專利名稱：基于組份漸變GaN MISFET的GaN器件及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)及制作方法，具體的 說(shuō)是一種基于組份漸變GaN MISFET的GaN器件及制備方法，可用于大功 率GaN器件的制作。
技術(shù)背景近年來(lái)以SiC、 GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料由于具有大禁 帶寬度、高臨界場(chǎng)強(qiáng)、髙熱導(dǎo)率、高載流子飽和速率、異質(zhì)結(jié)界面二維電 子氣濃度高等優(yōu)良特性，使其受到了人們廣泛的關(guān)注。在理論上，利用這 些材料制作的高電子遷移率晶體管HEMT、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管HBT、發(fā)光 二極管LED、激光二極管LD等器件將具有現(xiàn)有器件無(wú)法比擬的優(yōu)異性能， 因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了廣泛而深入的研究并相繼取得了令人矚目的 成果?，F(xiàn)有的GaN功率器件多使用SisN4和Si02兩種材料作為器件的帽層， 構(gòu)成MISFET或MOSFET兩種結(jié)構(gòu)，但由于這兩種材料無(wú)法和GaN材料 進(jìn)行一次生長(zhǎng)，而必須單獨(dú)的進(jìn)行二次生長(zhǎng)，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)仍存在較高的表 面態(tài)和缺陷，使得器件的漏電流較高；同時(shí)，這兩種材料多為多晶結(jié)構(gòu)導(dǎo) 致器件的耐壓特性較差，無(wú)法發(fā)揮出GaN材料擊穿電壓高的特點(diǎn)，難以進(jìn) 一步提高器件的功率密度；此外，現(xiàn)有的平面結(jié)構(gòu)GaN MISFET由于AlGaN 層通常為高Al組份摻雜，使得Al組份的提高與制作歐姆接觸之間產(chǎn)生矛 盾，即為了獲得更高得二維電子氣濃度，要求提高A1組份，而為了制作較 好的歐姆接觸，Al組份又不能太高。以Arulkumamn等人的研究為例，見 Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures, March 2003， Volume 21, Issue 2, pp. 888-894 ，其AlGaN層的 Al組份高達(dá)43。/。，此時(shí)器件的歐姆接觸制作較為困難，嚴(yán)重制約了器件性 能的提高。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于組份漸變GaNMISFET的GaN器件及制備方法，以降低GaN器件漏電流、解決Al 組份與歐姆接觸之間的矛盾。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是采用了 A1N材料作為器件的帽層，并同 時(shí)采用了組份漸變的AlGaN材料層和臺(tái)階結(jié)構(gòu)，形成一種新的GaN MISFET結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)包括襯底層、緩沖層、GaN本征材料層、A1N隔離層 及源、漏、柵電極，其中在AlN隔離層上依次設(shè)有AlGaN組份漸變層和A1N 帽層，該AlGaN漸變層和A1N帽層通過(guò)刻蝕后構(gòu)成臺(tái)階結(jié)構(gòu)，并從各臺(tái)階 面上引出電極。本發(fā)明器件的制作方法包括1. 以藍(lán)寶石作為襯底，其過(guò)程如下 在藍(lán)寶石襯底上外延一層GaN緩沖層； 在該緩沖層上淀積一層GaN本征材料層作為器件的工作區(qū)； 在所述的GaN本征層上淀積一層A1N材料作為隔離層；在A1N隔離層上淀積AlGaN組份漸變層； 在AlGaN組份漸變層上淀積A1N帽層；在AlGaN組份漸變層和A1N帽層上制作掩膜，刻蝕出用于淀積柵極金 屬接觸、漏極和源極歐姆接觸的臺(tái)階，分別在臺(tái)階的不同位置淀積金屬， 制作源極和漏極的歐姆接觸與柵極的金屬接觸。2. 以碳化硅作為襯底，其過(guò)程如下-在SiC材料襯底上外延一層A1N緩沖層； 在該緩沖層上淀積一層本征GaN材料層作為器件的工作區(qū)； 在所述的GaN本征層上淀積一層A1N材料作為隔離層； 在A1N隔離層上淀積AlGaN組份漸變層； 在AlGaN組份漸變層上淀積A1N帽層；在AlGaN組份漸變層和A1N帽層上制作掩膜，刻蝕出用于淀積柵極 金屬接觸、漏極和源極歐姆接觸的臺(tái)階，分別在臺(tái)階的不同位置淀積金屬，
