一种增强型HEMT器件及其制备方法和应用

一种增强型hemt器件及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种增强型hemt器件及其制备方法和应用。


背景技术：

2.gan作为第三代半导体材料，因其禁带宽度大、热导率高、击穿电场高等优势，是高温、大功率以及高频器件领域的热门研究方向。基于algan/gan或alinn/gan异质结形成的hemt器件在高频大功率领域已经得到了很大发展。由于2deg是基于异质结构形成的，因此常规gan基hemt器件为常开型器件，即工作在耗尽模式下，应用中需要负电压源关闭器件，设计额外的控制电路。出于控制电路的设计、电路功耗以及安全的考虑，面向大功率领域应用中通常需要增强型hemt器件，目前实现增强型器件的方式有凹槽栅型、f离子注入型、p-gan盖帽层型。在实现增强型器件的结构中p-gan栅盖帽层型是目前唯一可商用的器件结构。然而由于gan掺杂的p型杂质mg的电离能较大，难以实现高浓度掺杂，阈值电压收到gan禁带宽度限制，同时杂质的外扩散引起沟道中载流子迁移率降低。此外，由于其栅极金属到p-gan的肖特基二极管和p-gan/algan/gan的pin二极管会形成两个背对背二极管的栅极结构，电荷的注入与发射会影响p-gan层的电位，引起器件阈值电压的不稳定以及大的栅极泄漏电流。同时不同栅电压工作时肖特基势垒电容的变化会引起器件频率响应的变化。因此，需要一种改进的增强型hemt器件结构解决p-gan盖帽层增强型器件所存在的问题。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明的目的在于提供一种增强型hemt器件及其制备方法和应用，本器件结构可以通过调节本征栅极gan盖帽层和algan背势垒层结构参数来获得高阈值电压，可以对器件的阈值电压实现更精确的控制。
4.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
5.本发明的第一个方面，提出了一种增强型hemt器件，包括依次层叠设置的衬底层、algan背势垒层、gan沟道层；gan沟道层上两端设置源金属电极、漏金属电极，中间设置有alinn势垒层，且alinn势垒层分别与源金属电极和漏金属电极接触；alinn势垒层上的栅金属电极处设置有gan盖帽层；gan盖帽层上设置有栅金属电极；源金属电极、漏金属电极和gan盖帽层、栅金属电极之间的alinn势垒层上分别设有钝化层；所述源金属电极和漏金属电极分别与所述gan沟道层形成欧姆接触；所述栅金属电极与所述gan盖帽层形成肖特基接触。
6.本发明中，利用本征栅极gan盖帽层与algan背势垒层的极化效应通式对栅金属电极下方的沟道中的2deg进行调制，由于gan材料与alinn材料以及algan材料的极化效应差，会在本征栅极gan盖帽层与alinn势垒层界面、gan沟道层与algan背势垒层界面处产生负的净极化电荷，从而抬高alinn势垒层与gan沟道层的能带，抬高了导带底与费米能级之间的
距离，进而耗尽沟道中的2deg，实现增强型器件。
7.在本发明的一些实施方式中，所述的衬底层的组成成分包括si、sic、al2o3的至少一种；优选为sic衬底层；其中si衬底层的成本低但性能较差，sic衬底层的性能好但成本昂贵，al2o3衬底层的成本与性能居于si材料和sic材料之间。
8.在本发明的一些实施方式中，所述的algan背势垒层中al的质量百分比为5％～25％；优选为8％～20％。
9.在本发明的一些实施方式中，所述的algan背势垒层的厚度为0.1μm～3μm；优选为0.5μm～3μm；更优选为0.8μm～3μm。该厚度的algan背势垒层能调制沟道中的2deg。
10.在本发明的一些实施方式中，所述增强型hemt器件还包括在衬底与algan背势垒层之间设置成核层，成核层可提高晶格质量。
11.在本发明的一些实施方式中，所述的成核层的厚度为0.1μm～1μm。
