本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種增強(qiáng)型GaN HEMT外延材料結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
相對(duì)于傳統(tǒng)Si CMOS技術(shù)，GaN 超高速數(shù)字邏輯器件具有更高的開(kāi)關(guān)速度，更高的阻斷電壓，更低的導(dǎo)通損耗，以及更高的工作溫度，且采用E-mode GaN HEMT和D-mode GaN HEMT構(gòu)成的直接耦合FET邏輯電路(DCFL)具有電路簡(jiǎn)單、相鄰之間無(wú)需電位轉(zhuǎn)換、所含晶體管少的特點(diǎn)，正成為Si CMOS高速電路在數(shù)模和射頻電路領(lǐng)域的后續(xù)發(fā)展中的有力競(jìng)爭(zhēng)者。增強(qiáng)型器件在柵壓為零時(shí)沒(méi)有導(dǎo)通電流，降低了器件的功耗；同時(shí)數(shù)字電路和高壓開(kāi)關(guān)等領(lǐng)域的應(yīng)用也迫切需要增強(qiáng)型器件。因此增強(qiáng)型的 GaN 功率電子器件也越來(lái)越受到重視。近年來(lái)，各國(guó)際知名半導(dǎo)體公司和大學(xué)已經(jīng)對(duì)GaN基高速數(shù)字器件的研究給予極大的關(guān)注。
與國(guó)外相比我國(guó)在GaN 基功率器件的研究上，研究規(guī)模和研究深度與國(guó)際先進(jìn)水平在整體上還有很大差距。因此，如何進(jìn)一步優(yōu)化閾值電壓與比導(dǎo)通電阻之間的關(guān)系，充分發(fā)揮GaN材料優(yōu)勢(shì)，仍然是今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)GaN基數(shù)字邏輯器件研究的重點(diǎn)。因此，研究新的器件結(jié)構(gòu)和探索實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件的新思路，是GaN基器件發(fā)展迫切需要解決的問(wèn)題。
近年來(lái)，基于增強(qiáng)型GaN HEMT的超高速數(shù)字電路已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展，但由于在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中極化電荷的存在，材料摻雜比較困難，欲做成常關(guān)器件，需采用特殊的結(jié)構(gòu)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型的目的在于提供一種增強(qiáng)型GaN HEMT外延材料結(jié)構(gòu)，該方法可以很好地解決以上問(wèn)題。
為達(dá)到上述要求，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是：提供一種增強(qiáng)型GaN HEMT外延材料結(jié)構(gòu)，從下到上依次包括P型Si襯底、AlGaN緩沖層、GaN溝道層、AlGaN背勢(shì)壘層及帽層；器件邊緣刻蝕形成隔離區(qū)，隔離區(qū)從帽層的上表面開(kāi)始刻蝕并向下延伸至AlGaN緩沖層內(nèi)部；AlGaN背勢(shì)壘層上形成有源極和漏極，帽層上形成有柵極，且柵極位于漏極和源極之間；AlGaN背勢(shì)壘層生長(zhǎng)有SiN層。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有的優(yōu)點(diǎn)是：
1、使用禁帶寬度更寬的AlGaN代替GaN作為緩沖層材料，而使GaN溝道層被夾在AlGaN背勢(shì)壘層和AlGaN緩沖層之間形成AlGaN/GaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，有效的增強(qiáng)GaN器件二維電子氣，材料摻雜容易，無(wú)需采用特殊結(jié)構(gòu)即可做成常關(guān)器件；
2、該器件結(jié)構(gòu)采用硅基襯底異質(zhì)集成方式實(shí)現(xiàn)，其AlGaN緩沖層有效的克服了緩沖層材料與Si材料之間原子晶格難以匹配的挑戰(zhàn)，可用于吸收Si襯底與后續(xù)外延層之間因?yàn)榫Ц袷洚a(chǎn)生的應(yīng)力，過(guò)濾掉襯底產(chǎn)生的散射中心，避免產(chǎn)生晶格馳豫；
3、該器件結(jié)構(gòu)中使用的襯底為高電阻P -type Si襯底，實(shí)現(xiàn)了與硅基異質(zhì)集成；
4、該器件結(jié)構(gòu)采用Al成分緩變結(jié)構(gòu)的AlGaN緩沖層，相比GaN緩沖層有著更大的禁帶寬度和更高的臨界擊穿電場(chǎng)；
