基于范德华外延的氮化镓高电子迁移率晶体管器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种范德华外延的氮化镓高电子迁移率晶体管器件，主要解决了现有GaN

【技术实现步骤摘要】
基于范德华外延的氮化镓高电子迁移率晶体管器件及其制备方法


[0001]本专利技术属于微电子器件
，更进一步涉及一种耐压结构的氮化镓高电子迁移率晶体管HEMT器件，可用于电力电子系统。

技术介绍

[0002]与前两代半导体相比，第三代半导体材料氮化镓具有直接带隙、禁带宽度大、击穿场强高、导热性能好的优点，且GaN和AlGaN异质结具有较强的自发和压电极化，未掺杂就能获得高浓度，高电子迁移率的二维电子气，在抗辐射、高温大功率、微波器件等领域有着巨大的潜力和市场。
[0003]近年来，随着雷达，无线通信领域的发展，对半导体材料有着更高功率的要求，第一、第二代Si、GaAs半导体材料已难以满足，研究重心向第三代宽禁带半导体材料转移。
[0004]因为禁带宽度大，氮化镓材料的理论临界临界击穿电场大于硅理论击穿电场的十倍及高浓度，高电子迁移率的二维电子气，使其在功率领域高耐压且导通电阻低。
[0005]目前，GaN电力电子器件仍以横向高电子迁移率晶体管器件为主，但这种结构存在着一系列问题，如电流崩塌、缓冲层泄漏电流、栅极泄漏电流和栅极电场集中效应等，这些问题限制了氮化镓材料自身的高击穿特性。基于此，在器件结构上，引入了漏场板，栅长板，源场板，多层场板及浮空场板等以降低靠近漏极一侧的峰值电场。在材料结构上采用了背势垒结构、超结结构、超级异质结及掺杂形成高阻缓冲层等。但是这些都是针对横向结构提出的一系列改进方法，仍然面临着许多问题，如必须通过提高栅漏间距来提高击穿电压，大大增加了器件的面积。
[0006]为了解决上述问题，学者们提出了垂直型氮化镓基高电子迁移率晶体管，很多垂直器件依靠源漏之间PN结耗尽区的作用且表面不存在高电场，使得其具有更高的耐压特性。这种结构的特点是在垂直器件中引入P埋层，如图1所示，该器件自下而上依次是：漏电极、氮化镓自支撑衬底、本征氮化镓缓冲层、电流阻挡层CBL、电流孔径、GaN沟道层、AlGaN势垒层、P
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GaN 帽层、源极和栅极及钝化层，通过势垒层上的氮化镓帽层和电流阻挡层，提高垂直器件的阈值电压。但该器件由于缓冲层内的电场分布非常不均匀，严重影响了其高击穿电场的特性。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于范德华外延的氮化镓高电子迁移率晶体管器件及其制备方法，以通过在缓冲层内进行P型掺杂，提高击穿电压，减小导通电阻。
[0008]为实现上述目的，本专利技术基于范德华外延的氮化镓高电子迁移率晶体管器件，自下而上包括：衬底15、本征GaN缓冲层7、电流孔径10、GaN沟道层11、AlN层12、AlGaN势垒层13、P
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GaN帽层14和栅极18，其特征在于：
[0009]所述衬底15与本征GaN缓冲层7，自下而上设有二维材料层3、第一AlN层4、第二 AlN层5和掺铁的GaN层6；
[0010]所述衬底15、二维材料层3、第一AlN层4、第二AlN层5的中间开有通孔，孔内蒸镀有金属形成漏极16。
[0011]所述在本征GaN缓冲层7与电流孔径10之间，垂直设有两种不同掺杂浓度的第一P 型GaN层8和第二P型GaN层9，以分别与本征GaN缓冲层7形成PN结，提高耐压特性；
[0012]进一步，所述的二维材料层3为石墨烯或氮化硼这种二维材料。
[0013]进一步，所述的第一AlN层4为低温生长，厚度为10～100nm。
[0014]进一步，所述的第二AlN层5为高温生长，厚度为100～300nm。
[0015]进一步，所述的第一P型GaN层8厚度为100～200nm，浓度为(1～4)
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‑3。
[0016]进一步，所述的第二P型GaN层9的厚度为200～300nm，浓度为(5～9)
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‑3，用于均匀电场分布，提高击穿电压。
[0017]为实现上述目的，本专利技术基于范德华外延的氮化镓高电子迁移率晶体管器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0018]S1)在衬底上磁控溅射一层AlN层2；
[0019]S2)选用二维材料，并通过湿法将其转移到AlN层2上形成二维材料层3，
[0020]S3)在二维材料层3的上部采用金属氧化物气相沉积外延技术，在氢气为载气,氮源、镓源和铝源分别为氨气、三甲基镓和三甲基铝的气氛下，先依次在800℃的低温条件下生长第一AlN层4、在1200℃高温条件下生长的第二AlN层5；再在第二AlN层5依次生长掺铁浓度为1
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‑3的GaN层6和本征GaN缓冲层7；
[0021]S4)在本征GaN缓冲层7上进行第一次光刻，并在本征GaN缓冲层7的左右两侧靠近中心无光刻胶部分进行Mg离子注入，形成浓度范围(1～4)
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‑3、厚度为100～200nm 的第一P型GaN层8；再在本征GaN缓冲层7上进行二次光刻，并在本征GaN缓冲层7上的第一P型GaN层8左右两侧外部无光刻胶部分离子注入，形成浓度范围为(5～9)
×ꢀ
