GAA构型的GaN基垂直结构HEMT器件及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种GAA构型的GaN基垂直结构HEMT器件及制备方法，该器件包括带有GaN微米柱的GaN衬底；GaN微米柱的侧面覆盖有GaN沟道层，GaN沟道层的侧面覆盖有AlGaN势垒层；漏金属电极覆盖部分GaN衬底，形成漏极，漏极与GaN沟道层、AlGaN势垒层接触；沉积源覆盖GaN微米柱、GaN沟道层和AlGaN势垒层的上表面，形成源级；介质层覆盖在漏极上方，包裹AlGaN势垒层、源级的侧面，形成环形介质层，介质层与源级形成欧姆接触；栅极包裹介质层，形成环形栅极。本发明专利技术充分利用了垂直结构高耐压与二维电子气高速大电流传输能力：二维电子气通过所述源/漏极垂直传输；GAA构型显著降低开关电压，提升开关速度，降低泄露电流；源极、漏极和栅极处于三个不同平面，有利于进一步提升器件工作电压。压。压。

【技术实现步骤摘要】
GAA构型的GaN基垂直结构HEMT器件及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种GAA构型的GaN基垂直结构HEMT器件及制备方法，属于高电子迁移率晶体管


技术介绍

[0002]功率器件是电子装置中电能转换与电路控制的核心，当前的功率器件主要有第一代半导体Si基功率器件、第三代半导体GaN、SiC基功率器件等。为了满足更高耐压、更高功率的需求，硅基功率器件的发展经历晶闸管、MOSFET等到IGBT，器件从水平结构器件发展到垂直结构器件。与硅基功率器件一致，为进一步提高功率密度与耐压等性能，GaN功率器件也需要从水平结构器件到发展到垂直/水平结构器件。氮化镓异质结HEMT由于具有禁带宽度大，电子饱和速度高和击穿场强大等优点，在器件效率、能耗、工作频率、耐压等方面显著优于Si基功率器件，是目前市场与技术的主流。目前国内外有大量专利申请公开了垂直结构的HEMT器件，如申请号为CN201510109496.0、CN202210509084.6、CN202010714612.2、CN201810025987.0、CN202110673301.0和CN202011508741.2的申请文件均公开了垂直结构的HEMT器件，然而上述专利申请提出的垂直结构的器件均难以满足GaN基HEMT器件二维电子气的形成条件，或没有公开形成二维电子气的技术与方案。而二维电子气是制备HEMT器件的核心与关键，为了诱导出高浓度的二维电子气，HEMT器件主要采用在GaN/AlGaN异质结。C面取向的GaN和C面取向的AlGaN薄膜存在自发极化效应，AlGaN薄膜的存在压电极化效应，自发极化效应叠加压电极化效应在GaN/AlGaN异质结边界处出现诱导出电子电荷堆积从而形成二维电子气。
[0003]为了形成二维电子气的沟道，HEMT器件对材料与器件要求严格：一是GaN衬底或外延薄膜必须为c面取向，从而获得自发极化与压电极化效应。二是GaN衬底或外延薄膜必须具有原子级平整度，大的粗糙度导致界面电子散射，严重影响电子在沟道中迁移率。现有异质外延只能获得c面生长的GaN器件，垂直结构器件改变电流传输方向至m面或a面，这个方向上器件将失去自发极化效应并显著降低压电极化效应，无法形成二维电子气。目前公开的专利或文章均未使用到垂直方向的二维电子气，现有的垂直结构HEMT仅仅利用二维电子气作为电流扩散通道，未能利用二维电子气的高速传输特性。

