CN104465748A - 一种新型GaN基增强型HEMT器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GaN基增强型HEMT器件，该HEMT器件包括：GaN本征层和势垒层依次生长在衬底上；高空穴浓度结构层覆盖在势垒层上表面部分区域；第一和第二金属电极位于势垒层上表面未被高空穴浓度结构层覆盖的部分区域；第三金属电极覆盖于高空穴浓度结构层的上表面；钝化介质层覆盖在得到的基板的上表面且形成台面图形；钝化保护层覆盖在钝化介质层的上表面。本发明还公开了一种GaN基增强型HEMT器件的制备方法。本发明可靠性高，重复性好，通过选择不同的组分渐变范围、不同的氮化物合金及其掺杂浓度和厚度可以实现对器件阈值电压的调节，使制得的器件满足不同的要求。

Description

一种新型GaN基增强型HEMT器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体器件制作领域，具体涉及在GaN异质结结构上加入新型组分渐变的p型多元氮化物合金的GaN基增强型HEMT器件及其制备方法。

背景技术

GaN材料因其具备禁带宽度大，临界击穿电场高，热导率高等特点，因此，在制备高压、高温、大功率和高密度集成的电子器件方面具有独特的优势。

GaN材料可以与AlGaN、InAlN等材料形成异质结结构。由于AlGaN或InAlN等势垒层材料存在自发极化和压电极化效应，因此会在异质结界面处形成高浓度和高迁移率的二维电子气(2DEG)。这种特性不仅可以提高GaN基器件的载流子迁移率和工作频率，还可以减小器件的导通电阻和开关延迟。

GaN基HEMT器件由于其具备击穿特性高，开关速度快，导通电阻小等特点，在电源管理、风力发电、太阳能电池、电动汽车等电力电子领域有着广泛的应用前景。与传统MOS器件相比，GaN基HEMT器件具有更快的开关速度并承受更高的反向电压，而且可以提高效率，减小损耗，节约能源，在600V-1200V器件范围内有着巨大的市场应用前景。但是目前GaN基HENT器件存在以下几个缺点：

1、由于材料自身的极化特性，在异质结界面存在高浓度的二维电子气，使得在零栅极偏压下器件处于导通状态，即为耗尽型器件(常开)，其电路设计要比增强型(常关)复杂的多，即增加电路设计的难度与成本。

2、从安全角度考虑，特别是应用于高压领域的器件，要求器件处于关断的状态，而耗尽型器件带来了很大的安全隐患。

3、从节能角度考虑，由于零栅压下，态耗尽型器件处于导通状态，会引起不必要的能量损耗。

针对这些缺点，通常采用刻蚀凹栅、F基离子注入、生长P-GaN或者p-AlGaN等应对方法来耗尽栅极下方沟道的二维电子气(2DEG)，以实现增强型器件。但凹栅刻蚀工艺难以精确控制，同时还容易带来损伤，会引起电流崩塌现象，恶化器件的可靠性，同时阈值电压也不高；F基离子注入也会带来一系列稳定性问题。无论是凹栅刻蚀还是F基离子注入都会对材料造成损伤，虽然经过退火能够消除一定的损伤，但是残留的损伤依然会对器件的稳定性和可靠性造成不利的影响，并且工艺的重复性也不高；在栅极生长单层p-GaN或者单层p-AlGaN是一种相对可靠性较高的实现增强型器件的方法，但是由于自补偿效应以及受主杂质激活能高等因素，使得受主掺杂原子的掺入效率低，很难实现高掺杂浓度的p型GaN以及AlGaN材料，因此p-GaN或者p-AlGaN的厚度需要相对的厚，但是厚的p-GaN或者p-AlGaN会降低栅极控制能力，引起器件性能劣化。

发明内容

为了克服以上现有技术存在的缺点，本发明的目的是提供一种新型的GaN基增强型HEMT器件及其制备方法，由于III-N材料的极化效应，在零偏压下，栅极存在高浓渡的2DEG，使得器件处于导通状态，本发明新型增强型GaN基HEMT器件在Al(In)GaN/GaN结构的基础上，栅极插入高空穴浓度结构层，该结构采用Al组分渐变的p型氮化物多元合金，有利于受主杂质的激活，可以获得高浓度的空穴，从而有效耗尽栅极2DEG，有效实现增强型器件。本发明可靠性高，重复性好。另外，对于本发明，通过选择不同的组分渐变范围、不同的氮化物合金及其掺杂浓度和厚度可以实现对器件阈值电压的调节，使制得的器件满足不同的要求。