12.在本发明的一些实施方式中，所述的成核层包括aln成核层、algan成核层的至少一种，当采用algan成核层时其与algan背势垒层一体。
13.在本发明的一些实施方式中，所述的alinn势垒层的厚度为5nm～100nm；优选为15nm～20nm；更进一步优选为15nm。设置该厚度的alinn势垒层能在栅金属电极外部沟道中产生高浓度的2deg，来减小器件栅金属电极外部源、漏沟道中的寄生电阻，提高器件的输出电流。其次，薄的alinn势垒层可以增加器件的栅金属电极控制能力，提高跨导，无掺杂结构减小了工艺复杂性。
14.在本发明的一些实施方式中，所述的alinn势垒层中al的质量百分比为82％～84％；该al含量的alinn势垒层能与gan沟道层以及本征栅极上的gan盖帽层晶格常数匹配，减小晶格应力；同时此al组分通过自发极化效应还能产生更高浓度的2deg，可以提高器件的输出特性。
15.在本发明的一些实施方式中，所述的gan沟道层的厚度为10nm～100nm；优选为20nm～50nm。
16.在本发明的一些实施方式中，所述的gan盖帽层的厚度为10nm～100nm；优选为15nm～60nm。
17.在本发明的一些实施方式中，所述的钝化层的组成成分包括sin、sio2、al2o3的至少一种。
18.在本发明的一些实施方式中，所述的钝化层的厚度为0.1μm～5μm。
19.在本发明的一些实施方式中，所述的源金属电极的组成成分包括ti、al、ni、au；所述的源金属电极优选为ni/au两层金属电极。
20.在本发明的一些实施方式中，所述的漏金属电极的组成成分包括ti、al、ni、au；所述的源金属电极优选为ni/au两层金属电极。
21.在本发明的一些实施方式中，所述的栅金属电极的组成成分包括ti、al、ni、au；所述的栅金属电极优选为ti/al/ni/au四层金属电极。
22.本发明的第二个方面，提出了一种所述的增强型hemt器件的制备方法，包括以下步骤：
23.s1：在衬底层上依次外延生长algan背势垒层、gan沟道层；在源金属电极和漏金属电极区域使用掩膜版后，依次外延生长alinn势垒层、gan盖帽层、钝化层；
24.s2：进行台面隔离，刻蚀至algan背势垒层；
25.s3：刻蚀，暴露栅金属电极区域；
26.s4：沉积源金属电极、漏金属电极、栅金属电极，即得增强型hemt器件。
27.在本发明的一些实施方式中，s1中，采用金属有机化学气相淀积法(mocvd)在衬底层上依次外延生长algan背势垒层、gan沟道层、alinn势垒层、gan盖帽层，生长温度为850℃～950℃。
28.在本发明的一些实施方式中，s1中，采用等离子体化学气相淀积法(pecvd)生长钝化层，生长温度为200℃～300℃。
29.在本发明的一些实施方式中，s2中，采用反应离子刻蚀法(rie)进行台面隔离；采用氯气刻蚀至algan背势垒层，保证可以完全将导电沟道隔断开来。
30.在本发明的一些实施方式中，s3中，采用化学腐蚀处理去除所述栅金属电极下方区域的钝化层；所述刻蚀液为质量分数为hf:hn4f＝1:6的缓冲氧化物刻蚀剂(boe)溶液。
31.在本发明的一些实施方式中，s4中，采用电子束蒸发方式淀积所述的源金属电极、漏金属电极、栅金属电极。
32.本发明的第三个方面，提出了一种电子设备，包括所述的增强型hemt器件。
33.本发明的有益效果是：
34.相比于现有的p-gan栅增强型hemt器件结构，本发明的器件结构的有益效果为在于：首先可以避免p型mg掺杂难以实现，以及mg杂质外扩散进入沟道影响迁移率的问题；第二，器件的栅金属电极结构不存在悬空电位，解决了p-gan背靠背的二极管连接栅金属电极结构引起的阈值电压漂移问题以及栅金属电极泄漏电流大的问题；第三，阈值电压不受p型层的掺杂浓度以及其禁带宽度的限制，可以通过盖帽层与背势垒层结构参数调整来实现大的阈值电压；最后，相比于p-gan盖帽层其不需要掺杂工艺，相比于杂质激活，其器件结构参数可以准确确定，因此器件的阈值电压可以准确控制，并且器件的可重复性好，可以通过调节器件结构参数实现更大的阈值电压更有益于功率器件的使用。