制作源極和漏極的歐姆接觸與柵極的金屬接觸。本發(fā)明由于采用了單晶A1N材料帽層、組份漸變勢(shì)壘層以及臺(tái)階結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有大功率GaN器件比較具有以下優(yōu)點(diǎn)首先，單晶A1N材料帽層避免了傳統(tǒng)采用SiCb和Si3N4帽層必須二次生長(zhǎng)的問(wèn)題，有效的降低了器件表面的態(tài)密度，從而大幅降低器件的漏電流；第二， A1N的單晶特性和高K 特性大幅提高了器件的柵壓和器件的功率密度;第三，使用組份漸變AlGaN 替代了傳統(tǒng)的固定Al組份AlGaN層，使用臺(tái)階結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)GaN HEMT 器件的平面結(jié)構(gòu)，這兩個(gè)特征結(jié)合在一起有效地解決了單晶A1N帽層與 AlGaN層之間的高應(yīng)力與制作高Al組份歐姆接觸的矛盾。由于AlGaN層 在靠近A1N帽層一側(cè)的Al組份高于靠近A1N隔離層一側(cè)的Al組份，因而 使A1N帽層生長(zhǎng)在高Al組份的AlGaN上可降低晶格失配造成的高應(yīng)力， 而在刻蝕出臺(tái)階結(jié)構(gòu)后，源極和漏極的歐姆接觸制作在AlGaN層Al組份 較低的臺(tái)面上，可降低制作歐姆接觸的難度。以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容。


圖l是本發(fā)明器件的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明器件的制作流程圖；圖3是本發(fā)明的碳化硅襯底器件結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明的藍(lán)寶石襯底器件結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)Dl，本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)自下而上為襯底l、緩沖層2、 GaN本 證層3、A1N隔離層4、AlGaN組份漸變層5、A1N帽層6。經(jīng)過(guò)刻蝕后AlGaN 漸變層和A1N帽層構(gòu)成器件的臺(tái)階，且AlGaN層在靠近A1N帽層一側(cè)的 Al組份高于靠近A1N隔離層一側(cè)的Al組份，以降低晶格失配造成的高應(yīng) 力和制作歐姆接觸的難度。在A1N帽層6的臺(tái)面上制作柵極金屬接觸8， 在AlGaN組份漸變層5兩端的臺(tái)面上分別制作漏極歐姆接觸7和源極歐姆 接觸9。該A1N隔離層4，能夠進(jìn)一步提高導(dǎo)帶斷續(xù)，增加GaN本征層3 中的二維電子氣的濃度；同時(shí)能夠隔離AlGaN漸變層5中電離雜質(zhì)對(duì)二維 電子氣的散射作用，提高導(dǎo)電溝道中電子的遷移率。 參照?qǐng)D2，本發(fā)明的制作過(guò)程如下選擇藍(lán)寶石或SiC材料作為器件的襯底材料，并在其上使用MOCVD 方法外延一層GaN或A1N作為器件的緩沖層；在緩沖層上使用MOCVD方法外延厚度為1~3微米，不摻雜的GaN 本征材料層作為器件的工作區(qū)；在GaN本征層上使用MOCVD方法外延一層A1N材料隔離層。該A1N 材料能夠增強(qiáng)器件導(dǎo)帶的不連續(xù)性，提高GaN材料工作區(qū)中二維電子氣的 濃度；在A1N隔離層上使用MOCVD方法外延一個(gè)Al組份漸變的AlGaN漸變層。該層的Al組份在10%到70%范圍內(nèi)連續(xù)變化；在AlGaN漸變層上使用MOCVD方法外延一層A1N帽層；將頂部的A1N帽層兩側(cè)刻蝕掉，并將AlGaN漸變層兩側(cè)的一部分也刻蝕掉，中間的A1N帽層不進(jìn)行刻蝕，位置最高，形成中間高、兩邊低的臺(tái)階結(jié)構(gòu)；在A1N帽層的臺(tái)面上制作柵極金屬接觸，在AlGaN組份漸變層兩端的 臺(tái)面上分別制作漏極歐姆接觸和源極歐姆接觸。 實(shí)施例l用本發(fā)明方法制作碳化硅襯底的大功率GaNMISFET器件過(guò)程。