一种实现p型栅增强型HEMT器件的方法技术

本发明专利技术公开了一种实现p型栅增强型HEMT器件的方法，包括S1在衬底上依次外延GaN沟道层、AlGaN势垒层及p型氮化物层；S2在p型氮化物层上进行光刻，暴露出源金属电极和漏极金属电极区域区域，进行刻蚀处理后，通过蒸镀、剥离和退火形成源金属电极和漏金属电极；S3进行台面隔离，然后通过光刻、蒸镀、剥离，形成栅金属电极；S4将源金属电极、漏金属电极及栅金属电极分别通过导线与半导体分析仪连接；S5将S4连接完成的外延片放置在感应耦合等离子体刻蚀腔内，进行刻蚀工艺，当半导体分析仪显示的源漏输出电流最大时，工艺停止。本发明专利技术避免造成器件损伤，对于实现具有高饱和输出电流密度的增强型器件具有重要意义。

A method to realize p-gate enhanced HEMT device

【技术实现步骤摘要】
一种实现p型栅增强型HEMT器件的方法
本专利技术涉及增强型高电子迁移率场效应晶体管制备领域，具体涉及一种实现p型栅增强型HEMT器件的方法。
技术介绍
由于GaN材料独特的极化效应，使得传统的GaNHEMT都是耗尽型，但是增强型器件在高温和射频集成电路、高速开关以及微波单片集成电路中是必不可少的，这是由于增强型器件不需要负电极电压驱动，在微波功率和低噪音功率放大器领域中可以降低电路设计的复杂性和成本；在高功率开关应用方面，如反相器或DC/DC变换器故障安全设计中，能够明显提高电路的安全性；在超高速数字电路应用方面，可采用增强型GaN基器件来替代p型沟道器件来实现数字逻辑电路，制作成低功耗的互补逻辑电路。目前增强型HEMT器件的制备方法通常包括外延结构、器件结构和电路结构上的改变，其中主流方案是凹槽栅刻蚀、氟离子注入和p型栅。凹槽栅HEMT器件通过对栅下势垒层部分刻蚀，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。但在实际制备过程中，刻蚀精度和阈值电压难以控制，工艺重复性差。氟离子注入是在栅金属沉积之前，将氟离子注入栅下势垒层，耗尽栅下的沟道电子从而提高阈值电压。但是氟离子注入不可避免的会造成沟道中存在少量的氟离子，导致沟道载流子迁移率降低，同时注入的氟离子存在高温稳定性问题，容易导致阈值电压漂移。虽然上述两种方法都能实现增强型，但干法刻蚀或氟离子注入都会对栅下沟道产生损伤，造成栅泄漏电流增大，影响器件性能稳定性。而p型栅是通过在栅和势垒层之间插入p型氮化物，将AlGaN层势垒高度提高从而将栅下沟道处的势能提高到费米能级之上，实现增强型。由于p型栅增强型器件不需要对栅进行额外工艺处理，不存在栅不稳定性问题，可靠性高，因此成为了GaN功率器件商业化的首选结构。但是在p型栅的制备过程中，需要刻蚀栅下区域以外的p型氮化物，这对刻蚀的精度要求非常高，p型氮化物的刻蚀不完全或AlGaN势垒层的过度刻蚀都会造成输出电流下降，因此，设计一种能精准刻蚀栅下区域以外的p型氮化物，同时避免造成器件损伤的方法，对于实现具有高饱和输出电流密度的增强型器件具有重要意义。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术提供一种实现p型栅增强型HEMT器件的方法。本专利技术采用半导体分析仪能够精准地刻蚀栅外势垒层上方的p型氮化物,避免造成器件损伤，有利于实现高阈值电压大饱和电流增强型器件。本专利技术采用如下技术方案：本专利技术利用半导体分析仪对栅极施加正向偏压，使栅下沟道开启，同时在源漏间施加电压，在栅外p型氮化物刻蚀过程中，实时输出源漏间的电流变化。随着栅外p型氮化物厚度的减小，p型氮化物的耗尽作用逐渐减弱，源漏电流不断增大；当栅外p型氮化物刻蚀完全时，电流达到最大值；但如果继续刻蚀就会损伤势垒层，使输出电流逐渐减小。因此，以半导体分析仪的输出电流最大值作为刻蚀终点，能够实现精准刻蚀，获得大饱和电流的p型栅增强型器件。一种实现p型栅增强型HEMT器件的方法，包括：S1在衬底上依次外延GaN沟道层、AlGaN势垒层及p型氮化物层；S2在p型氮化物层上进行光刻，暴露出源金属电极和漏极金属电极区域区域，进行刻蚀处理后，通过蒸镀、剥离和退火形成源金属电极和漏金属电极；S3进行台面隔离，然后通过光刻、蒸镀、剥离，形成栅金属电极；S4将源金属电极、漏金属电极及栅金属电极分别通过导线与半导体分析仪连接；S5将S4连接完成的外延片放置在感应耦合等离子体刻蚀腔内，进行刻蚀工艺，当半导体分析仪显示的源漏输出电流最大时，工艺停止。优选地，所述S4具体为：半导体分析仪对栅极施加1-10V的正向电压，使栅下产生二维电子气，同时在源极和漏极之间施加1-10V电压。优选地，所述p型氮化物为p-GaN或p-AlGaN。优选地，所述的GaN沟道层、AlGaN势垒层、p型氮化物厚度分别为1-5μm、20-30nm、10-100nm，其中Al元素的摩尔含量为20％-30％。优选地，所述源金属电极和漏金属电极的区域面积为10mm2-20mm2。