附图说明
35.图1为本发明实施例增强型hemt器件结构示意图。
36.附图标识说明：0101、源金属电极；0102、gan沟道层；0103、algan背势垒层；0104、sic衬底层；0105、alinn势垒层；0106、漏金属电极；0107、al2o3钝化层；0108、gan盖帽层；0109、栅金属电极。
37.图2为本发明实施例1增强型hemt器件栅极下方能带图。
38.图3为本发明实施例2增强型hemt器件栅极下方能带图。
39.图4为本发明实施例3增强型hemt器件栅极下方能带图。
40.图5为本发明实施例1增强型hemt器件转移特性曲线图。
41.图6为本发明实施例1增强型hemt器件输出特性曲线图。
具体实施方式
42.以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例和对比例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有技术
方法得到。除非特别说明，试验或测试方法均为本领域的常规方法。
43.实施例1
44.一种增强型hemt器件(结构示意图如图1所示)，其组成包括：
45.依次层叠设置的sic衬底层0104、algan背势垒层0103、gan沟道层0102；gan沟道层0102上两端设置源金属电极0101、漏金属电极0106，中间设置有alinn势垒层0105，且alinn势垒层0105分别与源金属电极0101和漏金属电极0106接触；alinn势垒层0105上栅金属电极处设置有gan盖帽层0108；gan盖帽层0108上设置有栅金属电极0109；源金属电极0101、漏金属电极0106和gan盖帽层0108、栅金属电极0109之间的alinn势垒层0105上分别设有al2o3钝化层0107；源金属电极0101和漏金属电极0106分别与gan沟道层0102形成欧姆接触；栅金属电极0109与所述gan盖帽层0108形成肖特基接触。
46.该增强型hemt器件结构参数为：algan背势垒层0103的al组分质量百分比为8％，厚度为800nm；gan沟道层0102厚度为20nm；alinn势垒层0105的al组分质量百分比为83％，厚度为5nm；本征栅极gan盖帽层0108厚度为15nm，长度为1.5um；栅金属电极宽度为1mm，源漏间距为7um，栅源间距为2um，栅漏间距为5um；al2o3钝化层0107的厚度为500nm；源金属电极0101和漏金属电极0106的金属为ni/au形成欧姆接触，厚度为505nm，栅金属电极0109金属为ti/al/ni/au形成欧姆接触，厚度为480nm。利用本征栅极gan盖帽层0108与algan背势垒层0103的极化效应同时对栅极下方沟道中的2deg进行调制，以实现增强型器件，薄的alinn势垒层0103增加器件的栅极控制能力，提高跨导，无掺杂结构减小了工艺复杂性。
47.上述增强型hemt器件的制备方法包括以下步骤：
48.步骤1：通过金属有机化学气相淀积(mocvd)在sic衬底层0104上外延生长algan背势垒层0103，ⅲ族金属铝(al)和镓(ga)的有机源气体分别为三甲基铝(tmal)和三甲基镓(tmga)，因此需要在步骤1的气体基础上通入tmga，氮(n)源同样为高纯氨气(nh3)，氢气(h2)和氮气(n2)的混合气体作为运载气体，通过控制进入反应室内tmal与tmga源气体的流量摩尔比就可以控制algan背势垒层0103中al和ga的组分，生长温度为900℃；
49.步骤2：接着通过金属有机化学气相淀积(mocvd)在步骤1得到的外延片上生长gan沟道层0102，镓(ga)源与氮(n)源同样为三甲基镓(tmga)和高纯氨气(nh3)，氢气(h2)和氮气(n2)的混合气体作为运载气体，因此需要在步骤1气体的基础上去掉al源三甲基铝(tmal)，生长温度为900℃；
