一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件及其制备方法技术

本发明专利技术属于集成电路技术领域，具体提供了一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件，包括最底层的高阻Si衬底以及依次从下到上堆叠的AlGaN\AlN缓冲层、GaN外延层、AlN插入层、AlInGaN势垒层、GaN帽层和顶层的栅电极、源漏电极，其具有击穿电压高、导通电阻低、开关速度快、零反向恢复电荷、体积小和能耗低、抗辐射等优势。本发明专利技术还提供了一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件的制备方法，其成本低廉，工艺简单，可进行工业化批量生产。

【技术实现步骤摘要】
一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件及其制备方法
本专利技术属于集成电路
，尤其涉及一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件极其制备方法。
技术介绍
与硅、砷化镓等半导体材料相比，宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)具有更大的禁带宽度(3.4eV)、更强的临界击穿场强以及更高的电子迁移速率，得到了国内外研究者们的广泛关注，在电力电子功率器件以及高频功率器件方面具有巨大的优势和潜力；作为第三代宽禁带半导体的典型代表，GaN材料不但具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和漂移速度大、耐高温、抗辐射以及化学稳定性好等特点，同时由于GaN材料的极化效应，可以与铝镓氮等材料形成具有高浓度(大于1013cm-2)和高迁移率(大于2000cm2/V·s)的二维电子气(2DEG)，非常适合制备功率开关器件，成为当前功率器件领域的研究热点。目前绝大部分GaN射频器件采用了SiC材料做为衬底，其成本较高，然而Si衬底与GaN之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数失配，如果在Si衬底上直接生长GaN，生长结束降至室温过程中，由于Si衬底与GaN收缩速率不同极易产生裂纹；且目前绝大部分GaN射频器件采用了AlGaN材料作为势垒层，由于AlGaN材料中Al组分含量较低，使器件的饱和功率密度和频率特性受限，且由于其厚度较大，器件为常开型，需要负压控制。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件，包括最底层的高阻Si衬底以及依次从下到上堆叠的AlGaN\AlN缓冲层、GaN外延层、AlN插入层、AlInGaN势垒层、GaN层和顶层的栅电极、源漏电极。作为上述方案的进一步说明，源漏电极材料为Ni或者Ti或者Au、或者Al。作为上述方案的进一步说明，栅电极材料为Au或者Ni；栅电极与GaN帽层之间为肖特基接触。本专利技术还提供了一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件的制备方法，包含以下步骤：(a)选取高阻Si衬底；(b)在所述Si衬底表面生长AlGaN\AlN缓冲层；(c)在所述缓冲层表面生长GaN外延层；(d)在所述外延层表面生长AlN插入层；(e)在所述插入层表面生长AlInGaN势垒层；(f)在所述势垒层表面生长GaN帽层；(g)在所述帽层表面使用第二掩模板生长源漏电极；(h)在所述帽层表面使用第一掩模版生长栅电极；(i)在所述样品表面生长SiO2钝化层，最终完成基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件。作为上述方案的进一步说明，所述步骤(b)中，采用化学气相沉积法生长AlGaN缓冲层或AlN缓冲层；所述步骤(c)中采用化学气相沉积法生长GaN外延层；所述步骤(d)中采用反应磁控溅射法在所述GaN外延层上生长的AlN薄膜形成AlN插入层；所述步骤(e)中采用化学气相沉积法生长AlInGaN势垒层。作为上述方案的进一步说明，步骤(g)中源漏电极的生长方式为：在生长完AlInGaN势垒层的样品上进行普通光刻，标记出源漏电极生长区域，然后采用RIE对所述SiN钝化层进行刻蚀，刻蚀结束后在对应区域完成金属淀积源漏，最后进行金属剥离。作为上述方案的进一步说明，步骤(h)中采用电子束光刻完成栅电极的标记，通过金属淀积以及剥离完成栅金属的生长工艺，采用电子束蒸镀法实现栅电极淀积。作为上述方案的进一步说明，采用PECVD工艺在样品表面生长SiO2钝化层，在所述SiO2钝化层上光刻标记处源漏栅电极图形，并采用RIE设备刻蚀开窗口。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术提供的一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件采用高阻Si衬底结合GaN外延结构的GaN-Si器件具有击穿电压高、导通电阻低、零反向恢复电荷、体积小和能耗低、抗辐射等优势；GaN-Si器件还可与传统Si工艺相结合，实现集成化；采用AlInGaN势垒层材料能够减小势垒层厚度，能够减小栅极开启沟道的长度，降低器件的栅极导通电阻，实现长关型操作，不需要负压供电，且能够优化器件的频率特性，提高器件的功率密度，提高器件的功率附加效率。