根据本发明的一方面，提出一种GaN基增强型HEMT器件，该HEMT器件包括：衬底、GaN本征层、势垒层、高空穴浓度结构层、第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极、钝化介质层和钝化保护层，其中：

所述GaN本征层和势垒层依次生长在所述衬底上；

所述高空穴浓度结构层覆盖在所述势垒层上表面的部分区域；

所述第一金属电极位于所述势垒层上表面未被所述高空穴浓度结构层覆盖的部分区域；

所述第二金属电极位于所述势垒层上表面未被所述高空穴浓度结构层覆盖的另一部分区域；

所述第三金属电极覆盖于所述高空穴浓度结构层的上表面；

所述钝化介质层覆盖在所述势垒层上表面未被所述高空穴浓度结构层、第一金属电极和第二金属电极覆盖的区域、所述势垒层的端面、所述GaN本征层的部分端面以及所述GaN本征层上表面的部分区域；

所述钝化保护层覆盖在所述钝化介质层的上表面；

其中，所述第一金属电极和第二金属电极与势垒层之间形成欧姆接触，所述第三金属电极与高空穴浓度结构层之间形成肖特基接触。

根据本发明的另一方面，还提出一种GaN基增强型HEMT器件的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，在衬底上生长GaN本征层；

步骤2，在所述GaN本征层上生长势垒层；

步骤3，在所述势垒层和GaN本征层上形成台面图形；

步骤4，在台面图形上形成钝化介质层；

步骤5，对所述钝化介质层进行图形化，得到第一图形；

步骤6，在所述第一图形中选择性再生长高空穴浓度结构层；

步骤7，在得到的基板上形成钝化保护层；

步骤8，对所述钝化介质层和钝化保护层进行图形化，得到第二图形和第三图形；

步骤9，在所述第二图形和第三图形中分别制备第一金属电极和第二金属电极，并利用高温合金退火，使第一金属电极和第二金属电极与势垒层之间形成欧姆接触；

步骤10，对所述钝化保护层进行图形化，得到第四图形；

步骤11，在所述第四图形中制备第三金属电极，其中，所述第三金属电极与高空穴浓度结构层之间形成肖特基接触。

本发明的有益效果是：

1、插入高空穴浓度结构层，使得零栅压下器件处于关断状态，降低了外围电路的设计难度以及成本，符合电路对器件的要求；

2、采用Al组分渐变的p型氮化物多元合金，可以得到高浓度的空穴，从而可以有效的耗尽栅极沟道的2DEG，有效实现增强型器件；

3、通过选择不同的组分渐变范围、不同的氮化物合金及其掺杂浓度和厚度可以实现对器件阈值电压的调节，使器件满足不同的要求。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的GaN基增强型HEMT器件的结构示意图；

图2-图11为根据本发明一实施例的GaN基增强型HEMT器件的制备工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为根据本发明一实施例的GaN基增强型HEMT器件的结构示意图，如图1所示，在本发明一实施例中，所述GaN基增强型HEMT器件包括：衬底100、GaN本征层200、势垒层300、高空穴浓度结构层500、第一金属电极611、第二金属电极612、第三金属电极613、钝化介质层400和钝化保护层600，其中：

所述GaN本征层200和势垒层300依次生长在所述衬底100上；

所述高空穴浓度结构层500覆盖在所述势垒层300上表面的部分区域；

所述第一金属电极611位于所述势垒层300上表面未被所述高空穴浓度结构层500覆盖的部分区域；

所述第二金属电极612位于所述势垒层300上表面未被所述高空穴浓度结构层500覆盖的另一部分区域；

所述第三金属电极613覆盖于所述高空穴浓度结构层500的上表面；

所述钝化介质层400覆盖在所述势垒层300上表面未被所述高空穴浓度结构层500、第一金属电极611和第二金属电极612覆盖的区域、所述势垒层300的端面、所述GaN本征层200的部分端面以及所述GaN本征层200上表面的部分区域；

