一種新型GaN基增強型HEMT器件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種GaN基增強型HEMT器件，該HEMT器件包括：GaN本征層和勢壘層依次生長在襯底上；高空穴濃度結(jié)構層覆蓋在勢壘層上表面部分區(qū)域；第一和第二金屬電極位于勢壘層上表面未被高空穴濃度結(jié)構層覆蓋的部分區(qū)域；第三金屬電極覆蓋于高空穴濃度結(jié)構層的上表面；鈍化介質(zhì)層覆蓋在得到的基板的上表面且形成臺面圖形；鈍化保護層覆蓋在鈍化介質(zhì)層的上表面。本發(fā)明還公開了一種GaN基增強型HEMT器件的制備方法。本發(fā)明可靠性高，重復性好，通過選擇不同的組分漸變范圍、不同的氮化物合金及其摻雜濃度和厚度可以實現(xiàn)對器件閾值電壓的調(diào)節(jié)，使制得的器件滿足不同的要求。
【專利說明】一種新型GaN基增強型HEMT器件及其制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體器件制作領域，具體涉及在GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構上加入新型組分漸變的P型多元氮化物合金的GaN基增強型HEMT器件及其制備方法。

【背景技術】
[0002]GaN材料因其具備禁帶寬度大，臨界擊穿電場高，熱導率高等特點，因此，在制備高壓、高溫、大功率和高密度集成的電子器件方面具有獨特的優(yōu)勢。
[0003]GaN材料可以與AlGaN、InAlN等材料形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構。由于AlGaN或InAlN等勢壘層材料存在自發(fā)極化和壓電極化效應，因此會在異質(zhì)結(jié)界面處形成高濃度和高遷移率的二維電子氣(2DEG)。這種特性不僅可以提高GaN基器件的載流子遷移率和工作頻率，還可以減小器件的導通電阻和開關延遲。
[0004]GaN基HEMT器件由于其具備擊穿特性高，開關速度快，導通電阻小等特點，在電源管理、風力發(fā)電、太陽能電池、電動汽車等電力電子領域有著廣泛的應用前景。與傳統(tǒng)MOS器件相比，GaN基HEMT器件具有更快的開關速度并承受更高的反向電壓，而且可以提高效率，減小損耗，節(jié)約能源，在600V-1200V器件范圍內(nèi)有著巨大的市場應用前景。但是目前GaN基HENT器件存在以下幾個缺點:
[0005]1、由于材料自身的極化特性，在異質(zhì)結(jié)界面存在高濃度的二維電子氣，使得在零柵極偏壓下器件處于導通狀態(tài)，即為耗盡型器件(常開)，其電路設計要比增強型(常關)復雜的多，即增加電路設計的難度與成本。
[0006]2、從安全角度考慮，特別是應用于高壓領域的器件，要求器件處于關斷的狀態(tài)，而耗盡型器件帶來了很大的安全隱患。
[0007]3、從節(jié)能角度考慮，由于零柵壓下，態(tài)耗盡型器件處于導通狀態(tài)，會引起不必要的能量損耗。
[0008]針對這些缺點，通常采用刻蝕凹柵、F基離子注入、生長P-GaN或者ρ-AlGaN等應對方法來耗盡柵極下方溝道的二維電子氣(2DEG)，以實現(xiàn)增強型器件。但凹柵刻蝕工藝難以精確控制，同時還容易帶來損傷，會引起電流崩塌現(xiàn)象，惡化器件的可靠性，同時閾值電壓也不高；F基離子注入也會帶來一系列穩(wěn)定性問題。無論是凹柵刻蝕還是F基離子注入都會對材料造成損傷，雖然經(jīng)過退火能夠消除一定的損傷，但是殘留的損傷依然會對器件的穩(wěn)定性和可靠性造成不利的影響，并且工藝的重復性也不高；在柵極生長單層P-GaN或者單層ρ-AlGaN是一種相對可靠性較高的實現(xiàn)增強型器件的方法，但是由于自補償效應以及受主雜質(zhì)激活能高等因素，使得受主摻雜原子的摻入效率低，很難實現(xiàn)高摻雜濃度的P型GaN以及AlGaN材料，因此ρ-GaN或者p-AlGaN的厚度需要相對的厚，但是厚的p_GaN或者ρ-AlGaN會降低柵極控制能力，引起器件性能劣化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了克服以上現(xiàn)有技術存在的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種新型的GaN基增強型HEMT器件及其制備方法，由于II1-N材料的極化效應，在零偏壓下，柵極存在高濃渡的2DEG，使得器件處于導通狀態(tài)，本發(fā)明新型增強型GaN基HEMT器件在Al (In)GaN/GaN結(jié)構的基礎上，柵極插入高空穴濃度結(jié)構層，該結(jié)構采用Al組分漸變的P型氮化物多元合金，有利于受主雜質(zhì)的激活，可以獲得高濃度的空穴，從而有效耗盡柵極2DEG，有效實現(xiàn)增強型器件。