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‑3、厚度为200～300nm的第二P型GaN层9；
[0022]S5)采用刻蚀工艺在本征GaN缓冲层7上两个第一P型GaN层8的之间位置开孔，厚度为100～200nm,并在孔中离子注入形成电流孔径层10；
[0023]S6)在第一P型GaN层8、第二P型GaN层9和电流孔径层10上，采用金属氧化物气相沉积外延技术，在氢气为载气,氮源、镓源和铝源分别为氨气(NH3)、三甲基镓(TMGa)和三甲基铝(TMAl)的气氛下依次生长GaN沟道层11、AlN层12、AlGaN势垒层13和P
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GaN 帽层14；
[0024]S7)取出外延片进行衬底剥离，并将二维材料层3与其上外延的第一AlN层4、第二 AlN层5、掺铁的GaN层6、本征GaN缓冲层7、第一P型GaN层8、第二P型GaN层9、电流孔径层10、GaN沟道层11、AlN层12、AlGaN势垒层13和P
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GaN帽层14一起转移至另一衬底15上；
[0025]S8)在衬底15、二维材料层3、第一AlN层4、第二AlN层5的中采用湿法刻蚀开通孔并进行光刻，孔内通过电子束蒸发蒸镀金属形成漏极16；
[0026]S9)在P
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GaN帽层(14)上进行光刻，采用感应耦合等离子体进行刻蚀，刻蚀深度直至AlGaN势垒层(13)下120nm。
[0027]S10)在P
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GaN帽层14上进行光刻，用反应离子刻蚀中间区域之外的P
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GaN帽层，在 AlGaN势垒层13上进行光刻，通过电子束蒸发蒸镀源极17，再在刻蚀完留下的P<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种范德华外延的氮化镓高电子迁移率晶体管器件器件，自下而上包括：衬底(15)、本征GaN缓冲层(7)、电流孔径(10)、GaN沟道层(11)、AlN层(12)、AlGaN势垒层(13)、P
‑
GaN帽层(14)和栅极(18)，其特征在于：所述衬底(15)与本征GaN缓冲层(7)之间，自下而上设有二维材料层(3)、第一AlN层(4)、第二AlN层(5)和掺铁的GaN层(6)；所述衬底(15)、二维材料层(3)、第一AlN层(4)、第二AlN层(5)的中间开有通孔，孔内蒸镀有金属形成漏极(16)；所述在本征GaN缓冲层(7)与电流孔径(10)之间，垂直设有两种不同掺杂浓度的第一P型GaN层(8)和第二P型GaN层(9)，以分别与本征GaN缓冲层(7)形成PN结，提高耐压特性。2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述的二维材料层(3)为石墨烯或氮化硼这种二维材料。3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述的第一AlN层(4)为低温生长，厚度为10～100nm。4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述的第二AlN层(5)为高温生长，厚度为100～300nm。5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述的第一P型GaN层(8)厚度为100～200nm，浓度为(1～4)
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‑3。6.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述的第二P型GaN层(9)的厚度为200～300nm，浓度为(5～9)
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‑3，用于均匀电场分布，提高击穿电压。7.一种范德华外延的氮化镓高电子迁移率晶体管器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1)在衬底上磁控溅射一层AlN层(2)；S2)选用二维材料，并通过湿法将其转移到AlN层(2)上形成二维材料层(3)，S3)在二维材料层(3)的上部采用金属氧化物气相沉积外延技术，在氢气为载气,氮源、镓源和铝源分别为氨气、三甲基镓和三甲基铝的气氛下，先依次在800℃的低温条件下生长第一AlN层(4)、在1200℃高温条件下生长的第二AlN层(5)；再在第二AlN层(5)依次生长掺铁浓度为1
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‑3的GaN层(6)和本征GaN缓冲层(7)；S4)在本征GaN缓冲层(7)上进行第一次光刻，并在本征GaN缓冲层(7)的左右两侧靠近中心无光刻胶部分进行Mg离子注入，形成浓度范围(1～4)
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‑3、厚度为100～200nm的第一P型GaN层(8)；再在本征GaN缓冲层(7)上进行二次光刻，并在本征GaN缓冲层(7)上的第一P...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁静，吴晶晶，王东，张进成，赵江林，张弛，曾瑜，马佩军，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：