所述钝化保护层600覆盖在所述钝化介质层400的上表面；

其中，所述第一金属电极611和第二金属电极612与势垒层300之间形成欧姆接触，所述第三金属电极613与高空穴浓度结构层500之间形成肖特基接触。

其中，所述第一金属电极611为源极电极，所述第二金属电极612为漏极电极，所述第三金属电极613为栅极电极。

其中，所述衬底100可选为GaN、蓝宝石、Si、金刚石或SiC等衬底材料。

其中，所述GaN本征层200的厚度为50nm-10μm。

其中，所述势垒层300的制作材料可以为AlN、InN、AlGaN、InGaN或者InAlN，厚度可以为5nm-1μm。

在本发明一实施例中，所述高空穴浓度结构层500的制作材料为Al组分渐变的p型氮化物多元合金(如AlGaN、InGaN、InAlN、AlInGaN等)。

其中，所述高空穴浓度结构层500的p型氮化物的最大掺杂浓度为10⁵-10²²/cm^-3。

其中，所述钝化介质层400的厚度为5nm-1μm。

其中，所述钝化介质层400的制作材料可以为SiO₂、Si₃N₄、AlN、Al₂O₃、MgO、Sc₂O₃、TiO₂、HfO₂、BCB、ZrO₂、Ta₂O₅或La₂O₃等材料。

其中，所述钝化保护层600的厚度为20nm-1μm。

其中，所述钝化保护层600的制作材料可以为SiO₂、Si₃N₄、AlN、Al₂O₃、MgO、Sc₂O₃、TiO₂、HfO₂、BCB、ZrO₂、Ta₂O₅或La₂O₃等材料。

其中，所述第一金属电极611、第二金属电极612和第三金属电极613的制作材料可以为Ti、Al、Ni、Mo、Pt、Pd、Au、W、TiW、TiN及它们之间的任意组合。

图2-图11为根据本发明一实施例的GaN基增强型HEMT器件的制备工艺流程图，如图2-11所示，在本发明一实施例中，所述GaN基增强型HEMT器件的制备方法包括以下几个步骤：

步骤1，在衬底100上生长GaN本征层200，如图2所示；

其中，所述衬底100可选为GaN、蓝宝石、Si、金刚石或SiC等衬底材料。

其中，所述GaN本征层200的厚度为50nm-10μm。

步骤2，在所述GaN本征层200上生长势垒层300，如图2所示；

其中，所述势垒层300的制作材料可以为AlN、InN、AlGaN、InGaN或者InAlN。

其中，所述势垒层300的厚度为5nm-1μm。

步骤3，在所述势垒层300和GaN本征层200上形成台面图形301，以与其他GaN基增强型HEMT器件隔离，如图3所示；

在本发明一实施例中，利用离子注入、光刻和等离子体干法刻蚀技术形成台面图形301。

该步骤中，台面图形301的台面高度≥势垒层300的厚度。

步骤4，在台面图形301上形成钝化介质层400，如图4所示；

该步骤中，可采用淀积等常用工艺形成所述钝化介质层400，其中，淀积钝化介质层400的方式可以为溅射或化学气相沉积。

其中，所述钝化介质层400的厚度为20nm-1μm。

其中，所述钝化介质层400的制作材料可以为SiO₂、Si₃N₄、AlN、Al₂O₃、MgO、Sc₂O₃、TiO₂、HfO₂、BCB、ZrO₂、Ta₂O₅或La₂O₃等材料。

步骤5，对所述钝化介质层400进行图形化，得到第一图形401，如图5所示；

在本发明一实施例中，利用光刻、等离子体干法刻蚀技术或者湿法腐蚀技术对所述钝化介质层400进行图形化。

步骤6，在所述第一图形401中选择性再生长高空穴浓度结构层500，如图6所示；

在本发明一实施例中，所述高空穴浓度结构层500的制作材料为Al组分渐变的p型氮化物多元合金(如AlGaN、InGaN、InAlN、AlInGaN等)。

其中，所述高空穴浓度结构层500的p型氮化物的最大掺杂浓度为10⁵-10²²/cm^-3。

在本发明一实施例中，所述高空穴浓度结构层500通过生长和沉积的方式形成于所述第一图形401中，比如金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和/或原子层沉积(ALD)。

步骤7，在得到的基板上形成钝化保护层600，如图7所示；

该步骤中，可采用淀积等常用工艺形成所述钝化保护层600，其中，淀积钝化保护层600的方式可以为溅射或化学气相沉积。

其中，所述钝化保护层600的厚度为20nm-1μm。

其中，所述钝化保护层600的制作材料可以为SiO₂、Si₃N₄、AlN、Al₂O₃、MgO、Sc₂O₃、TiO₂、HfO₂、BCB、ZrO₂、Ta₂O₅或La₂O₃等材料。