本發(fā)明可靠性高，重復性好。另外，對于本發(fā)明，通過選擇不同的組分漸變范圍、不同的氮化物合金及其摻雜濃度和厚度可以實現(xiàn)對器件閾值電壓的調(diào)節(jié)，使制得的器件滿足不同的要求。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出一種GaN基增強型HEMT器件，該HEMT器件包括:襯底、GaN本征層、勢魚層、高空穴濃度結(jié)構層、第一金屬電極、第二金屬電極、第三金屬電極、鈍化介質(zhì)層和鈍化保護層，其中:
[0011 ] 所述GaN本征層和勢壘層依次生長在所述襯底上；
[0012]所述高空穴濃度結(jié)構層覆蓋在所述勢壘層上表面的部分區(qū)域；
[0013]所述第一金屬電極位于所述勢壘層上表面未被所述高空穴濃度結(jié)構層覆蓋的部分區(qū)域；
[0014]所述第二金屬電極位于所述勢壘層上表面未被所述高空穴濃度結(jié)構層覆蓋的另一部分區(qū)域；
[0015]所述第三金屬電極覆蓋于所述高空穴濃度結(jié)構層的上表面；
[0016]所述鈍化介質(zhì)層覆蓋在所述勢壘層上表面未被所述高空穴濃度結(jié)構層、第一金屬電極和第二金屬電極覆蓋的區(qū)域、所述勢壘層的端面、所述GaN本征層的部分端面以及所述GaN本征層上表面的部分區(qū)域；
[0017]所述鈍化保護層覆蓋在所述鈍化介質(zhì)層的上表面；
[0018]其中，所述第一金屬電極和第二金屬電極與勢壘層之間形成歐姆接觸，所述第三金屬電極與高空穴濃度結(jié)構層之間形成肖特基接觸。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提出一種GaN基增強型HEMT器件的制備方法，所述方法包括以下步驟:
[0020]步驟I，在襯底上生長GaN本征層；
[0021]步驟2，在所述GaN本征層上生長勢壘層；
[0022]步驟3,在所述勢魚層和GaN本征層上形成臺面圖形；
[0023]步驟4，在臺面圖形上形成鈍化介質(zhì)層；
[0024]步驟5，對所述鈍化介質(zhì)層進行圖形化，得到第一圖形；
[0025]步驟6，在所述第一圖形中選擇性再生長高空穴濃度結(jié)構層；
[0026]步驟7，在得到的基板上形成鈍化保護層；
[0027]步驟8，對所述鈍化介質(zhì)層和鈍化保護層進行圖形化，得到第二圖形和第三圖形；
[0028]步驟9，在所述第二圖形和第三圖形中分別制備第一金屬電極和第二金屬電極，并利用高溫合金退火，使第一金屬電極和第二金屬電極與勢壘層之間形成歐姆接觸；
[0029]步驟10，對所述鈍化保護層進行圖形化，得到第四圖形；
[0030]步驟11，在所述第四圖形中制備第三金屬電極，其中，所述第三金屬電極與高空穴濃度結(jié)構層之間形成肖特基接觸。
[0031]本發(fā)明的有益效果是:
[0032]1、插入高空穴濃度結(jié)構層，使得零柵壓下器件處于關斷狀態(tài)，降低了外圍電路的設計難度以及成本，符合電路對器件的要求；
[0033]2、采用Al組分漸變的P型氮化物多元合金，可以得到高濃度的空穴，從而可以有效的耗盡柵極溝道的2DEG，有效實現(xiàn)增強型器件；
[0034]3、通過選擇不同的組分漸變范圍、不同的氮化物合金及其摻雜濃度和厚度可以實現(xiàn)對器件閾值電壓的調(diào)節(jié)，使器件滿足不同的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1為根據(jù)本發(fā)明一實施例的GaN基增強型HEMT器件的結(jié)構示意圖；
[0036]圖2-圖11為根據(jù)本發(fā)明一實施例的GaN基增強型HEMT器件的制備工藝流程圖。

【具體實施方式】
