CN113594232B - 一种多插指埋栅结构的增强型高压hemt器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多插指埋栅结构的增强型高压HEMT器件及其制备方法，包括依次层叠的应力释放层、高阻缓冲层、沟道层、插入层和势垒层；源极和漏极位于势垒层两端，与所述插入层接触；栅极位于势垒层上；栅电介质层，位于栅极和势垒层之间；包含插指埋栅单元的多插指埋栅结构，沿势垒层表面延伸至势垒层中一定深度，沿源极指向漏极的方向上，所述多插指埋栅结构与势垒层之间构成多个依次排列的PN结。本发明采用离子注入工艺形成的多插指埋栅结构的引入，大大提高了器件的耐压特性，同时减少了栅极的泄露电流，提升了饱和漏极电流的上限，在获得增强型器件的同时增大输出电流。
Description
技术领域
本发明涉及HEMT器件技术领域，尤其涉及一种多插指埋栅结构的增强型高压HEMT器件及其制备方法。
背景技术
AlGaN/GaN界面处因自发极化和压电极化形成的高迁移率电子密度的二维电子气(2DEG)。然而，高密度的2DEG会导致器件在零偏压状态下的HEMT器件处于导通状态，成为常开型器件。虽然常开的AlGaN/GaN用于低压和高频应用，但对于电源开关应用，常常需要常关特性来保证安全操作和简单的栅极驱动配置，从而保证在电力电子器件中的广泛应用。同时AlGaN/GaN HEMT器件结构在理论上具有很高的耐压特性，但实际击穿只有几百伏，距离GaN最大击穿极限还有很大差距。
目前实现常关特性也就是增强型HEMT功率器件的方法有凹栅结构、氟离子注入技术、P-GaN栅技术和级联结构，在这些结构中，或多或少都存在着不可避免的缺陷。(1)凹槽栅仅能降低栅下区域的极化电荷密度、势垒层的精确刻蚀在工艺中难以控制、阈值电压与AlGaN势垒层厚度密切，难以准确控制器件的阈值电压，其工艺重复性差。(2)氟离子注入在技术可控性、易操作性和减少晶格损伤等方面具有重要优势，但不可避免的会在沟道处产生少量氟离子、导致沟道处的载流子迁移率下降。(3)级联结构是将增强型MOSFET和高压耗尽型GaN HEMT器件全脸的电路结构设计，但这种方式存在成本高、电阻串联寄生效应、工作温度受限等问题。(4)P-GaN栅技术可以很好的避免上述的诸多问题，通过在栅极和AlGaN势垒层之间插入P-GaN层，提升势垒层的高度获得增强型器件，但目前P-GaN栅极技术仍存在栅极摆幅小，栅极驱动能力有限，且需要通过刻蚀选择性的去除P-GaN盖层，在此过程中下方的AlGaN势垒层会受到等离子体冲击的破坏，导致表面陷阱密度的增加和沟道处2DEG浓度和迁移率的下降，增加器件的导通电阻。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是提供一种多插指埋栅结构的增强型高压HEMT器件及其制备方法。该器件通过离子注入工艺，沿势垒层表面至一定深度处形成包含多个插指埋栅单元的多插指埋栅结构，使得栅下区域的AlGaN势垒层厚度得以减薄，降低了由于极化效应产生的2DEG浓度，同时由于在AlGaN势垒层上引入p型AlGaN埋栅使得沟道处AlGaN的导带升高到费米能级以上，导致2DEG耗尽获得高阈值电压。由于常规P-GaN HEMT为保证能够在正常情况下处于关断状态需要较薄的AlGaN厚度，同样其非栅区域的AlGaN厚度较薄，产生的2DEG浓度较低，使得饱和漏极电流受限。而本发明多插指埋栅结构的HEMT器件，其栅下区域是通过离子注入方式将n型AlGaN转变为p型AlGaN，使得其栅下区域n型AlGaN的厚度可控，从而允许非栅区域更大的AlGaN厚度，提升了饱和漏极电流的上限，在获得增强型器件的同时增大输出电流。多插指埋栅结构的表面布置一栅电介质层，在获得增强型器件的同时作为保护层，防止高温退火过程中离子注入区域的损坏和分解，减少了栅下区域附近的缺陷和杂质，从而使得器件在正常工作时，减小栅极泄露电流对器件的影响。