50.步骤3：接着通过金属有机化学气相淀积(mocvd)在步骤2得到的外延片上生长alinn势垒层0105，因为源金属电极0101与漏金属电极0106处于gan沟道层0108上方，因此需要掩模版以在源金属电极和漏金属电极处不生长alinn势垒层。ⅲ族金属铝(al)和铟(in)的有机源气体分别为三甲基铝(tmal)和三甲基铟(tmin)，因此需要在步骤1的气体基础上去掉tmga，通入tmal与tmin，氮(n)源同样为高纯氨气(nh3)，氢气(h2)和氮气(n2)的混合气体作为运载气体，通过控制进入反应室内tmal与tmga源气体的流量摩尔比就可以控制alinn势垒层中al和in的组分，生长温度为900℃；
51.步骤4：接着通过金属有机化学气相淀积(mocvd)在步骤3得到的外延片上生长本征栅极gan盖帽层0108，因为本征栅金属电极gan盖帽层0108生长在alinn势垒层0105的栅金属电极部分，因此需要掩模版以在栅外部分不生长gan盖帽层。镓(ga)源与氮(n)源同样为三甲基镓(tmga)和高纯氨气(nh3)，氢气(h2)和氮气(n2)的混合气体作为运载气体，因此
需要在步骤3的气体基础上加入tmga，去掉tmal与tmin，生长温度为900℃；
52.步骤5：接着通过采用等离子体化学气相淀积法(pecvd)在步骤4得到的外延片上生长al2o3钝化层0107，使用源金属电极0101与漏金属电极0106掩模版以在源金属电极0101与漏金属电极0106处不生长al2o3钝化层。氧(o)源由氧气(o2)提供，铝(al)源气体为三甲基铝(tmal)，生长温度为250℃。
53.步骤6：接着通过使用反应离子刻蚀法(rie)对步骤5所得的外延片进行台面隔离，所用到的刻蚀气体是氯气(cl2)，刻蚀至algan背势垒层0103，保证可以完全将导电沟道隔断开来。
54.步骤7：接着通过化学腐蚀处理方法去掉步骤6所得的外延片栅金属电极下方区域的al2o3钝化层0107，刻蚀液体使用质量分数为hf:hn4f＝1:6的缓冲氧化物刻蚀剂(boe)溶液浸泡。
55.步骤8：接着通过电子束蒸发方式对步骤7所得的外延片进行源金属电极0101金属和漏金属电极0106金属淀积，采用典型的ti/al/ni/au四层合金结构形成欧姆接触，各金属厚度依次为22nm、140nm、55nm、45nm。在蒸发过程中根据各层金属厚度对金属蒸发速率进行调整，蒸发完成后在快速退火炉中在温度为830℃的环境下进行高温退火以形成性能良好的欧姆接触。
56.步骤9：接着通过电子束蒸发方式对步骤7所得的外延片进行栅金属电极0109金属淀积，栅金属电极金属结构为ni/au合金，厚度为45nm、100nm，形成肖特基接触。
57.实施例2
58.本实施了制备增强型hemt器件，与实施例1的区别在于gan盖帽层厚度不同：
59.分别设置gan盖帽层厚度为5nm、10nm、15nm、20nm、25nm，器件其他结构及制备方法与实施例1相同。
60.实施例3
61.本实施了制备增强型hemt器件，与实施例1的区别在于algan背势垒层厚度为1μm，且设置不同质量百分比含量al组分：
62.分别设置algan背势垒层中al组分质量百分比含量为4％、6％、8％、10％、12％,器件其他结构及制备方法与实施例1相同。
63.试验例
64.实施例1的增强型hemt器件栅极下方能带图如图2所示，其中σ表示为界面的电荷密度，分别为栅极金属界面电荷σs；本征栅极gan盖帽层的净极化电荷σ
gan
；alinn势垒层的净极化电荷σ
alinn
；gan沟道层的净极化电荷σ
gan
；algan背势垒层的净极化电荷σ
algan
；σb为背势垒层底部界面的净电荷，来自于algan背势垒层的极化电荷与衬底层的电荷共同作用。由于gan材料与alinn材料以及algan材料的极化效应差，会在本征栅极gan盖帽层与alinn势垒层界面、gan沟道层与algan背势垒层界面处产生负的净极化电荷，从而抬高alinn势垒层与gan沟道层的能带，抬高了导带底与费米能级之间的距离，进而耗尽沟道中的2deg。