步骤8，对所述钝化介质层400和钝化保护层600进行图形化，得到第二图形601和第三图形602，如图8所示；

在本发明一实施例中，利用光刻、等离子体干法刻蚀技术或者湿法腐蚀技术对所述钝化介质层400和钝化保护层600进行图形化。

步骤9，在所述第二图形601和第三图形602中分别制备第一金属电极611和第二金属电极612，如图9所示，并利用高温合金退火，使第一金属电极611和第二金属电极612与势垒层300之间形成欧姆接触；

在本发明一实施例中，利用光刻、电子束蒸发或者溅射技术制备金属电极。

其中，所述第一金属电极611和第二金属电极612的制作材料可以为Ti、Al、Ni、Mo、Pt、Pd、Au、W、TiW、TiN及它们之间的任意组合。

步骤10，对所述钝化保护层600进行图形化，得到第四图形603，如图10所示；

在本发明一实施例中，利用光刻，等离子体干法刻蚀技术或者湿法腐蚀技术对所述钝化保护层600进行图形化。

步骤11，在所述第四图形603中制备第三金属电极613，如图11所示，其中，所述第三金属电极613与高空穴浓度结构层500之间形成肖特基接触。

在本发明一实施例中，利用光刻，电子束蒸发或者溅射技术制备所述第三金属电极613。

其中，所述第三金属电极613的制作材料可以为Ti、Al、Ni、Mo、Pt、Pd、Au、W、TiW、TiN及它们之间的任意组合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种GaN基增强型HEMT器件，其特征在于，该HEMT器件包括：衬底、GaN本征层、势垒层、高空穴浓度结构层、第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极、钝化介质层和钝化保护层，其中：

所述GaN本征层和势垒层依次生长在所述衬底上；

所述高空穴浓度结构层覆盖在所述势垒层上表面的部分区域；

所述第一金属电极位于所述势垒层上表面未被所述高空穴浓度结构层覆盖的部分区域；

所述第二金属电极位于所述势垒层上表面未被所述高空穴浓度结构层覆盖的另一部分区域；

所述第三金属电极覆盖于所述高空穴浓度结构层的上表面；

所述钝化介质层覆盖在所述势垒层上表面未被所述高空穴浓度结构层、第一金属电极和第二金属电极覆盖的区域、所述势垒层的端面、所述GaN本征层的部分端面以及所述GaN本征层上表面的部分区域；

所述钝化保护层覆盖在所述钝化介质层的上表面；

其中，所述第一金属电极和第二金属电极与势垒层之间形成欧姆接触，所述第三金属电极与高空穴浓度结构层之间形成肖特基接触。

2.根据权利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述GaN本征层的厚度为50nm-10μm。

3.根据权利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述势垒层的制作材料为AlN、InN、AlGaN、InGaN或者InAlN，厚度为5nm-1μm。

4.根据权利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述高空穴浓度结构层的制作材料为Al组分渐变的p型氮化物多元合金。

5.根据权利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述高空穴浓度结构层的p型氮化物的最大掺杂浓度为10⁵-10²²/cm^-3。

6.根据权利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述钝化介质层的制作材料为SiO₂、Si₃N₄、AlN、Al₂O₃、MgO、Sc₂O₃、TiO₂、HfO₂、BCB、ZrO₂、Ta₂O₅或La₂O₃，厚度为5nm-1μm。

7.根据权利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述钝化保护层的制作材料为SiO₂、Si₃N₄、AlN、Al₂O₃、MgO、Sc₂O₃、TiO₂、HfO₂、BCB、ZrO₂、Ta₂O₅或La₂O₃，厚度为20nm-1μm。

8.一种GaN基增强型HEMT器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，在衬底上生长GaN本征层；

步骤2，在所述GaN本征层上生长势垒层；

步骤3，在所述势垒层和GaN本征层上形成台面图形；

步骤4，在台面图形上形成钝化介质层；

步骤5，对所述钝化介质层进行图形化，得到第一图形；

步骤6，在所述第一图形中选择性再生长高空穴浓度结构层；

步骤7，在得到的基板上形成钝化保护层；

步骤8，对所述钝化介质层和钝化保护层进行图形化，得到第二图形和第三图形；

步骤9，在所述第二图形和第三图形中分别制备第一金属电极和第二金属电极，并利用高温合金退火，使第一金属电极和第二金属电极与势垒层之间形成欧姆接触；

步骤10，对所述钝化保护层进行图形化，得到第四图形；

步骤11，在所述第四图形中制备第三金属电极，其中，所述第三金属电极与高空穴浓度结构层之间形成肖特基接触。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述台面图形的台面高度≥势垒层的厚度。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述高空穴浓度结构层的制作材料为Al组分渐变的p型氮化物多元合金。