另外，本发明通过离子注入获得的多插指结构p型AlGaN埋栅，会在栅下区域与非故意掺杂的n-AlGaN在水平方向形成多个P-N结，P-N结可在相同峰值电场下承受更高的反向偏置。在栅极处于关断状态下，漏极正偏置情况下，P-N结处于反向偏置状态，其外加偏压在空间电荷区所产生的电场与PN结内建电场一致，因此空间电荷区的电场增强、其耗尽区域向两侧延伸，增加了耗尽区的宽度，提升势垒高度。由于外加电压和接触电势差都降落在耗尽层中，则更宽的耗尽区能够承受更多的电压，大大提高了器件的耐压特性，同时减少了栅极的泄露电流。
从工艺方面来看，本发明提出的器件是对AlGaN势垒层中拟定的栅下区域直接进行离子注入获得P-AlGaN埋栅。相比于常规P-GaN HEMT功率器件制造中先在势垒层上生长一层厚的p型GaN层，再刻蚀该p型GaN层仅留下栅区的GaN层形成GaN帽层的工艺，本发明采用能够通过精确掺杂、且能够与金属氧化物半导体技术高度兼容的离子注入工艺简化了器件的制造工艺，同时避免了传统的ICP刻蚀工艺容易产生大量的缺陷和杂质，造成AlGaN表面的界面态问题，同时缺陷和杂质也容易形成漏电路径，导致栅极电压的提前击穿。
为了达到上述目的，本发明至少采用如下技术方案：
本发明的一方面提供一种多插指埋栅结构的增强型高压HEMT器件，包括依次层叠的应力释放层、高阻缓冲层、沟道层、插入层和势垒层；其中，
源极和漏极，位于势垒层两端，与所述插入层接触；
栅极，位于势垒层上；
栅电介质层，位于栅极和势垒层之间；
包含插指埋栅单元的多插指埋栅结构，沿势垒层表面延伸至势垒层中一定深度，沿源极指向漏极的方向上，所述多插指埋栅结构与势垒层之间构成多个依次排列的PN结。
进一步地，所述多插指埋栅结构包含至少三个采用离子注入工艺形成的插指埋栅单元，所述插指埋栅单元沿源极指向漏极的方向上依次间隔排列。
进一步地，所述多插指埋栅结构沿源极指向漏极方向上的宽度等于栅极的宽度。
进一步地，所述多插指埋栅结构的厚度小于所述势垒层，所述势垒层选用n型AlGaN层，其Al组分选用0.1～0.3，厚度选用30～50nm；所述多插指埋栅结构的掺杂浓度大于等于108cm-3，厚度为10～30nm。
进一步地，所述栅电介质层选用HfO2、Al2O3、TiO2或SiO2，其厚度为5～10nm。
进一步地，所述沟道层选用GaN沟道层，其厚度为50～70nm；所述插入层选用AlN插入层，其厚度为1～2nm。
进一步地，AlGaN势垒层的厚度选用30nm，其Al组分选用0.24。
进一步地，所述应力释放层选用AlN应力释放层；所述高阻缓冲层选用GaN高阻层。
进一步地，还包括钝化层，布置于源/漏极与栅极之间的势垒层表面。
本发明的另一方面提供一种多插指埋栅结构的增强型高压HEMT器件，包括以下步骤：
在衬底上依次生长应力释放层、高阻缓冲层、沟道层、插入层和势垒层；
采用离子注入工艺在势垒层表面的预定区域形成一定深度的多插指埋栅结构，所述多插指埋栅结构包含多个间隔排列的插指埋栅单元，所述插指埋栅单元的导电类型与所述势垒层相反；
在多插指埋栅结构表面沉积栅电介质层，随后进行高温退火；
刻蚀所述势垒层形成源极和漏极区域，沉积源极和漏极金属；
在栅电介质层上形成栅极区域，沉积栅极金属；
沉积钝化层覆盖栅极与源极之间的区域，以及覆盖栅极与漏极之间的区域；
其中，所述插指埋栅单元沿源极指向漏极的方向上依次间隔排列。
附图说明
图1是本发明实施例增强型高压HEMT器件的结构示意图。
图2是本发明实施例增强型高压HEMT器件与传统p-GaN帽层器件的工艺步骤对比图。
图3是本发明实施例增强型高压HEMT器件中多插指埋栅结构区域的P-N结工作状态示意图。
图4是本发明实施例增强型高压HEMT器件的直流特性图。
图5是本发明实施例增强型高压HEMT器件的转移特性图。
图6是本发明实施例增强型高压HEMT器件的击穿电压图。
具体实施方式
接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从公开商业途径获得。
本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。
另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。