5、該器件結(jié)構(gòu)采用了p型GaN蓋帽層，提升器件閾值電壓而形成增強(qiáng)型器件。
附圖說(shuō)明
此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，在這些附圖中使用相同的參考標(biāo)號(hào)來(lái)表示相同或相似的部分，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。在附圖中：
圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本申請(qǐng)的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本申請(qǐng)作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，以下描述中省略了本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的某些技術(shù)特征。
本實(shí)用新型提供一種增強(qiáng)型GaN HEMT外延材料結(jié)構(gòu)，如圖1所示，從下到上依次包括：
P型Si襯底10；
AlGaN緩沖層20，采用Al組分漸變結(jié)構(gòu)，形成graded AlGaN buffer，是Si襯底到GaN溝道之間的緩沖層, 用于吸收Si襯底與后續(xù)外延層之間因?yàn)榫Ц袷洚a(chǎn)生的應(yīng)力；其中Al含量從0到0.26；
GaN溝道層30，采用MOCVD生長(zhǎng)，用于低場(chǎng)下為二維電子氣提供導(dǎo)電溝道；
AlGaN背勢(shì)壘層40，采用MOCVD方法生長(zhǎng)，厚度為1.5nm，用于和柵金屬形成肖特基接觸；
帽層50，為p型摻雜GaN蓋帽層50，厚度為1nm~3nm；
該外延材料結(jié)構(gòu)邊緣刻蝕形成隔離區(qū)，隔離區(qū)從帽層50的上表面開(kāi)始刻蝕并向下延伸至AlGaN緩沖層20內(nèi)部；AlGaN背勢(shì)壘層40上形成有源極S和漏極D，帽層50上形成有柵極G，且柵極G位于漏極D和源極S之間；AlGaN背勢(shì)壘層40生長(zhǎng)有SiN層60。
具體器件制作方法如下：
1、光刻和蝕刻最上層的帽層50，只留下位于源極S和漏極D間的小部分以備在上面放置柵極G；再光刻、蒸發(fā)并剝離Ti/Al/Ni/Au，在AlGaN背勢(shì)壘層40上形成源漏電極金屬，最后輔以高溫退火（850度）形成歐姆接觸；
2、光刻和使用ICP干法刻蝕形成隔離臺(tái)面，其中采用Cl2氣體進(jìn)行刻蝕隔離，刻蝕帽層50、AlGaN背勢(shì)壘層40、GaN溝道層30，直到AlGaN緩沖層20，形成一個(gè)隔離區(qū)；
3、在帽層50上經(jīng)光刻和蒸發(fā)Pt/ Au，再用常規(guī)剝離工藝形成柵極G金屬，與AlGaN背勢(shì)壘層40形成肖特基接觸。
本發(fā)明所開(kāi)發(fā)的基于硅襯底的GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)可與常規(guī)Si基CMOS高速邏輯電路器件工藝兼容， 極大的拓寬GaAs器件在數(shù)字電路領(lǐng)域的應(yīng)用；其Al成分緩變結(jié)構(gòu)的AlGaN緩沖層20相比GaN緩沖層有著更大的禁帶寬度和更高的臨界擊穿電場(chǎng)，使得GaN背勢(shì)壘HEMT（DHEMT）結(jié)構(gòu)有著更好的載流子限域和夾斷特性；AlGaN背勢(shì)壘HEMT器件結(jié)構(gòu)可很好地解決了普通 AlGaN/GaN HEMT 緩沖層內(nèi)泄漏電流過(guò)大導(dǎo)致器件提前擊穿的問(wèn)題；p型GaN蓋帽層50，使器件的導(dǎo)帶位于費(fèi)米能級(jí)之上造成溝道中的2DEG 被完全耗盡，實(shí)現(xiàn)了零柵壓下溝道截止，有效的提升了器件閾值電壓而形成增強(qiáng)型器件；基于硅襯底的GaN技術(shù)既能進(jìn)一步提升寬禁帶半導(dǎo)體器件的性能，又可大幅度降低成本，在數(shù)模和RF電路應(yīng)用中擁有巨大的潛力。
以上所述實(shí)施例僅表示本實(shí)用新型的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能理解為對(duì)本實(shí)用新型范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本實(shí)用新型保護(hù)范圍。因此本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以所述權(quán)利要求為準(zhǔn)。