但均会或多或少地对器件造成损伤,从而引起输出电流密度下降、栅泄漏电流增大、器件稳定性降低,甚至造成器件失效,这也是难以实现高阈值电压大饱和电流增强型器件的主要原因。因此,开发一种无损、可控、稳定的制备增强型器件的技术,能够实现在提高阈值电压的同时,保持高的输出电流密度,这对于GaNHEMT器件在电子电力领域的应用具有重大意义。
技术实现思路
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处,本专利技术的首要目的在于提供一种增强型AlN/AlGaN/GaNHEMT器件。本专利技术的另一目的在于提供上述增强型AlN/AlGaN/GaNHEMT器件的制备方法。本专利技术目的通过以下技术方案实现:一种增强型AlN/AlGaN/GaNHEMT器件,包括:衬底、GaN沟道层、AlGaN超薄势垒层、非晶SiO2层、单晶AlN层、漏金属电极、源金属电极和栅金属电极,其中:所述衬底、GaN沟道层和AlGaN超薄势垒层由下至上依次层叠;所述非晶SiO2层覆盖在AlGaN超薄势垒层上表面的部分区域;所述漏金属电极和源金属电极分别位于AlGaN超薄势垒层上表面未被非晶SiO2层覆盖的两侧区域,漏金属电极和源金属电极与AlGaN超薄势垒层之间形成欧姆接触;所述单晶AlN层覆盖在AlGaN超薄势垒层上表面未被源漏金属电极覆盖的区域,并覆盖非晶SiO2层;所述栅金属电极位于非晶SiO2层上方单晶AlN层的上表面,栅金属电极与AlGaN超薄势垒层之间形成肖特基接触。优选地,所述衬底为硅衬底。优选地,所述GaN沟道层的厚度为1~5μm。优选地,所述AlGaN超薄势垒层的厚度为5~7nm,Al元素的摩尔含量为25%~30%。优选地,所述非晶SiO2层的厚度为5~15nm。优选地,所述单晶AlN层的厚度为15~25nm。优选地,所述漏金属电极和源金属电极由Ti、Al、Ni、Au四层金属组成。优选地,所述栅金属电极位于靠近源金属电极的一侧(即栅金属电极距离源金属电极的距离小于栅金属电极距离漏金属电极的距离)。优选地,所述栅金属电极由Ni和Au两层金属组成。上述增强型AlN/AlGaN/GaNHEMT器件的制备方法,包括以下步骤:步骤1,在衬底上依次外延GaN沟道层和AlGaN超薄势垒层;步骤2,在AlGaN超薄势垒层上生长非晶SiO2层;步骤3,在非晶SiO2层上进行光刻、湿法腐蚀,保留栅下SiO2层(即栅金属电极下方区域的SiO2层);步骤4,在步骤3所得基片的表面沉积单晶AlN层;步骤5,在单晶AlN层上进行光刻、刻蚀,形成台面隔离;步骤6,在单晶AlN层上再次进行光刻,暴露出漏金属电极和源金属电极区域,通过刻蚀去除漏金属电极和源金属电极区域下的单晶AlN层;步骤7,通过蒸镀、剥离、退火形成漏金属电极和源金属电极;步骤8,通过光刻、蒸镀、剥离,在非晶SiO2层上方单晶AlN层的上表面形成栅金属电极。进一步地,步骤1中所述外延GaN沟道层和AlGaN超薄势垒层采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)进行生长制备,生长温度为850~950℃。进一步地,步骤2中所述非晶SiO2层采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)生长制备,生长温度为230~320℃。进一步地,步骤3中所述湿法腐蚀采用质量分数比为HF:HN4F=1:7-1:5的缓冲氧化物刻蚀剂(BOE)溶液浸泡10s~20s进行湿法腐蚀。进一步地,步骤4中所述单晶AlN层采用脉冲激光沉积(PLD)生长制备,生长温度为800~900℃。进一步本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种增强型AlN/AlGaN/GaN HEMT器件,其特征在于:所述器件包括:衬底、GaN沟道层、AlGaN超薄势垒层、非晶SiO

【技术特征摘要】
1.一种增强型AlN/AlGaN/GaNHEMT器件,其特征在于:所述器件包括:衬底、GaN沟道层、AlGaN超薄势垒层、非晶SiO2层、单晶AlN层、漏金属电极、源金属电极和栅金属电极,其中:
所述衬底、GaN沟道层和AlGaN超薄势垒层由下至上依次层叠;
所述非晶SiO2层覆盖在AlGaN超薄势垒层上表面的部分区域;
所述漏金属电极和源金属电极分别位于AlGaN超薄势垒层上表面未被非晶SiO2层覆盖的两侧区域,漏金属电极和源金属电极与AlGaN超薄势垒层之间形成欧姆接触;
所述单晶AlN层覆盖在AlGaN超薄势垒层上表面未被源漏金属电极覆盖的区域,并覆盖非晶SiO2层;
所述栅金属电极位于非晶SiO2层上方单晶AlN层的上表面,栅金属电极与AlGaN超薄势垒层之间形成肖特基接触。


2.根据权利要求1所述的一种增强型AlN/AlGaN/GaNHEMT器件,其特征在于:所述衬底为硅衬底。


3.根据权利要求1所述的一种增强型AlN/AlGaN/GaNHEMT器件,其特征在于:所述GaN沟道层的厚度为1~5μm;所述非晶SiO2层的厚度为5~15nm;所述单晶AlN层的厚度为15~25nm。


4.根据权利要求1所述的一种增强型AlN/AlGaN/GaNHEMT器件,其特征在于:所述AlGaN超薄势垒层的厚度为5~7nm,Al元素的摩尔含量为25%~30%。


5.根据权利要求1所述的一种增强型AlN/AlGaN/GaNHEMT器件,其特征在于:所述漏金属电极和源金属电极由Ti、Al、Ni、Au四层金属组成;所述栅金属电极由Ni、Au两层金属组成。


6.根据权利要求1所述的一种增强型AlN/AlGaN/GaNHEMT器件,其特征在于:所述栅金属电极位于靠近源金属电极的一侧。


7.权利要求1~6任一项所述的一种增强型AlN/AlGaN/GaNHEMT器件的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1,在衬底上依次外延GaN沟道层和AlG...

【专利技术属性】
技术研发人员:李国强孙佩椰陈丁波万利军阙显沣姚书南
申请(专利权)人:华南理工大学
类型:发明
国别省市:广东;44

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