第一步，在SiC襯底材料上采用MOCVD方法，用溫度為1050度， 壓力為20Torr的條件淀積一層厚度為50納米的A1N材料，作為后續(xù)生長(zhǎng) GaN材料的緩沖層。第二步，在緩沖層上采用MOCVD技術(shù)，在溫度為1000度，壓力為 20Torr的條件下，淀積一層厚度為2微米的GaN本征層。第三步，在GaN本征層上采用MOCVD技術(shù)，在溫度為1000度，壓 力為20Torr的條件下淀積一層厚度為1納米的A1N材料層。第四步，在AIN材料層上采用MOCVD技術(shù)，在溫度為1000度，壓 力為20Torr的條件下淀積厚度為10納米，Al組份為從10%漸變到60%的 AlGaN組份漸變材料層。隨著A1組份的增加，溫度逐漸從1000度增加到 1020度。
第五步，在AlGaN組份漸變材料層上采用MOCVD技術(shù)，在溫度為 1020度，壓力為20Torr條件下淀積厚度為3納米的A1N材料，該A1N材料作為器件的帽層。第六步，在A1N帽層上制作掩膜，刻蝕出如附圖3所示的用于淀積漏 極和源極歐姆接觸的臺(tái)階。第七步，使用電子束蒸發(fā)技術(shù)分別在兩邊的臺(tái)階上淀積金屬Ni/Au作 為源極和漏級(jí)的歐姆接觸以及在中間的臺(tái)階上淀積金屬Ni/Au作為柵極的 金屬接觸。 實(shí)施例2用本發(fā)明方法制作藍(lán)寶石襯底的大功率GaN MISFET器件過(guò)程。第一步，在藍(lán)寶石襯底材料上采用MOCVD技術(shù)，在溫度為550度， 壓力為40Torr的條件下淀積一層厚度為100納米的GaN材料，作為后續(xù)生 長(zhǎng)GaN材料的緩沖層。第二步，在緩沖層上采用MOCVD技術(shù)，在溫度為900度，壓力為40Torr 的條件下，淀積一層厚度為3微米的GaN本征層。第三步，在GaN本征層上采用MOCVD技術(shù)，在溫度為1000度，壓 力為20Torr的條件下淀積一層厚度為2納米的A1N隔離層。第四步，在A1N隔離層上采用MOCVD技術(shù)，在溫度為1000度，壓 力為20Torr的條件下淀積厚度為15納米，Al組份為從10%漸變到50% 的AlGaN漸變層，隨著Al組份的增加，溫度從1000度逐漸增加到1020 度。第五步，AlGaN漸變層上采用MOCVD技術(shù)，在溫度為1020度，壓 力為20Torr的條件下淀積厚度為3納米的A1N材料。該A1N材料作為器 件的帽層。第六步，在A1N帽層上制作掩膜，刻蝕出入附圖4所示的用于淀積漏 極和源極歐姆接觸的臺(tái)階。第七步，使用電子束蒸發(fā)技術(shù)分別在兩邊的臺(tái)階上淀積金屬Ni/Au作 為源極和漏級(jí)的歐姆接觸以及在中間的臺(tái)階上淀積金屬Ni/Au作為柵極的 金屬接觸。
參照?qǐng)D3，本發(fā)明的碳化硅襯底的大功率GaNMISFET器件結(jié)構(gòu)自下 而上依次為碳化硅襯底、A1N緩沖層、GaN本征層、A1N隔離層、AlGaN 漸變層、A1N帽層。其中在AlGaN和A1N帽層上刻蝕有中間高兩邊低的臺(tái) 階結(jié)構(gòu)，在中間的最高的帽層臺(tái)面上制作Ni/Au柵極金屬接觸、在兩邊最 低的AlGaN漸變層臺(tái)面上制作Ni/Au歐姆接觸。參照?qǐng)D4，本發(fā)明的藍(lán)寶石襯底的大功率GaNMISFET器件結(jié)構(gòu)自下 而上依次為藍(lán)寶石襯底、GaN緩沖層、GaN本征層、A1N隔離層、AlGaN 漸變層、A1N帽層。其中在AlGaN和A1N帽層上刻蝕有中間高兩邊低的臺(tái) 階結(jié)構(gòu)，在中間的最高的帽層臺(tái)面上制作Ni/Au柵極金屬接觸、在兩邊最 低的AlGaN漸變層臺(tái)面上制作Ni/Au歐姆接觸。對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來(lái)說(shuō)，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，能夠在 不背離本發(fā)明的原理和范圍的情況下，根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行形式和細(xì)節(jié) 上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán) 利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于組份漸變GaN