[0037]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0038]圖1為根據(jù)本發(fā)明一實施例的GaN基增強型HEMT器件的結(jié)構示意圖，如圖1所示，在本發(fā)明一實施例中，所述GaN基增強型HEMT器件包括:襯底100、GaN本征層200、勢壘層300、高空穴濃度結(jié)構層500、第一金屬電極611、第二金屬電極612、第三金屬電極613、鈍化介質(zhì)層400和鈍化保護層600，其中:
[0039]所述GaN本征層200和勢壘層300依次生長在所述襯底100上；
[0040]所述高空穴濃度結(jié)構層500覆蓋在所述勢壘層300上表面的部分區(qū)域；
[0041]所述第一金屬電極611位于所述勢壘層300上表面未被所述高空穴濃度結(jié)構層500覆蓋的部分區(qū)域；
[0042]所述第二金屬電極612位于所述勢壘層300上表面未被所述高空穴濃度結(jié)構層500覆蓋的另一部分區(qū)域；
[0043]所述第三金屬電極613覆蓋于所述高空穴濃度結(jié)構層500的上表面；
[0044]所述鈍化介質(zhì)層400覆蓋在所述勢壘層300上表面未被所述高空穴濃度結(jié)構層500、第一金屬電極611和第二金屬電極612覆蓋的區(qū)域、所述勢魚層300的端面、所述GaN本征層200的部分端面以及所述GaN本征層200上表面的部分區(qū)域；
[0045]所述鈍化保護層600覆蓋在所述鈍化介質(zhì)層400的上表面；
[0046]其中，所述第一金屬電極611和第二金屬電極612與勢壘層300之間形成歐姆接觸，所述第三金屬電極613與高空穴濃度結(jié)構層500之間形成肖特基接觸。
[0047]其中，所述第一金屬電極611為源極電極,所述第二金屬電極612為漏極電極,所述第三金屬電極613為柵極電極。
[0048]其中，所述襯底100可選為GaN、藍寶石、S1、金剛石或SiC等襯底材料。
[0049]其中，所述GaN本征層200的厚度為50nm_10 μ m。
[0050]其中，所述勢壘層300的制作材料可以為AlN、InN、AlGaN、InGaN或者InAIN，厚度可以為5nm_l μ m。
[0051]在本發(fā)明一實施例中，所述高空穴濃度結(jié)構層500的制作材料為Al組分漸變的P型氮化物多元合金(如AlGaN、InGaN、InAIN、AlInGaN等)。
[0052]其中，所述高空穴濃度結(jié)構層500的P型氮化物的最大摻雜濃度為15-1O2VcnT3。
[0053]其中，所述鈍化介質(zhì)層400的厚度為5nm_l μ m。
[0054]其中，所述鈍化介質(zhì)層400的制作材料可以為Si02、Si3N4, AIN、A1203、MgO, Sc203、T12, HfO2、BCB、ZrO2、Ta2O5 或 La2O3 等材料。
[0055]其中，所述鈍化保護層600的厚度為20nm-l μ m。
[0056]其中，所述鈍化保護層600的制作材料可以為Si02、Si3N4, AIN、A1203、MgO, Sc203、T12, HfO2、BCB、ZrO2、Ta2O5 或 La2O3 等材料。
[0057]其中，所述第一金屬電極611、第二金屬電極612和第三金屬電極613的制作材料可以為T1、Al、N1、Mo、Pt、Pd、Au、W、TiW、TiN及它們之間的任意組合。
[0058]圖2-圖11為根據(jù)本發(fā)明一實施例的GaN基增強型HEMT器件的制備工藝流程圖，如圖2-11所示，在本發(fā)明一實施例中，所述GaN基增強型HEMT器件的制備方法包括以下幾個步驟:
[0059]步驟1，在襯底100上生長GaN本征層200，如圖2所示；
[0060]其中，所述襯底100可選為GaN、藍寶石、S1、金剛石或SiC等襯底材料。
[0061]其中，所述GaN本征層200的厚度為50nm_10 μ m。
[0062]步驟2，在所述GaN本征層200上生長勢壘層300，如圖2所示；
[0063]其中，所述勢壘層300的制作材料可以為AIN、InN、AlGaN、InGaN或者InAIN。
[0064]其中，所述勢魚層300的厚度為5nm_l μ m。
[0065]步驟3，在所述勢壘層300和GaN本征層200上形成臺面圖形301，以與其他GaN基增強型HEMT器件隔離，如圖3所示；
