本发明专利技术公开一种基于渐变超晶格空位缓冲层GaN基HEMT外延结构，属于半导体技术领域，包括从下至上依次设置的衬底、成核层、缓冲层、GaN沟道层、AlGaN层一、AlGaN层二、栅极边缘介质钝化层、源极和漏极，源极与漏极之间还设置有栅极、第二钝化层，在本发明专利技术中，在栅极边缘沉积介质钝化，可以改善栅极电流的泄漏，提高击穿特性；通过降低AlGaN势垒层顶部的Al组份来提高介电常数，降低了AlGaN材料顶部的极化电荷，使栅极靠近漏端的电场减小，栅极和漏极之间的电场分布更加均匀；上方的第二钝化层的张应力补偿下方的栅极边缘介质的压应力，并对沟道层施加微弱的张应力可以改善GaN沟道层的二维电子气浓度，同时可以改善器件的导通电阻、方块电阻等特性。方块电阻等特性。方块电阻等特性。
【技术实现步骤摘要】
一种栅极边缘介质钝化的耐压结构GaN HEMT器件及其制备方法
[0001]本专利技术属于半导体
，具体涉及一种栅极边缘介质钝化的耐压结构GaN HEMT器件及其制备方法。
技术介绍
[0002]以氮化镓材料为代表的第三代半导体具有直接带隙、禁带宽度大、击穿场强高、导热性能好等优点，且氮化镓和铝镓氮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，第一代Si、第二代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。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。然而现有技术中制备的GaN HEMT的实际击穿电压值与其理论耐压极限相比仍有着很大的差距，源漏穿通、电场集中、体泄漏电流过大是导致GaN功率器件提前击穿的主要原因，为此，多种技术手段被用来提高器件的击穿电压，主要包括：场板技术、氟离子注入终端技术、极化超结技术和缓冲层补偿掺杂技术等。场板技术目前被广泛应用于电力电子领域，是一种最常见的缓解电场集中效应的技术。场板技术的基本原理是通过引入附加电场减小原来的高电场峰值，并在场板末端引入新的电场峰值，同时扩展耗尽区的横向宽度。氟离子注入终端技术将具有强电负性的氟基等离子体注入到栅电极与漏电极之间的AlGaN势垒层中，从而调制并优化器件的表面电场分布，达到缓解电场集中效应的目的，提高器件最终的击穿电压。采用补偿掺杂技术，在GaN缓冲层中掺杂C或者Fe，从而引入深能级受主陷阱并增大缓冲层的电阻值，最终降低缓冲层泄漏电流并提高器件的击穿电压。
[0004]由于靠近栅极
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漏极边缘产生大量电子
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空穴对而导致的雪崩击穿，是目前GaN基HEMT器件主要击穿方式之一。为了通过重新分配栅极靠近漏端的高电场来延缓雪崩击穿过程，并降低由隧穿引起的栅极靠近漏端泄漏电流，目前常用的方式：i)增加栅漏之间的距离；ii)通过优化场板结构；iii)氟离子注入终端技术。由于导通电阻的限制，不能一味增加栅漏距离。场板结构的优化虽然在很大程度上优化了场强分布，提高了击穿特性，但是会引入附加的寄生电容，影响器件的开关特性和高频特性。又有研究者提出了空气场板结构，该结构虽然没有引入寄生电容，但无疑增加了工艺难度和工艺成本。氟离子注入终端技术虽然没有引入附加的寄生电容，但是氟基等离子体注入到较薄的AlGaN势垒层中会影响2DEG的输运特性，最终导致器件性能的退化。所以如何改善GaN基功率电子器件的栅极泄漏电流进而提高的工作电压仍是亟待解决的技术问题之一。
技术实现思路
[0005]根据现有技术中存在的问题，本专利技术具体涉及一种基于栅极边缘介质钝化的耐压结构氮化镓HEMT器件及其制备方法。在本专利技术中，在栅极边缘沉积介质钝化，可以改善栅极电流的泄漏，提高击穿特性；通过降低AlGaN势垒层顶部的Al组份来提高介电常数，降低了AlGaN材料顶部的极化电荷，使栅极靠近漏端的电场减小，栅极和漏极之间的电场分布更加均匀；上方的第二钝化层的张应力补偿下方的栅极边缘介质的压应力，并对沟道层施加微弱的张应力可以改善GaN沟道层的二维电子气浓度，同时可以改善器件的导通电阻、方块电阻等特性；本专利技术提出的器件制备方法操作简单，成本低廉，在提升性能的同时兼顾环境友好性，具有较高的可操作性与可实施性。
[0006]一种栅极边缘介质钝化的耐压结构GaN HEMT器件，包括从下至上依次设置的衬底、成核层、缓冲层、GaN沟道层、AlGaN层一、AlGaN层二、栅极边缘介质钝化层、源极和漏极，源极与漏极之间还设置有栅极、第二钝化层。
[0007]进一步地，所述的衬底材料为Si或SiC或蓝宝石或GaN。