MISFET的GaN器件，包括底層(1)、緩沖層(2)、本征GaN材料層(3)、AlN隔離層(4)及源、漏、柵電極，其特征在于在AlN隔離層上依次設(shè)有AlGaN組份漸變層(5)和AlN帽層(6)，該AlGaN漸變層和AlN帽層通過(guò)刻蝕后構(gòu)成的臺(tái)階結(jié)構(gòu)，并在各臺(tái)階面上制作歐姆接觸和金屬接觸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的GaN器件，其特征在于A1N帽層 (6)的臺(tái)面上制作柵極金屬接觸8， AlGaN組份漸變層(5)兩端的臺(tái)面上分別制作漏極歐姆接觸(7)和源極歐姆接觸(9)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的GaN器件，其特征在于AlGaN層在 靠近A1N帽層一側(cè)的Al組份高于靠近A1N隔離層一側(cè)的Al組份，以降低晶格失配造成的高應(yīng)力和制作歐姆接觸的難度。
4. 一種制作權(quán)利要求l所述的GaN器件方法，包括如下過(guò)程 在藍(lán)寶石襯底上外延一層GaN緩沖層；在該緩沖層上分別淀積一層GaN本征材料層作為器件的工作區(qū)；在所述的GaN本征層上淀積一層A1N材料作為隔離層； 在A1N隔離層上淀積AlGaN組份漸變層； 在AlGaN組份漸變層上淀積A1N帽層；在AlGaN組份漸變層和A1N帽層上制作掩膜，刻蝕出用于淀積 柵極金屬接觸、漏極和源極歐姆接觸的臺(tái)階，分別在臺(tái)階的不同位 置淀積金屬，制作源極和漏極的歐姆接觸與柵極的金屬接觸。
5. —種制作權(quán)利要求l所述的GaN器件方法，包括如下過(guò)程 在SiC材料襯底上外延一層A1N緩沖層； 在該緩沖層上分別淀積一層GaN本征材料層作為器件的工作區(qū)；在所述的GaN本征層上淀積一層A1N材料作為隔離層；在A1N隔離層上淀積AlGaN組份漸變層； 在AlGaN組份漸變層上淀積A1N帽層；在AlGaN組份漸變層和A1N帽層上制作掩膜，刻蝕出用于淀積 柵極金屬接觸、漏極和源極歐姆接觸的臺(tái)階，分別在臺(tái)階的不同位 置淀積金屬，制作源極和漏極的歐姆接觸與柵極的金屬接觸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于在A1N隔離層上淀 積AlGaN組份漸變層的壓力為20Torr，溫度為1000度 1020度，Al 組份為從10%漸變到50%，隨著A1組份的增加，溫度從1000度逐 漸增加到1020度。
7. 根據(jù)權(quán)利要4、 5所述的方法，其特征在于在AlGaN組份漸變 層上淀積A1N帽層的溫度為i000度 1020度，壓力為20Torr。
8. 根據(jù)權(quán)利要5所述的方法，其特征在于在A1N隔離層上淀積 AlGaN組份漸變層的溫度為1000度 1020度，壓力為20Torr， Al組 份為從10%漸變到60%，隨著A1組份的增加，溫度從1000度逐漸 增加到1020度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于組份漸變GaN MISFET的GaN器件及制備方法。該器件包括底層(1)、緩沖層(2)、本征GaN材料層(3)、AlN隔離層(4)及源(7)、漏(8)、柵(9)極接觸，其中AlN隔離層上依次設(shè)有AlGaN組份漸變層(5)和AlN帽層(6)。該器件的制作過(guò)程是在藍(lán)寶石或碳化硅襯底上依次外延GaN或AlN緩沖層、淀積GaN本征層、淀積AlN隔離層；淀積AlGaN組份漸變層、淀積AlN帽層，并分別將頂部的AlN帽層兩側(cè)和AlGaN漸變層兩側(cè)的一部分刻蝕掉，形成中間高、兩邊低的臺(tái)階結(jié)構(gòu)，在該臺(tái)階的不同臺(tái)面上分別制作源極和漏極的歐姆接觸與柵極的金屬接觸。本發(fā)明具有漏電流小、柵壓高的優(yōu)點(diǎn)，可用于制作大功率微波器件。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101132022SQ20071001877
公開日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2007年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月29日
發(fā)明者張進(jìn)城, 躍 郝, 陳軍峰 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)