如图1所示，本发明一实施例提供一种多插指埋栅结构的增强型高压HEMT器件，包括依次层叠于衬底1上的应力释放层2、高阻缓冲层3、沟道层4、插入层5和势垒层6。衬底1可包括蓝宝石、Si或SiC，本实施例中优选成本低廉且晶体质量高的蓝宝石衬底。应力释放层2选用AlN材料。优选地，采用磁控溅射工艺在衬底表面生长一层15nm厚的AlN应力释放层。高阻缓冲层3优选GaN高阻缓冲层，其厚度为2～5um，本实例中，GaN高阻缓冲层的厚度选用3um。GaN高阻缓冲层通过MOCVD工艺生长在AlN应力释放层上，有效地抑制了衬底向GaN层中的氧扩散，获得的高阻GaN质量较高，缓解了缓冲层泄露问题、预防了器件的提前击穿，降低背景载流子浓度。
沿着材料生长的方向为正方向，图1所示的实例中。继续选用MOCVD生长工艺在GaN缓冲层表面依次生长沟道层4、插入层5和势垒层6。沟道层4优选GaN沟道层，沟道层的厚度为70nm。插入层5优选AlN插入层，其厚度优选1nm。势垒层6优选n型AlGaN势垒层。由于AlGaN势垒层的厚度和Al组分是异质结能带图的两个重要参数，为了在零偏压的平衡条件下实现常关行为，AlGaN势垒层的厚度优选30nm，Al组分优选0.24。AlGaN势垒层6与GaN沟道层4由于自身的自发极化和压电极化在AlGaN/GaN表面靠近GaN沟道层一侧形成高电子迁移率、高浓度的2DEG。AlN插入层5能够帮助在AlGaN/GaN表面形成更深更窄的三角形势阱，进一步提升沟道电子密度，同时抑制2DEG泄露到AlGaN势垒层中，降低了泄露电流，减缓了电流崩塌现象。
多插指埋栅结构7沿势垒层的预定表面区域延伸至势垒层中一定深度。具体地，多插指埋栅结构7包含多个间隔排布的插指埋栅单元。优选地，多插指埋栅结构7的总宽度为1μm；采用离子注入工艺在势垒层6表面的预定区域形成3块间隔排布的宽度(即源极指向漏极或漏极指向源极的方向)为0.2μm、厚度为15nm的p型AlGaN插指埋栅单元，插指埋栅单元的间隔为0.2μm。本说明书中如无其它特殊说明，宽度指源极指向漏极或漏极指向源极的方向。该多插指埋栅结构的布置在竖直方向上(即垂直于衬底的方向上)具有减薄栅下势垒层、提升AlGaN势垒层的导带高度、耗尽栅下2DEG浓度、避免P-GaN帽层的再生长、减少ICP刻蚀带来的损伤等优势。在水平方向上，3块p型AlGaN埋栅与n型AlGaN势垒层形成了多个P-N结结构，在施加漏极偏压的情况下，P-N结结构类似于二极管处于反偏置状态，耗尽区增大，能够承受更多的电压降，从而提升了器件的耐压特性，大大提高了临界击穿电压，临界电压值达到了1948V左右，相较于常规P-GaN帽层HEMT器件几百伏的击穿电压，该多插指埋栅结构的布置大幅度的提高了器件的耐压特性。
栅电介质层8布置于多插指埋栅结构7的表面。该实施例中，栅电介质层8选用SiO2。栅电介质层8作为后续退火工艺的保护层，该介质层的设置能够抑制高温退火器件的表面分解，同时减小栅极的泄露电流。
栅极11设置于栅电介质层8的表面，栅极选用Ti/Al/Mo/Au。漏极9和源极12设置于势垒层6的两端，与插入层5的表面接触。漏极9和源极12选用Ti/Al/Ni/Au合金或者Ti/Al/Ti/TiN合金。钝化层10设置于势垒层6的表面，布置于栅极11和源极12以及漏极9之间。该实施例中，钝化层选用Si3N4。P型AlGaN多插指埋栅结构、栅电介质层和金属栅极形成了MIS-HEMT凹槽栅结构。
为了更清楚的了解本发明的器件，接下来结合上述增强型高压HEMT器件结构，介绍该器件的制备方法。
首先，采用磁控溅射工艺在蓝宝石衬底上生长一层15nm厚的应力释放层。然后选用MOCVD生长工艺在应力释放层上生长3um厚的GaN高阻缓冲层、70nm的GaN沟道层、1nm的AlN插入层和30nm厚的AlGaN势垒层，AlGaN势垒层中Al组分为0.24。
接着，在AlGaN势垒层表面的预定区域形成掩膜图案，采用离子注入工艺在该预定区域形成多插指埋栅结构，该多插指埋栅结构包含3个间隔0.2um排列的p型插指埋栅单元，插指埋栅单元的掺杂浓度大于等于108cm-3，厚度为15nm，宽度为0.2um。
去除掩膜图案，旋涂光刻胶层，形成栅电介质层的预定光刻胶图案，沉积SiO2层，去除光刻胶图案，形成SiO2栅电介质层。随后进行高温退火工艺，优选地，在N2气氛中，在1230℃的温度下退火30分钟激活p型插指埋栅单元的掺杂离子。此时SiO2栅电介质层作为离子注入区域的保护层，抑制高温退火过程中离子注入区域表面的分解，减少了栅极区域附近的缺陷和杂质，从而使得器件在正常工作时，减小栅极泄露电流对器件的影响。