65.实施例2和实施例3的增强型hemt器件栅极下方能带图分别如图3和图4所示。可以看到随着gan盖帽层厚度的增加，gan沟道层的能带抬升提高，表明对栅金属电极下方沟道中2deg的耗尽增强，然而由于gan盖帽层厚度的增加会减小栅金属电极对沟道的控制能力，因此对gan盖帽层厚度存在折中，所以选取15nm厚的gan盖帽层。而随着algan背势垒层al组
分的增加，对栅金属电极下方沟道中2deg的耗尽增加，可以实现更高阈值电压的增强型器件，但由于al组分的增加同时会减小栅金属电极外部沟道处的2deg，因此优选al组分为8％。
66.实施例1增强型hemt器件的转移特性曲线与输出特性曲线分别如图5和图6所示，可以看到在添加本征栅极gan盖帽层与algan背势垒层后成功实现了增强型器件，在15nm厚的盖帽层与800nm厚、al组分为8％时的algan背势垒层下成功实现了增强型器件，器件阈值电压为0.8v，最大跨导为240ms/mm，在栅压为10v，漏金属电极电压为10v时最大输出电流为1.71a/mm。
67.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。

技术特征：
1.一种增强型hemt器件，其特征在于：包括依次层叠设置的衬底层、algan背势垒层、gan沟道层；gan沟道层上两端设置源金属电极、漏金属电极，中间设置有alinn势垒层，且alinn势垒层分别与源金属电极和漏金属电极接触；alinn势垒层上的栅金属电极处设置有gan盖帽层；gan盖帽层上设置有栅金属电极；源金属电极、漏金属电极和gan盖帽层、栅金属电极之间的alinn势垒层上分别设有钝化层；所述源金属电极和漏金属电极分别与所述gan沟道层形成欧姆接触；所述栅金属电极与所述gan盖帽层形成肖特基接触。2.根据权利要求1所述的增强型hemt器件，其特征在于：所述的algan背势垒层中al的质量百分比为5％～25％。3.根据权利要求1所述的增强型hemt器件，其特征在于：所述的algan背势垒层的厚度为0.1μm～3μm。4.根据权利要求1所述的增强型hemt器件，其特征在于：所述的alinn势垒层的厚度为5nm～25nm。5.根据权利要求1所述的增强型hemt器件，其特征在于：所述的alinn势垒层势垒层中al的质量百分比为82％～84％。6.根据权利要求1所述的增强型hemt器件，其特征在于：所述的gan盖帽层的厚度为10nm～100nm。7.根据权利要求1所述的增强型hemt器件，其特征在于：所述的gan沟道层的厚度为10nm～100nm。8.根据权利要求1所述的增强型hemt器件，其特征在于：所述增强型hemt器件还包括在衬底与algan背势垒层之间设置成核层。9.一种如权利要求1～8任一项所述的增强型hemt器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：s1：在衬底层上依次外延生长algan背势垒层、gan沟道层；在源金属电极和漏金属电极区域使用掩膜版后，依次外延生长alinn势垒层、gan盖帽层、钝化层；s2：进行台面隔离，刻蚀至algan背势垒层；s3：刻蚀，暴露栅金属电极区域；s4：沉积源金属电极、漏金属电极、栅金属电极，即得增强型hemt器件。10.一种电子设备，包括如权利要求1～8任一项所述的增强型hemt器件。

技术总结
本发明公开了一种增强型HEMT器件及其制备方法和应用，该增强型HEMT器件利用本征栅极GaN盖帽层与AlGaN背势垒层的极化效应通式对栅金属电极下方的沟道中的2DEG进行调制，由于GaN材料与AlInN材料以及AlGaN材料的极化效应差，会在本征栅极GaN盖帽层与AlInN势垒层界面、GaN沟道层与AlGaN背势垒层界面处产生负的净极化电荷，从而抬高AlInN势垒层与GaN沟道层的能带，抬高了导带底与费米能级之间的距离，进而耗尽沟道中的2DEG，实现增强型器件。实现增强型器件。


技术研发人员：姚若河 张聪 耿魁伟 刘玉荣 朱映彬
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/8/14