一种基于复合沟道和双掺杂层的抗质子辐照InP基HEMT器件及其加工方法技术

本发明专利技术属于抗质子辐照半导体器件技术领域，具体涉及一种基于复合沟道和双掺杂层的抗质子辐照InP基HEMT器件及其加工方法。本发明专利技术中InP基HEMT沟道采用InGaAs/InAs/AlInGaAs复合沟道，InAs材料电子有效质量低沟道载流子迁移率高且禁带宽度窄将形成深势阱增强沟道限制载流子能力，AlInGaAs材料Al位移阈能较高将减少沟道诱生缺陷浓度而产生更弱的散射效应，对载流子迁移率实现补偿。采用沟道上方双掺杂结构，增加沟道原生载流子浓度，实现对辐照诱生缺陷造成的载流子去除效应的补偿。外延结构中InAlAs势垒层和InGaAs帽层之间加入InP薄层作为栅槽工艺帽层腐蚀的自动截止层，实现对栅槽工艺的精确控制。

A proton resistant InP based HEMT device based on composite channel and double doped layer and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
一种基于复合沟道和双掺杂层的抗质子辐照InP基HEMT器件及其加工方法
本专利技术属于抗质子辐照半导体器件
，具体涉及一种基于复合沟道和双掺杂层的抗质子辐照InP基HEMT器件及其加工方法。
技术介绍
随着社会的发展和技术的进步，航空航天、卫星通信等国防领域以及智慧城市、无人驾驶等民生领域对高频毫米波集成电路需求越来越迫切。高性能高频集成电路的实现依赖于成熟的纳米级半导体器件工艺加工技术。随着主流Si基互补金属氧化物半导体（CMOS）达到10nm技术节点后，新原理、新材料和新结构高频半导体器件制备技术成为“后摩尔时代”重要探索方向。III-V族InP基高电子迁移率晶体管（HEMT）依靠能带工程解决方案，具有频率高、噪声低、功耗低及增益高等特点，被公认为是实现超高速低噪声集成电路的极佳选择，在卫星雷达、深空探测、天文等空间领域具有巨大的应用潜力。航天设备在空间环境中应用，将面临着极其复杂的辐照环境：质子、电子、中子、γ射线等影响，其中质子占比最高。电子系统作为航天设备控制核心，微电子器件对带电粒子辐射十分敏感，易产生电离效应、位移损伤及单粒子事件等多种损伤效应，对半导体器件和集成电路可靠性提出了巨大挑战，可能造成电子系统控制失灵甚至失效，极大地降低了航天设备空间运行可靠性和稳定性。因此，抗质子辐照的器件加固结构、工艺成为保障航天设备电子系统可靠、长寿命运行的关键。InP基HEMT质子辐照通过位移效应诱生空位缺陷，诱生缺陷通过载流子去除效应造成沟道载流子浓度下降，还会通过散射效应造成沟道载流子迁移率下降，最终导致器件交直流特性退化。通过能带工程调整外延结构参数，对载流子浓度和迁移率进行补偿，同时提升沟道对载流子的限制能力并减少辐照诱生缺陷浓度必然能够缓解辐照对器件的衰退影响，成为抗辐照加固可选方案。因此本专利技术提出双掺杂层提高沟道载流子浓度、复合沟道增加载流子迁移率和沟道对载流子的限制能力并减少诱生缺陷浓度的InP基HEMT抗辐照加固结构和加工方法。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于复合沟道和双掺杂层的抗质子辐照InP基HEMT器件及其加工方法，所述的器件结构能够增加沟道原生载流子浓度和迁移率、提升沟道限制载流子的能力，减少沟道诱生缺陷浓度，减弱器件载流子去除和散射效应，提高器件性能的同时增强器件空间环境应用的抗辐照稳定性。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于复合沟道和双掺杂层的抗质子辐照InP基HEMT器件，所述InP基HEMT的外延结构自下而上分别为InP衬底，InAlAs缓冲层，InGaAs/InAs/AlInGaAs复合沟道层，InAlAs下隔离层（隔离层2，Spacer-2），Si下面掺杂层（面掺杂层2，Si-Doping-2）,InAlAs上隔离层（隔离层1，Spacer-1），Si上面掺杂层（面掺杂层1，Si-Doping-1），InAlAs肖特基势垒层，InP腐蚀截止层，InGaAs帽层；InAlAs缓冲层上设有源区隔离台面，所述的高掺杂InGaAs帽层的两侧分别设有源极欧姆接触金属和漏极欧姆接触金属，源极欧姆接触金属和漏极欧姆接触金属之间的InP腐蚀截止层或InAlAs肖特基势垒层上设置有T型栅极肖特基接触金属，在源极欧姆接触金属和有源区隔离台面下的InAlAs缓冲层上设有源极布线金属，在漏极欧姆接触金属和有源区隔离台面下的InAlAs缓冲层上设有漏极布线金属，在有源区隔离台面下的InAlAs缓冲层上设有栅极布线金属。进一步的，所述器件中，InP衬底厚度为100μm，InAlAs缓冲层厚度为500nm，InGaAs/InAs/AlInGaAs复合沟道层厚度为15nm，InAlAs下隔离层厚度为3nm，Si下面掺杂层的掺杂密度为5×1012cm-2，InAlAs上隔离层厚度为2nm，Si上面掺杂层的掺杂密度为2×1011cm-2，InAlAs肖特基势垒层厚度为10nm，InP腐蚀截止层厚度为5nm，InGaAs帽层厚度为15nm且掺杂浓度为3×1019cm-2。