基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及制备方法，该高电子迁移率晶体管包括衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入、AlGaN势垒层、源极、漏极和栅介质层，该栅介质层包括介电常数不同的第一介质材料层与第二介质材料层横向连接组成的界面过渡层和介电常数大于Al

【技术实现步骤摘要】
基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及制作方法
本专利技术涉及宽禁带半导体
，尤指一种基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及制作方法。
技术介绍
随着无线通信技术的发展，这对微波功率器件有了更高的要求。相比于其他材料，GaN的禁带宽度大，电子饱和速度高，热传导性好，非常适合于高温、高频、大功率的环境下使用。尤其是AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，在高频、大功率的应用领域已经取得了很大的发展。但是传统的高电子迁移率晶体管(以下简称：HEMT)存在的栅极泄漏电流和电流崩塌现象严重影响了器件性能，限制了其的应用范围。引入MOS结构，一方面可以显著降低HEMT的栅极泄漏电流，提高器件饱和漏电流，但是栅控能力出现了下降；另一方面在AlGaN上生长一层高质量的栅介质可以起到钝化作用，从而降低电流崩塌效应。随着器件工艺进入纳米级别，传统的MOS结构的栅介质SiO2厚度和沟道长度都需按比例缩小，引起量子隧穿效应。选取高K材料作为器件的栅介质已经成为目前HEMT的发展趋势，高K介质在与SiO2拥有同样栅控能力的情况下，其厚度远大于SiO2、Si3N4等传统介质，有效地减小了栅泄漏电流。但是高K材料作为栅介质还是存在不少问题：高K材料直接与AlGaN势垒层相接触，由于其禁带宽度往往比较小而存在较小的导带不连续性，导致栅极泄漏电流依然存在，并且存在着导带偏移量低，界面质量低和界面态密度高等问题；同时高K材料作栅介质层又会引入大的栅电容，对器件的电流增益截止频率造成负面影响，影响器件特性。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及制作方法，通过MOS结构降低漏电流，并采用高K材料作栅介质层，提高栅控能力的同时降低栅电容，提高器件的性能和可靠性。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及制作方法；其中，一种基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，由下至上依次包括衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层、栅介质层和栅极，所述栅介质层由下至上依次包括介电常数不同的界面过渡层和高K介质层，所述界面过渡层包括介电常数不同的第一介质材料层和第二介质材料层，所述第一介质材料层与所述第二介质材料层横向连接，所述第一介质材料层一端连接有源极，所述第二介质材料层一端连接有漏极。作为一种优选方案，所述的高K介质层由介电常数大于Al2O3介电常数的高K材料制成；该高K材料为HfO2或La2O3或TiO2或Ta2O5或者介电常数大于Al2O3的绝缘介质。作为一种优选方案，所述的第一介质材料层由SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2和TiO2中任一种物质制成；所述的第二介质材料层由SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2和TiO2中任一种物质制成。作为一种优选方案，所述高K介质层所用材料的介电常数大于所述第一介质材料层所用材料的介电常数，所述第一介质材料层所用材料的介电常数大于所述第二介质材料层所用材料的介电常数。作为一种优选方案，所述高K介质层的厚度大于所述界面过渡层的厚度；所述高K介质层的厚度为3nm-5nm；所述界面过渡层的厚度为2nm-3nm。作为一种优选方案，所述衬底由蓝宝石或硅制成；所述栅极采用Ni/Au/Ni多层金属结构；所述源极和所述漏极均采用Ti/Al/Ni/Au多层金属结构。其中，一种基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制作方法，所述制作方法包括如下步骤：1)选用衬底并进行标准RCA清洗；2)采用金属有机化合物气相沉积MOCVD技术在清洗后的衬底上依次生长AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层，获得AlGaN/GaN异质结衬底；3)采用原子层沉积ALD技术在AlGaN/GaN异质结衬底上沉积厚度一致且横向连接的第一介质材料层和第二介质材料层；4)采用热型原子层沉积ALD技术在横向连接的第一介质材料层和第二介质材料层上沉积厚度大于第一介质层材料的高K介质层，形成品型栅介质层；5)将形成品型栅介质层的AlGaN/GaN异质结衬底置于温度为750-800℃的氮气环境中，退火50-70s；6)在品型栅介质层上，采用金属热蒸发技术淀积栅极；7)将完成栅极淀积的AlGaN/GaN异质结衬底置于温度为550-650℃的氮气环境中，退火25-35s；8)通过光刻与刻蚀工艺，在完成快速退火的AlGaN/GaN异质结衬底上，制作出源区和漏区；9)采用金属热蒸发技术在源区和漏区上制作出漏极和源极，获得基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管。作为一种优选方案，在步骤2)中，所生长的AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层的厚度分别为200nm、1.6μm、1nm、20nm。作为一种优选方案，步骤3)所述的采用原子层沉积ALD技术在AlGaN/GaN异质结衬底上沉积厚度一致且横向连接的第一介质材料层和第二介质材料层，其步骤为：将AlGaN/GaN异质结衬底放入原子层淀积设备反应腔，采用原子层淀积ALD方法淀积厚度为2nm的Al2O3/SiO2过渡层(LAl2O3＝LSiO2,dAl2O3＝dSiO2＝2nm)；其淀积的工艺条件如下：腔体压力为15hPa，温度为300℃，硅源、铝源和氧源分别为硅烷、三甲基铝和去离子水，氮气流量为150sccm。作为一种优选方案，步骤4)所述的采用原子层沉积ALD技术在横向连接的第一介质材料层和第二介质材料层上沉积厚度大于第一介质层材料的高K介质层，形成品型栅介质层，其步骤为：在Al2O3/SiO2过渡层上，利用热型ALD工艺沉积厚度为4nm的HfZrO4高K介质层；其沉积的工艺条件为：采用H2O、Hf[N(C2H5)2]4(TMAH)和TDMAZ作为反应前驱体源，衬底温度为300℃，RF功率设置为50W，反应腔室压力为0.3Torr。本专利技术的有益效果在于：1.本专利技术的栅介质层由于采用品型栅MOS结构，相比较于传统HEMT器件，使得器件的沟道电子难以越过氧化层势垒形成泄漏电流，有效的减小了栅极泄漏电流，提高了器件的工作电压，扩大了器件的应用范围，改善了器件的功率特性；2.本专利技术利用介电常数大于Al2O3的高K材料作为栅介质层的主体部分，对于MOS-HEMT器件而言，可以提高其栅介质材料的介电常数，增强了栅电容对沟道电子的控制力；3.本专利技术在高K介质材料与AlGaN势垒层之间插入了界面过渡层，由于界面过渡层与AlGaN势垒层具有很好的界面质量，可以增加栅介质材料与AlGaN势垒层的导带偏移量，提高栅介质材料与AlGaN势垒层的界面质量，提高器件的可靠性；4.界面过渡层由不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，由下至上依次包括衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层、栅介质层和栅极，其特征在于：所述栅介质层由下至上依次包括介电常数不同的界面过渡层和高K介质层，所述界面过渡层包括介电常数不同的第一介质材料层和第二介质材料层，所述第一介质材料层与所述第二介质材料层横向连接，所述第一介质材料层一端连接有源极，所述第二介质材料层一端连接有漏极。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，由下至上依次包括衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层、栅介质层和栅极，其特征在于：所述栅介质层由下至上依次包括介电常数不同的界面过渡层和高K介质层，所述界面过渡层包括介电常数不同的第一介质材料层和第二介质材料层，所述第一介质材料层与所述第二介质材料层横向连接，所述第一介质材料层一端连接有源极，所述第二介质材料层一端连接有漏极。


