一种基于混合气体退火的InAlN/GaNHEMT的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于混合气体退火的InAlN/GaN HEMT的制备方法，通过采用在氢气和氮气混合气体氛围中快速热退火，高温下氢气可有效与表面氧化镓反应，去除材料表面的氧化层，氮气可补充由于表面氧化镓中氧原子去除后留下的氧空位，形成新的氮化镓层，从而修复表面损伤。混合气体退火可以去除GaN帽层表面质量较差的天然氧化物，并且形成一层氮化物，减少表面陷阱态，从而有效降低InAlN/GaN HEMT器件的导通电阻R

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合气体退火的InAlN/GaN HEMT的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种基于混合气体退火的InAlN/GaN HEMT的制备方法，属于微电子器件的


技术介绍

[0002]GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)高的电子迁移率、高的电子浓度、大的击穿电压等特性，使其在无线通讯，航空航天，雷达系统等领域优势明显，应用前景广阔。为提高GaN HEMT器件性能，发挥其特性优势，器件工艺探索与优化是必不可少的环节。由于GaN材料生长到器件制备过程中，不可避免地会与空气中的氧气和水分接触，从而导致材料表面自然氧化层的存在。这一氧化层由于来自于自然氧化，一般为氧化镓，其材料性能较差，且对器件载流子迁移率，栅极调控能力，栅介质层界面态，表面钝化等有着不可忽视的影响，因此，去除表面自然氧化层，对GaN器件性能的提高具有重要意义。目前常用的去除表面氧化层的方法包括湿法腐蚀和等离子体表面处理等。湿法腐蚀采用酸碱溶液直接对样品表面进行处理，腐蚀掉材料表面的氧化层，虽然可去除材料表面的氧化层，但表面的氧化镓被腐蚀后，会不可避免地造成氧空位，从而引入表面损伤；等离子体处理采用氢等离子体对样品表面进行轰击，从而去除表面的氧化层，氢等离子具有一定的能量，通过轰击表面并与氧化镓产生反应去除氧化层，其轰击能量需要精细控制，轰击造成的损伤不可忽视。由此可见，两者虽然可以去除表面的氧化层，但均不可避免的会引入原子空位和表面损伤，这种器件表面损伤，会增加表面陷阱态，一方面会引入表面电流，增大器件漏电，另一方面也会造成高频下电子俘获，形成表面电场，散射沟道载流子，降低器件输运电流，造成器件性能退化。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于混合气体退火的InAlN/GaN HEMT的制备方法，通过采用在氢气和氮气混合气体氛围中快速热退火，高温下氢气可有效与表面氧化镓反应，去除材料表面的氧化层，氮气可补充由于表面氧化镓中氧原子去除后留下的氧空位，形成新的氮化镓层，从而修复表面损伤，减少表面陷阱态，从而有效降低InAlN/GaN HEMT器件的导通电阻R
on
和亚阈值摆幅SS，同时增加器件的跨导峰值g
m_peak
以及电流增益截止频率f
T
和功率增益截止频率f
max
。
[0004]术语解释：
[0005]1.快速退火技术：RTP，Rapid Thermal Processing，是在非常短的时间内将整个样品加热至400～1300℃温度范围内的一种方法，相对于炉管退火，它具有热预算少，样品中杂质运动小，玷污小和加工时间短等特点。
[0006]本专利技术的技术方案为：
[0007]一种基于混合气体退火的InAlN/GaN HEMT的制备方法，所述InAlN/GaN HEMT，包括自下而上依次设置的Si衬底、GaN缓冲层、InGaN背势垒层、GaN沟道层、AlN插入层、InGaN势垒层和GaN帽层；GaN帽层上设置有源电极、漏电极和栅电极，且栅电极位于源电极和漏电
极的中间；制备方法包括步骤：
[0008](1)在所述衬底的表面上依次生长GaN缓冲层、InGaN背势垒层、GaN沟道层、AlN插入层、InGaN势垒层、GaN帽层；
[0009](2)在GaN帽层上沉积源金属电极和漏金属电极；
[0010](3)采用氮气和氢气混合气体，利用快速退火技术(RTP)形成源电极和漏电极的欧姆接触，去除表面氧化物；
[0011](4)在GaN帽层上沉积栅金属电极，得到InAlN/GaN HEMT器件。
[0012]本专利技术提供的制备方法，利用快速退火技术，采用混合气体退火在高温下形成源电极和漏电极的欧姆接触；与N2退火的InAlN/GaN HEMT器件相比，氮气和氢气混合气体退火InAlN/GaN HEMT器件中GaN帽层表面的Ga
‑
O组分明显降低，Ga
‑
N组分显著增加。结果表明，混合气体退火可以去除GaN帽层表面质量较差的天然氧化物(GaO)，并且形成一层氮化物，减少表面陷阱态，从而有效降低InAlN/GaN HEMT器件的导通电阻R
on