(2)本专利技术提供的一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件的制备方法，采用AlGaN\AlN缓冲层，对GaN薄膜的应力进行调控，在Si衬底上外延一层AlN、两层AlGaN作为应力调控层，该缓冲层预先引入部分压应力，以中和降温过程中产生的张应力，从而避免裂纹的出现，此外，该缓冲层还可以减少外延生长过程中由于Si衬底与GaN之间晶格失配产生的缺陷，提高器件可靠性。附图说明图1为本专利技术实施例提供的第一掩模版的结构示意图。图2为本专利技术实施例提供的第二掩模版的结构示意图。图3为本专利技术实施例提供的一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件的截面示意图。图4a-4i为本专利技术实施例提供的一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件的制备方法的工艺示意图。附图标记说明：1-高阻Si衬底；2-AlGaN/AlN缓冲层；3-GaN外延层；4-AlN插入层；5-AlInGaN势垒层；6-GaN帽层；7-漏电极；8-栅电极；9-源电极；10-SiO2钝化层。具体实施方式下面将结合附图和实施方式对本专利技术作进一步说明。实施例1：结合图3，本实施例提供了一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件，其包括最底层的高阻Si衬底1以及依次从下到上堆叠的AlGaN/AlN缓冲层2、GaN外延层3、AlN插入层4、AlInGaN势垒层5、GaN帽层6和顶层的栅电极8、源漏电极，源漏电极材料包括但不限于Ni、Ti、Au、Al等，本实施例选用Ni，栅电极8材料包括但不限于Au、Ni等，本实施例选用Ni。选择Si表面为(111)面的硅衬底，因为该种衬底面内为三重对称性，能实现更好的晶格匹配，并降低热失配，为实现毫米波频率特性，选择使用高阻Si，其中衬底厚度为1×106纳米；为实现良好的晶格匹配，在Si衬底上外延缓冲层(一层AlN、两层AlGaN)作为应力调控层，为保证器件特性在所述缓冲层中掺杂Fe；该缓冲层的作用在于预先引入部分压应力，以中和降温过程中产生的张应力，从而避免裂纹的出现，缓冲层厚度为800-850纳米；外延层材料为GaN，厚度为1500-2000纳米；插入层材料为AlN，厚度为1nm；势垒层材料为AlInGaN，厚度为20-25nm，势垒层中Al含量为40％-60％；GaN帽层6厚度为2纳米；源漏电极为欧姆接触。本实施例的有益效果：本晶体管采用高阻Si衬底1结合GaN外延的结构，GaN-Si器件具有击穿电压高、导通电阻低、开关速度快、零反向恢复电荷、体积小和能耗低、抗辐射等优势；且GaN-Si可与传统Si工艺相结合，实现集成化，能够满足毫米波射频对于基站和终端设备的相关要求：高功率、小面积、低成本以及工艺简单等；采用AlInGaN势垒层材料能够减小势垒层厚度，能够减小栅极开启沟道的长本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件，其特征在于，包括最底层的高阻Si衬底以及依次从下到上堆叠的AlGaN\AlN缓冲层、GaN外延层、AlN插入层、AlInGaN势垒层、GaN帽层和顶层的栅电极、源漏电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件，其特征在于，包括最底层的高阻Si衬底以及依次从下到上堆叠的AlGaN\AlN缓冲层、GaN外延层、AlN插入层、AlInGaN势垒层、GaN帽层和顶层的栅电极、源漏电极。


2.如权利要求1所述的一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件，其特征在于，源漏电极材料为Ni或者Ti或者Au、或者Al。


3.如权利要求2所述的一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件，其特征在于，栅电极材料为Au或者Ni；栅电极与GaN帽层之间为肖特基接触。


4.一种基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
(a)选取高阻Si衬底；
(b)在所述Si衬底表面生长AlGaN-AlN缓冲层；
(c)在所述缓冲层表面生长GaN外延层；
(d)在所述外延层表面生长AlN插入层；
(e)在所述插入层表面生长AlInGaN势垒层；
(f)在所述势垒层表面生长GaN帽层；
(g)在所述帽层表面使用第二掩模板生长源漏电极；
(h)在所述帽层表面使用第一掩模版生长栅电极；
(i)在所述样品表面生长SiO2钝化层，最终完成基于氮化镓异质结外延的长关型HEMT器件。

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【专利技术属性】
技术研发人员：关赫，沈桂宇，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61