技术实现思路

[0004]为了克服上述问题，本专利技术提供一种GAA构型的GaN基垂直结构HEMT器件及制备方法，该GaN基垂直结构HEMT器件，将HEMT的源极和栅极设计在器件的正面，漏极设计在器件的测面，方便GaN垂直结构HEMT器件和其他同质或异质元件进行集成。GAA构型的GaN垂直结构HEMT器件充分利用了垂直结构高耐压与二维电子气高速大电流传输能力：二维电子气通过所述源/漏极垂直传输；GAA构型显著降低开关电压，提升开关速度，降低泄露电流；源极、漏极和栅极处于三个不同平面，有利于进一步提升器件工作电压。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]第一方面
[0007]一种GAA构型的GaN基垂直结构HEMT器件，包括带有GaN微米柱的GaN衬底；所述GaN微米柱的侧面覆盖有GaN沟道层，所述GaN沟道层的侧面覆盖有AlGaN势垒层；漏金属电极覆盖部分所述GaN衬底，形成漏极，所述漏极与所述GaN沟道层、所述AlGaN势垒层接触；沉积源覆盖所述GaN微米柱、GaN沟道层和AlGaN势垒层的上表面，形成源级；介质层覆盖在所述漏极上方，包裹所述AlGaN势垒层、所述源级的侧面，形成环形介质层，所述介质层与所述源级形成欧姆接触；栅极包裹所述介质层，形成环形栅极。
[0008]进一步的，所述GaN沟道层和所述AlGaN势垒层形成AlGaN/GaN异质结，所述AlGaN/GaN异质结生长在非极性面GaN衬底的垂直刻蚀面上。
[0009]进一步的，所述AlGaN势垒层为Al
x
Ga1‑
x
N，厚度为20～40nm，x＝0.1～0.5。
[0010]进一步的，所述GaN衬底厚度为300～500μm。
[0011]进一步的，所述GaN沟道层厚度为100～300nm。
[0012]进一步的，所述介质层厚度为400～1000nm。
[0013]进一步的，所述GaN衬底为m面取向GaN晶片或a面取向GaN晶片。
[0014]第二方面
[0015]一种GAA构型的GaN基垂直结构HEMT器件的制备方法，用于制备第一方面所述GAA构型的GaN基垂直结构HEMT器件，包括以下步骤：
[0016]S1、在GaN衬底上刻蚀形成GaN微米柱，所述GaN微米柱的两个最大面积的侧面为c面取向；
[0017]S2、在所述GaN微米柱上通过外延生长产生GaN沟道层；
[0018]S3、在所述GaN沟道层上通过外延生长产生AlGaN势垒层，在GaN微米柱c面方向上强的自发极化效应和压电极化效应的共同作用下产生二维电子气；
[0019]S4、采用RIE干刻刻蚀整个器件，去除顶部和底部的势垒层和沟道层，暴露出所述GaN沟道层的侧面；
[0020]S5、通过电子束蒸发镀或溅射镀膜将所述源极和所述漏极生长于器件表面，与所述GaN沟道层形成欧姆接触；
[0021]S6、在所述源级、所述AlGaN势垒层的侧面和所述漏极的上方生长介质层；
[0022]S7、在所述介质层的侧面生长环绕式栅极。
[0023]进一步的，所述源极和漏极均为Ti/Ni/Au多金属层结构的电极，Ti/Ni/Au多金属层电极的厚度分别为30nm、50nm和100nm。
[0024]进一步的，步骤S6中，所述介质层通过各项异性的方式生长。
[0025]本专利技术具有如下有益效果：
[0026]1.该GaN基垂直结构HEMT器件，将HEMT的源极和栅极设计在器件的正面，漏极设计在器件的测面，方便GaN垂直结构HEMT器件和其他同质或异质元件进行集成。GAA构型的GaN垂直结构HEMT器件充分利用了垂直结构高耐压与二维电子气高速大电流传输能力：二维电子气通过所述源/漏极垂直传输；GAA构型显著降低开关电压，提升开关速度，降低泄露电流；源极、漏极和栅极处于三个不同平面，有利于进一步提升器件工作电压。
[0027]2.该GaN基垂直结构HEMT器件，沟道宽度由薄膜厚度控制，由nm尺度一直到到数十个微米均可，大大降低了对光刻设备的要求，并显著优化和减少了工艺，有利于半导体工艺
的步进。
[0028]3.该制备方法首次提出了HEMT器件中环绕式沟道层、环绕式势垒层、环绕式漏极、环绕式介质层与环绕式栅极的制作方法，首次提出了垂直方向上产生二维电子气的原理与方法。
[0029]4.该制备方法，工艺简单，所需的光刻次数少，可操作性高，适合进行规模化、工业化生产。
附图说明
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GAA构型的GaN基垂直结构HEMT器件，其特征在于，包括带有GaN微米柱的GaN衬底(1)；所述GaN微米柱的侧面覆盖有GaN沟道层(2)，所述GaN沟道层(2)的侧面覆盖有AlGaN势垒层(3)；漏金属电极覆盖部分所述GaN衬底(1)，形成漏极(4)，所述漏极(4)与所述GaN沟道层(2)、所述AlGaN势垒层(3)接触；沉积源覆盖所述GaN微米柱、GaN沟道层(2)和AlGaN势垒层(3)的上表面，形成源级(7)；介质层(5)覆盖在所述漏极(4)上方，包裹所述AlGaN势垒层(3)、所述源级(7)的侧面，形成环形介质层，所述介质层(5)与所述源级(7)形成欧姆接触；栅极(6)包裹所述介质层(5)，形成环形栅极。2.根据权利要求1所述GAA构型的GaN基垂直结构HEMT器件，其特征在于，所述GaN沟道层(2)和所述AlGaN势垒层(3)形成AlGaN/GaN异质结，所述AlGaN/GaN异质结生长在非极性面GaN衬底(1)的垂直刻蚀面上。3.根据权利要求1所述GAA构型的GaN基垂直结构HEMT器件，其特征在于，所述AlGaN势垒层(3)为Al
x
Ga1‑
x
N，厚度为20～40nm，x＝0.1～0.5。4.根据权利要求1所述GAA构型的GaN基垂直结构HEMT器件，其特征在于，所述GaN衬底(1)厚度为300～500μm。5.根据权利要求1所述GAA构型的GaN基垂直结构HEMT器件，其特征在于，所述GaN沟道层(2)厚度为100～300nm。6.根据权利要求1所述GAA构型的GaN基垂直结构HEMT器件...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕佩文，陈晨龙，
申请(专利权)人：闽都创新实验室，
类型：发明
国别省市：