[0066]在本發(fā)明一實施例中，利用離子注入、光刻和等離子體干法刻蝕技術形成臺面圖形 301。
[0067]該步驟中，臺面圖形301的臺面高度彡勢壘層300的厚度。
[0068]步驟4，在臺面圖形301上形成鈍化介質(zhì)層400，如圖4所示；
[0069]該步驟中，可采用淀積等常用工藝形成所述鈍化介質(zhì)層400，其中，淀積鈍化介質(zhì)層400的方式可以為濺射或化學氣相沉積。
[0070]其中，所述鈍化介質(zhì)層400的厚度為20nm_l μ m。
[0071]其中，所述鈍化介質(zhì)層400的制作材料可以為Si02、Si3N4, AIN、A1203、MgO, Sc203、T12, HfO2、BCB、ZrO2、Ta2O5 或 La2O3 等材料。
[0072]步驟5，對所述鈍化介質(zhì)層400進行圖形化，得到第一圖形401，如圖5所示；
[0073]在本發(fā)明一實施例中，利用光刻、等離子體干法刻蝕技術或者濕法腐蝕技術對所述鈍化介質(zhì)層400進行圖形化。
[0074]步驟6，在所述第一圖形401中選擇性再生長高空穴濃度結(jié)構層500，如圖6所示；
[0075]在本發(fā)明一實施例中，所述高空穴濃度結(jié)構層500的制作材料為Al組分漸變的P型氮化物多元合金(如AlGaN、InGaN、InAIN、AlInGaN等)。
[0076]其中，所述高空穴濃度結(jié)構層500的P型氮化物的最大摻雜濃度為15-1O2VcnT3。
[0077]在本發(fā)明一實施例中，所述高空穴濃度結(jié)構層500通過生長和沉積的方式形成于所述第一圖形401中，比如金屬氧化物化學氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)和/或原子層沉積(ALD)。
[0078]步驟7，在得到的基板上形成鈍化保護層600，如圖7所示；
[0079]該步驟中，可采用淀積等常用工藝形成所述鈍化保護層600，其中，淀積鈍化保護層600的方式可以為濺射或化學氣相沉積。
[0080]其中，所述鈍化保護層600的厚度為20nm_l μ m。
[0081]其中，所述鈍化保護層600的制作材料可以為Si02、Si3N4, AIN、A1203、MgO, Sc203、T12, HfO2、BCB、ZrO2、Ta2O5 或 La2O3 等材料。
[0082]步驟8，對所述鈍化介質(zhì)層400和鈍化保護層600進行圖形化，得到第二圖形601和第三圖形602，如圖8所示；
[0083]在本發(fā)明一實施例中，利用光刻、等離子體干法刻蝕技術或者濕法腐蝕技術對所述鈍化介質(zhì)層400和鈍化保護層600進行圖形化。
[0084]步驟9，在所述第二圖形601和第三圖形602中分別制備第一金屬電極611和第二金屬電極612,如圖9所不,并利用高溫合金退火,使第一金屬電極611和第二金屬電極612與勢壘層300之間形成歐姆接觸；
[0085]在本發(fā)明一實施例中，利用光刻、電子束蒸發(fā)或者濺射技術制備金屬電極。
[0086]其中，所述第一金屬電極611和第二金屬電極612的制作材料可以為T1、Al、N1、Mo、Pt、Pd、Au、W、TiW、TiN及它們之間的任意組合。
[0087]步驟10，對所述鈍化保護層600進行圖形化，得到第四圖形603，如圖10所示；
[0088]在本發(fā)明一實施例中，利用光刻，等離子體干法刻蝕技術或者濕法腐蝕技術對所述鈍化保護層600進行圖形化。
[0089]步驟11，在所述第四圖形603中制備第三金屬電極613，如圖11所示，其中，所述第三金屬電極613與高空穴濃度結(jié)構層500之間形成肖特基接觸。
[0090]在本發(fā)明一實施例中，利用光刻，電子束蒸發(fā)或者濺射技術制備所述第三金屬電極 613。
[0091]其中，所述第三金屬電極613的制作材料可以為T1、Al、N1、Mo、Pt、Pd、Au、W、TiW、
TiN及它們之間的任意組合。