优选地，所述S2中退火的气氛为N2，退火温度为850℃，保温时间为30s，升温速率为15℃/s。优选地，所述栅金属电极由Ni及Au两种金属构成，栅金属电极的长度为3μm-5μm，并引出面积为10mm2-20mm2的焊接金属区域。优选地，所述S2及S5中，所述刻蚀为干法刻蚀，刻蚀为反应气体为Cl2和BCl3混合气体，压强为5mTorr，上射频功率为300W，下射频功率为50W。优选地，所述源、漏金属电极为Ti、Al、Ni、Au形成的合金。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术在实现p型栅增强型器件的同时，避免了p型氮化物刻蚀不完全或过度刻蚀而引起的输出电流密度下降，有利于获得大饱和电流的p型栅增强型器件；(2)本专利技术通过半导体分析仪的输出电流示数变化判断p型氮化物的终点，结果直观、易操作。同时，可通过电流变化实时监控刻蚀腔内情况，有利于及时对工艺做出调整和优化。(3)本专利技术方法只需对现有的感应耦合等离子体刻蚀设备增加3个穿板电极，将刻蚀腔内的样品与半导体分析仪联通，步骤简便。同时还可用于制备凹槽结构和氟注入的增强型器件，用途广泛。附图说明图1是本方法器件刻蚀前的电路示意图；图2是本方法器件刻蚀后的电路示意图；图3是本专利技术实施例1中所制备器件所测得的转移特性曲线图。图4为本专利技术实施例1中所制备器件所测得的输出特性曲线图。具体实施方式下面结合实施例及附图，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例如图1及图2所示，一种实现p型栅增强型HEMT器件的方法，包括如下步骤：S1在衬底1上依次外延GaN沟道层2、AlGaN势垒层3及p型氮化物层5；所述p型氮化物层5为p-GaN和p-AlGaN中的一种。所述的GaN沟道层2、AlGaN势垒层3、p型氮化物层5厚度分别为1μm、20nm、10nm，其中Al元素的摩尔含量为20％。S2在S1中所述的外延片上进行光刻，暴露出源金属电极6和漏极金属电极7区域后，进行干法刻蚀处理；其中，源金属电极6和漏金属电极7的区域面积为10mm2。所述的刻蚀为感应耦合等离子体刻蚀(ICP),刻蚀反应气体为Cl2和BCl3混合气体，压强为5mTorr，上射频功率为300W，下射频功率为50W，刻蚀时间分别为10s。S3通过蒸镀、剥离和退火形成源金属电极6和漏金属电极7；所述的源、漏金属电极为Ti、Al、Ni、Au形成的合金。所述退火的气氛为N2，退火温度为850℃，保温时间为30s，升温速率为15℃/s。S4通过光刻和刻蚀，进行台面隔离；S5通过光刻、蒸镀、剥离，形成栅金属电极8；所述S5中栅金属电极由Ni、Au两种金属组成，其长度为3μm，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现p型栅增强型HEMT器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1在衬底上依次外延GaN沟道层、AlGaN势垒层及p型氮化物层；/nS2在p型氮化物层上进行光刻，暴露出源金属电极和漏极金属电极区域区域，进行刻蚀处理后，通过蒸镀、剥离和退火形成源金属电极和漏金属电极；/nS3进行台面隔离，然后通过光刻、蒸镀、剥离，形成栅金属电极；/nS4将源金属电极、漏金属电极及栅金属电极分别通过导线与半导体分析仪连接；/nS5将S4连接完成的外延片放置在感应耦合等离子体刻蚀腔内，进行刻蚀工艺，当半导体分析仪显示的源漏输出电流最大时，工艺停止。/n

【技术特征摘要】
1.一种实现p型栅增强型HEMT器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1在衬底上依次外延GaN沟道层、AlGaN势垒层及p型氮化物层；
S2在p型氮化物层上进行光刻，暴露出源金属电极和漏极金属电极区域区域，进行刻蚀处理后，通过蒸镀、剥离和退火形成源金属电极和漏金属电极；
S3进行台面隔离，然后通过光刻、蒸镀、剥离，形成栅金属电极；
S4将源金属电极、漏金属电极及栅金属电极分别通过导线与半导体分析仪连接；
S5将S4连接完成的外延片放置在感应耦合等离子体刻蚀腔内，进行刻蚀工艺，当半导体分析仪显示的源漏输出电流最大时，工艺停止。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4具体为：半导体分析仪对栅极施加1-10V的正向电压，使栅下产生二维电子气，同时在源极和漏极之间施加1-10V电压。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述p型氮化物为p-GaN或p-AlGaN。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的GaN...

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