进一步的，所述InGaAs/InAs/AlInGaAs复合沟道层，包括3nm厚的InGaAs层、2nm厚的InAs层和10nm厚的AlInGaAs层；所述InGaAs/InAs/AlInGaAs复合沟道中，各元素的比例为In0.53Ga0.47As/InAs/In0.53(Al0.7Ga0.3)0.47As；InAlAs势垒层和缓冲层各元素的比例为In0.52Al0.48As；InGaAs帽层各元素的比例为In0.53Ga0.47As。上述基于复合沟道和双掺杂层的抗质子辐照InP基HEMT器件的加工方法，包括以下步骤：A、准备InP基InAlAs/InGaAsHEMT外延片，对外延片进行清洗，直至显微镜下外延片表面无沾污，采用氮气吹干；所述外延片从下到上依次包括InP衬底，InAlAs缓冲层，InGaAs/InAs/AlInGaAs复合沟道层,InAlAs下隔离层，Si下面掺杂层,InAlAs上隔离层,Si上面掺杂层，InAlAs肖特基势垒层，InP腐蚀截止层，InGaAs帽层；外延片中所有外延材料均通过分子束外延的方法来生长；B、通过正性光刻在外延片上形成有源区隔离台面，并过腐蚀部分InAlAs缓冲层，使用磷酸和双氧水混合腐蚀液对InGaAs帽层进行腐蚀，使用磷酸和盐酸混合腐蚀液对InP腐蚀截止层进行腐蚀，使用磷酸和双氧水混合腐蚀液对InAlAs肖特基势垒层、InGaAs/InAs/AlInGaAs复合沟道层和InAlAs缓冲层进行腐蚀；C、通过光刻在有源区隔离台面的高掺杂InGaAs帽层两侧定义源极欧姆接触的金属区域和漏极欧姆接触的金属区域，采用电子束蒸发设备或者溅射炉设备在源极欧姆接触的金属区域和漏极欧姆接触的金属区域淀积金属薄膜Ti/Pt/Au，通过以上操作在高掺杂InGaAs帽层上形成源、漏极欧姆接触；D、通过光刻在源极欧姆接触和有源区隔离台面下的InAlAs缓冲层上定义源极布线金属区域、在漏极欧姆接触和有源区隔离台面下的InAlAs缓冲层上定义漏极布线金属区域、在有源区隔离台面下的InAlAs缓冲层上定义栅极布线金属区域，采用电子束蒸发设备或者溅射炉设备在布线金属区域淀积金属薄膜Ti/Au，通过以上操作形成布线金属；E、在源极接触的金属区域和漏极接触的金属区域之间形成T型栅，包括电子束光刻形成T型栅形貌、栅槽制备和栅金属制备三个步骤：首先，采用PMMA/Al/UVIII三层电子束胶并通过两次电子束曝光（EBL）和显影的方法在源极接触的金属区域和漏极接触的金属区域之间的高掺杂InGaAs帽层上形成T型栅形貌；其次，制备栅槽；最后，采用电子束蒸发或溅射炉设备在栅槽内淀积Ti/Pt/Au栅金属薄膜，并与栅布线金属相连接，得到InP基HEMT。具体的，步骤B中磷酸和双氧水混合腐蚀液的体积比为H3PO4:H2O2:H2O=3:1:40-60；磷酸和盐酸混合腐蚀液的体积比为HCl:H3PO4=1:3-5；I本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于复合沟道和双掺杂层的抗质子辐照InP基HEMT器件，其特征在于，所述InP基HEMT的外延结构自下而上分别为InP衬底，InAlAs缓冲层，InGaAs/InAs/AlInGaAs复合沟道层，InAlAs下隔离层，Si下面掺杂层, InAlAs上隔离层，Si上面掺杂层，InAlAs肖特基势垒层，InP腐蚀截止层，InGaAs帽层；InAlAs缓冲层上设有源区隔离台面，所述的高掺杂InGaAs帽层的两侧分别设有源极欧姆接触金属和漏极欧姆接触金属，源极欧姆接触金属和漏极欧姆接触金属之间的InP腐蚀截止层或InAlAs肖特基势垒层上设置有T型栅极肖特基接触金属，在源极欧姆接触金属和有源区隔离台面下的InAlAs缓冲层上设有源极布线金属，在漏极欧姆接触金属和有源区隔离台面下的InAlAs缓冲层上设有漏极布线金属，在有源区隔离台面下的InAlAs缓冲层上设有栅极布线金属。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于复合沟道和双掺杂层的抗质子辐照InP基HEMT器件，其特征在于，所述InP基HEMT的外延结构自下而上分别为InP衬底，InAlAs缓冲层，InGaAs/InAs/AlInGaAs复合沟道层，InAlAs下隔离层，Si下面掺杂层,InAlAs上隔离层，Si上面掺杂层，InAlAs肖特基势垒层，InP腐蚀截止层，InGaAs帽层；InAlAs缓冲层上设有源区隔离台面，所述的高掺杂InGaAs帽层的两侧分别设有源极欧姆接触金属和漏极欧姆接触金属，源极欧姆接触金属和漏极欧姆接触金属之间的InP腐蚀截止层或InAlAs肖特基势垒层上设置有T型栅极肖特基接触金属，在源极欧姆接触金属和有源区隔离台面下的InAlAs缓冲层上设有源极布线金属，在漏极欧姆接触金属和有源区隔离台面下的InAlAs缓冲层上设有漏极布线金属，在有源区隔离台面下的InAlAs缓冲层上设有栅极布线金属。