[0008]进一步地，所述成核层材料为AlN，厚度为2～100nm。
[0009]进一步地，所述的缓冲层材料为掺铁或碳的GaN，厚度为100～500μm。
[0010]进一步地，所述的GaN沟道层厚度为300～500nm。
[0011]进一步地，所述的AlGaN层一(即高Al组份AlGaN层)中Al的摩尔组份为0.2～0.3，厚度为5～10nm；所述的AlGaN层二(低Al组份AlGaN层)中Al的摩尔组份为0.12～0.2，厚度为10～18nm。
[0012]进一步地，所述的栅极金属为Ni/Au，介于源极和漏极之间。
[0013]进一步地，所述的第二钝化层材料为SiN。
[0014]本专利技术还提供了一种栅极边缘介质钝化的耐压结构GaN HEMT器件的制备方法，包括如下步骤：
[0015]S1、外延片准备
[0016]利用MOCVD生长外延片，外延结构从下至上依次叠层设置为衬底、成核层、缓冲层、GaN沟道层、AlGaN层一、AlGaN层二；
[0017]S2、对外延片进行清洗
[0018]利用丙酮、乙醇、去离子水各超声5分钟清洗外延片；
[0019]S3、台面隔离
[0020]涂胶，前烘，光刻台面，利用ICP刻蚀设备进行台面隔离，刻蚀完成后去除光刻胶；
[0021]S4、源漏电极蒸镀
[0022]利用电子束蒸发台在AlGaN层二上进行源极、漏极金属的蒸镀，后放入丙酮溶液中超声对源漏区之外的区域进行金属剥离；
[0023]S5、源漏电极退火
[0024]在退火炉中N2氛围下830℃退火30s形成欧姆接触的源极和漏极；
[0025]S6、形成栅极边缘介质区域
[0026]在栅极边缘靠近漏极的区域对AlGaN层二进行部分刻蚀以形成栅极边缘介质区域沉积的区域；
[0027]S7、栅极边缘钝化层沉积
[0028]利用PECVD或ICPCVD设备沉积一层介质层，形成栅极边缘介质钝化层；
[0029]S8、刻蚀部分栅极边缘介质层
[0030]仅将栅极区域的介质刻蚀至AlGaN层表面；
[0031]S9、栅电极蒸镀
[0032]利用电子束蒸发台在AlGaN层二上进行栅电极的蒸镀；
[0033]S10、第二钝化层沉积
[0034]利用PECVD或ICPCVD设备在栅极和源极、栅极和漏极之间沉积第二钝化层。
[0035]本专利技术的有益效果：
[0036](1)本专利技术在栅极边缘沉积介质钝化，可以改善栅极电流的泄漏，提高击穿特性。
[0037](2)通过降低AlGaN势垒层顶部的Al组份来提高介电常数，降低了AlGaN材料顶部的极化电荷，使栅极靠近漏端的电场减小，栅极和漏极之间的电场分布更加均匀。
[0038](3)上方的第二钝化层的张应力补偿下方的栅极边缘介质的压应力，并对沟道层施加微弱的张应力可以改善GaN沟道层的二维电子气浓度，又补偿了因低Al本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种栅极边缘介质钝化的耐压结构GaN HEMT器件，其特征在于，包括从下至上依次设置的衬底、成核层、缓冲层、GaN沟道层、AlGaN层一、AlGaN层二、栅极边缘介质钝化层、源极和漏极，源极与漏极之间还设置有栅极、第二钝化层。2.一种如权利要求1所述的栅极边缘介质钝化的耐压结构GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、外延片准备利用MOCVD生长外延片，外延结构从下至上依次叠层设置为衬底、成核层、缓冲层、GaN沟道层、AlGaN层一、AlGaN层二；S2、对外延片进行清洗利用丙酮、乙醇、去离子水各超声5分钟清洗外延片；S3、台面隔离涂胶，前烘，光刻台面，利用ICP刻蚀设备进行台面隔离，刻蚀完成后去除光刻胶；S4、源漏电极蒸镀利用电子束蒸发台在AlGaN层二上进行源极、漏极金属的蒸镀，后放入丙酮溶液中超声对源漏区之外的区域进行金属剥离；S5、源漏电极退火在退火炉中N2氛围下830℃退火30s形成欧姆接触的源极和漏极；S6、形成栅极边缘介质区域在栅极边缘靠近漏极的区域对AlGaN层二进行部分刻蚀以形成栅极边缘介质区域沉积的区域；S7、栅极边缘钝化层沉积利用PECVD或ICPCVD设备沉积一层介质层，形成栅极边缘介质钝化层；S8、刻蚀部分栅极边缘介质层仅将栅极区域的介质刻蚀至AlGaN层表面；S9、栅电极蒸镀利用电子束蒸发台在AlGaN层二上进行栅电极的蒸镀；S10、第二钝化层沉...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈兴，李永军，王东，吴勇，黄永，常焕堉，郭昂，
申请(专利权)人：西安电子科技大学芜湖研究院，
类型：发明
国别省市：
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