[0092]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種GaN基增強型HEMT器件，其特征在于，該HEMT器件包括:襯底、GaN本征層、勢魚層、高空穴濃度結(jié)構層、第一金屬電極、第二金屬電極、第三金屬電極、鈍化介質(zhì)層和鈍化保護層，其中: 所述GaN本征層和勢壘層依次生長在所述襯底上； 所述高空穴濃度結(jié)構層覆蓋在所述勢壘層上表面的部分區(qū)域； 所述第一金屬電極位于所述勢壘層上表面未被所述高空穴濃度結(jié)構層覆蓋的部分區(qū)域； 所述第二金屬電極位于所述勢壘層上表面未被所述高空穴濃度結(jié)構層覆蓋的另一部分區(qū)域； 所述第三金屬電極覆蓋于所述高空穴濃度結(jié)構層的上表面； 所述鈍化介質(zhì)層覆蓋在所述勢壘層上表面未被所述高空穴濃度結(jié)構層、第一金屬電極和第二金屬電極覆蓋的區(qū)域、所述勢壘層的端面、所述GaN本征層的部分端面以及所述GaN本征層上表面的部分區(qū)域； 所述鈍化保護層覆蓋在所述鈍化介質(zhì)層的上表面； 其中，所述第一金屬電極和第二金屬電極與勢壘層之間形成歐姆接觸，所述第三金屬電極與高空穴濃度結(jié)構層之間形成肖特基接觸。
2.根據(jù)權利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述GaN本征層的厚度為50nm_10 μ m。
3.根據(jù)權利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述勢壘層的制作材料為AIN、InN,AlGaN, InGaN 或者 InAIN，厚度為 5nm_l μ m。
4.根據(jù)權利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述高空穴濃度結(jié)構層的制作材料為Al組分漸變的P型氮化物多元合金。
5.根據(jù)權利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述高空穴濃度結(jié)構層的P型氮化物的最大摻雜濃度為105-1022/CnT3。
6.根據(jù)權利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述鈍化介質(zhì)層的制作材料為Si02、Si3N4、AIN、A1203、MgO> Sc203、Ti02、HfO2> BCB> ZrO2> Ta2O5 或 La2O3,厚度為 5nm_l μ m。
7.根據(jù)權利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述鈍化保護層的制作材料為Si02、Si3N4、AIN、A1203、MgO> Sc203、Ti02、HfO2> BCB> ZrO2> Ta2O5 或 La2O3,厚度為 20nm_l μ m。
8.—種GaN基增強型HEMT器件的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 步驟I，在襯底上生長GaN本征層； 步驟2，在所述GaN本征層上生長勢壘層； 步驟3，在所述勢壘層和GaN本征層上形成臺面圖形； 步驟4，在臺面圖形上形成鈍化介質(zhì)層； 步驟5，對所述鈍化介質(zhì)層進行圖形化，得到第一圖形； 步驟6，在所述第一圖形中選擇性再生長高空穴濃度結(jié)構層； 步驟7，在得到的基板上形成鈍化保護層； 步驟8，對所述鈍化介質(zhì)層和鈍化保護層進行圖形化，得到第二圖形和第三圖形； 步驟9，在所述第二圖形和第三圖形中分別制備第一金屬電極和第二金屬電極，并利用高溫合金退火，使第一金屬電極和第二金屬電極與勢壘層之間形成歐姆接觸； 步驟10，對所述鈍化保護層進行圖形化，得到第四圖形； 步驟11，在所述第四圖形中制備第三金屬電極，其中，所述第三金屬電極與高空穴濃度結(jié)構層之間形成肖特基接觸。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，所述臺面圖形的臺面高度>勢壘層的厚度。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，所述高空穴濃度結(jié)構層的制作材料為Al組分漸變的P型氮化物多元合金。
【文檔編號】H01L21/335GK104465748SQ201410708477
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權日:2014年11月28日
【發(fā)明者】賈利芳, 何志, 劉志強, 李迪, 樊中朝, 程哲, 梁亞楠, 王曉東, 楊富華 申請人:中國科學院半導體研究所