接着，沉积掩膜层形成掩膜图案，以掩膜图案为掩膜刻蚀势垒层的两端，形成源极和漏极区域，沉积金属层形成源极和漏极。源极和漏极金属层选用Ti/Al/Ni/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金。
继续沉积掩膜层形成掩膜图案，暴露栅电介质层形成栅极区域，沉积金属层形成栅极。栅极金属层选用Ti/Al/Mo/Au。
最后，沉积Si3N4钝化层填充栅极和源极之间的区域，以及填充栅极和漏极之间的区域。
图3是该实施例中多插指埋栅结构区域的P-N结工作状态示意图，该工作状态中源极接地、栅极零偏置处于关断状态、漏极正偏置情况下p型AlGaN多插指埋栅与n型AlGaN势垒层形成多个P-N结。该P-N结可以看做二极管，在外界施加正偏压的情况下，3个P-N结处于反向偏置状态，其耗尽区变宽，大大提高了器件的耐压程度，同时降低了栅极泄露电流。
图4示出了该实施例的器件直流特性图，可以看到在栅极电压6V的情况下，饱和输出电流达到将近600mA/mm。由图5的器件转移特性图可知，在漏极电压10V的情况下，其阈值电压为3V左右。根据图6的器件击穿电压特性曲线可知，栅极电压设置为-1V，沟道处于关断状态，漏极不断增压，器件的临界击穿电压值达到了1948V。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多插指埋栅结构的增强型高压HEMT器件，其特征在于，包括依次层叠的应力释放层、高阻缓冲层、沟道层、插入层和势垒层；其中，
源极和漏极，位于势垒层两端，与所述插入层接触；
栅极，位于势垒层上；
栅电介质层，位于栅极和势垒层之间；
包含至少三个p型插指埋栅单元的多插指埋栅结构，沿势垒层表面延伸至势垒层中一定深度，沿源极指向漏极的方向上，所述插指埋栅单元依次间隔排列，且所述多插指埋栅结构沿源极指向漏极方向上的宽度等于栅极的宽度，所述多插指埋栅结构与势垒层之间构成依次排列的PN结；
还包括布置于源/漏极与栅极之间的势垒层表面的钝化层。
2.根据权利要求1的所述增强型高压HEMT器件，其特征在于，所述多插指埋栅结构采用离子注入工艺形成。
3.根据权利要求2的所述增强型高压HEMT器件，其特征在于，所述多插指埋栅结构的厚度小于所述势垒层，所述势垒层选用n型AlGaN层，其Al组分选用0.1~0.3，厚度选用30~50nm；所述多插指埋栅结构的掺杂浓度大于等于108cm-3，厚度为10~30nm。
4.根据权利要求1、2或3的所述增强型高压HEMT器件，其特征在于， 所述栅电介质层选用HfO2、Al2O3、TiO2或SiO2，其厚度为5~10nm。
5.根据权利要求1、2或3的所述增强型高压HEMT器件，其特征在于，所述沟道层为GaN沟道层，其厚度为50~70nm；所述插入层选用AlN插入层，其厚度为1~2nm。
6.根据权利要求5的所述增强型高压HEMT器件，其特征在于，AlGaN势垒层的厚度选用30nm，其Al组分选用0.24。
7.根据权利要求5的所述增强型高压HEMT器件，其特征在于，所述应力释放层选用AlN应力释放层；所述高阻缓冲层选用GaN高阻层。
8.一种多插指埋栅结构的增强型高压HEMT器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上依次生长应力释放层、高阻缓冲层、沟道层、插入层和势垒层；
采用离子注入工艺在势垒层表面的预定区域形成一定深度的多插指埋栅结构，沿源极指向漏极的方向上，所述多插指埋栅结构包含至少三个间隔排列的p型插指埋栅单元，所述多插指埋栅结构沿源极指向漏极方向上的宽度等于栅极的宽度，所述多插指埋栅结构与势垒层之间构成依次排列的PN结；
在多插指埋栅结构表面沉积栅电介质层，随后进行高温退火；
刻蚀所述势垒层形成源极和漏极区域，沉积源极和漏极金属；
在栅电介质层上形成栅极区域，沉积栅极金属；
沉积钝化层覆盖栅极与源极之间的区域，以及覆盖栅极与漏极之间的区域。
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