2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述器件中，InP衬底厚度为100μm，InAlAs缓冲层厚度为500nm，InGaAs/InAs/AlInGaAs复合沟道层厚度为15nm，InAlAs下隔离层厚度为3nm，Si下面掺杂层的掺杂密度为5×1012cm-2的,InAlAs上隔离层厚度为2nm，Si上面掺杂层的掺杂密度为2×1011cm-2，InAlAs肖特基势垒层厚度为10nm，InP腐蚀截止层厚度为5nm，InGaAs帽层厚度为15nm且掺杂浓度为3×1019cm-2。


3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述InGaAs/InAs/AlInGaAs复合沟道层，包括3nm厚的InGaAs层、2nm厚的InAs层和10nm厚的AlInGaAs层；InGaAs/InAs/AlInGaAs复合沟道层中各元素的比例为In0.53Ga0.47As/InAs/In0.53(Al0.7Ga0.3)0.47As；InAlAs势垒层和缓冲层各元素的比例为In0.52Al0.48As；InGaAs帽层各元素的比例为In0.53Ga0.47As。


4.权利要求1-3任一所述基于复合沟道和双掺杂层的抗质子辐照InP基HEMT器件的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、准备InP基InAlAs/InGaAsHEMT外延片，对外延片进行清洗，直至显微镜下外延片表面无沾污，采用氮气吹干；所述外延片从下到上依次包括InP衬底，InAlAs缓冲层，InGaAs/InAs/AlInGaAs复合沟道层,InAlAs下隔离层，Si下面掺杂层,InAlAs上隔离层,Si上面掺杂层，InAlAs肖特基势垒层，InP腐蚀截止层，InGaAs帽层；
B、通过正性光刻在外延片上形成有源区隔离台面，并过腐蚀部分InAlAs缓冲层，使用磷酸和双氧水混合腐蚀液对InGaAs帽层进行腐蚀，使用磷酸和盐酸混合腐蚀液对InP腐蚀截止层进行腐蚀，使用磷酸和双氧水混合腐蚀液对InAlAs肖特基势垒层、InGaAs/InAs/AlInGaAs复合沟道层和InAlAs缓冲层进行腐蚀；
C、通过光刻在有源区隔离台面的高掺杂InGaAs帽层两侧定义源极欧姆接触的金属区域和漏极欧姆接触的金属区域，采用电子束蒸发设备或者溅射炉设备在源极欧姆接触的...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟英辉，张佳佳，赵向前，靳雅楠，孟圣皓，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南;41