2.根据权利要求1所述的基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述的高K介质层由介电常数大于Al2O3介电常数的高K材料制成；该高K材料为HfO2或La2O3或TiO2或Ta2O5或者介电常数大于Al2O3的绝缘介质。


3.根据权利要求2所述的基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述的第一介质材料层由SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2和TiO2中任一种物质制成；所述的第二介质材料层由SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2和TiO2中任一种物质制成。


4.根据权利要求3所述的基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述高K介质层所用材料的介电常数大于所述第一介质材料层所用材料的介电常数，所述第一介质材料层所用材料的介电常数大于所述第二介质材料层所用材料的介电常数。


5.根据权利要求1中所述的基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述高K介质层的厚度大于所述界面过渡层的厚度；所述高K介质层的厚度为3nm-5nm；所述界面过渡层的厚度为2nm-3nm。


6.根据权利要求1所述的基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述衬底由蓝宝石或硅制成；所述栅极采用Ni/Au/Ni多层金属结构；所述源极和所述漏极均采用Ti/Al/Ni/Au多层金属结构。


7.一种基于高K材料的品型栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括如下步骤：
1)选用衬底并进行标准RCA清洗；
2)采用金属有机化合物气相沉积MOCVD技术在清洗后的衬底上依次生长AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层，获得AlGaN/GaN异质结衬底；
3)采用原子层沉积ALD技术在AlGaN...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁智文，杨倩倩，张法碧，王琦，汪青，张国义，
申请(专利权)人：北京大学东莞光电研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44