和亚阈值摆幅SS，同时增加器件的跨导峰值g
m_peak
以及电流增益截止频率f
T
和功率增益截止频率f
max
。
[0013]根据本专利技术优选的，步骤(3)中，采用氮气和氢气混合气体，利用快速退火技术(RTP)，在高温下形成源电极和漏电极的欧姆接触；包括步骤如下：
[0014]A、打开快速退火炉腔室门，放入需要退火的HEMT器件，关闭腔室门；
[0015]B、抽真空，直到腔室内真空度低于1
×
10
‑5Torr；
[0016]C、往腔室内通入H2和N2的混合气体；
[0017]D、加热腔室，将腔室内温度在10
‑
20秒内升温至830
‑
870℃，并保温20
‑
50s；
[0018]E、待腔室快速降温至室温后，取出HEMT器件。
[0019]根据本专利技术优选的，步骤C中，腔室内H2与N2的流量比为1：99—10：90；
[0020]进一步优选的，腔室内H2与N2的流量比为5：95。
[0021]腔室内H2与N2的流量比的设定，过低会导致H2含量不足，难以完全去除表面氮化镓氧化层；H2含量过高，会造成气体浪费，增加工艺成本。
[0022]根据本专利技术优选的，步骤D中，将腔室内温度在10
‑
20秒内升温至830
‑
870℃，并保温20
‑
50s；
[0023]进一步优选的，将腔室内温度在17秒内，升温至850℃，并保温时间为30s。
[0024]根据本专利技术优选的，在步骤(2)之前，采将器件台面区域进行光刻胶保护，采用干法刻蚀将非台面区域从GaN帽层一直刻蚀到GaN缓冲层，以此来阻断器件之间的有源层，降低器件漏电。
[0025]根据本专利技术优选的，在步骤(3)快速退火处理后，采用氧气等离子体表面处理设备对步骤(3)制备得到的器件进行处理，氧气等离子体处理功率50
‑
150W，氧气流量30
‑
50sccm，氧化时间50
‑
150s，进行表面再次氧化，修复表面损伤，形成新的致密的氧化层。
[0026]根据本专利技术优选的，所述GaN缓冲层的厚度为2
‑
4μm，GaN缓冲层未进行掺杂；所述InGaN背势垒层的厚度为2
‑
4nm，In的摩尔比为10
‑
15％；所述GaN沟道层的厚度为10
‑
30nm；所述AlN插入层的厚度为0.7
‑
1.5nm；所述InAlN势垒层的厚度为5
‑
9nm本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于混合气体退火的InAlN/GaN HEMT的制备方法，其特征在于，所述InAlN/GaN HEMT，包括自下而上依次设置的Si衬底、GaN缓冲层、InGaN背势垒层、GaN沟道层、AlN插入层、InGaN势垒层和GaN帽层；GaN帽层上设置有源电极、漏电极和栅电极，且栅电极位于源电极和漏电极的中间；制备方法包括步骤：(1)在所述衬底的表面上依次生长GaN缓冲层、InGaN背势垒层、GaN沟道层、AlN插入层、InGaN势垒层、GaN帽层；(2)在GaN帽层上沉积源金属电极和漏金属电极；(3)采用氮气和氢气混合气体，利用快速退火技术形成源电极和漏电极的欧姆接触，去除表面氧化物；(4)在GaN帽层上沉积栅金属电极，得到InAlN/GaN HEMT器件。2.根据权利要求1所述的一种基于混合气体退火的InAlN/GaN HEMT的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，采用氮气和氢气混合气体，利用快速退火技术，在高温下形成源电极和漏电极的欧姆接触；包括步骤如下：A、打开快速退火炉腔室门，放入需要退火的HEMT器件，关闭腔室门；B、抽真空，直到腔室内真空度低于1
×
10
‑5Torr；C、往腔室内通入H2和N2的混合气体；D、加热腔室，将腔室内温度在10
‑
20秒内升温至830
‑
870℃，并保温20
‑
50s；E、待腔室快速降温至室温后，取出HEMT器件。3.根据权利要求2所述的一种基于混合气体退火的InAlN/GaN HEMT的制备方法，其特征在于，步骤C中，腔室内H2与N2的流量比为1：99—10：90；进一步优选的，腔室内H2与N2的流量比为5：95。4.根据权利要求2所述的一种基于混合气体退火的InAlN/GaN HEMT的制备方法，其特征在于，步骤D中，将腔室内温度在10
‑
20秒内升温至830
‑
870℃，并保温20
‑
50s；进一步优选的，将腔室内温度在17秒内，升温至850℃，并保温时间为30s。5.根据权利要求1所述的一种基于混合气体退火的InAlN/GaN HEMT的制备方法，其特征在于，在步骤(2)之前，采将器件台面区域进行光刻胶保护，采用干法刻蚀将非台面区域从GaN帽层一直刻蚀到GaN缓冲层。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔鹏，韩吉胜，徐现刚，林兆军，徐明升，崔潆心，钟宇，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：