一種新型GaN基增強型HEMT器件及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種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；高空穴濃度結構層覆蓋在勢壘層上表面部分區域；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構層覆蓋的部分區域；第三金屬電極覆蓋于高空穴濃度結構層的上表面；鈍化保護層覆蓋在勢壘層上表面未被高空穴濃度結構層、第一金屬電極和第二金屬電極覆蓋的區域；其中，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，第三金屬電極與高空穴濃度結構層之間形成肖特基接觸。本發明專利技術還公開了一種GaN基增強型HEMT器件的制備方法。本發明專利技術可靠性高，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對器件閾值電壓的調節，使制得的器件滿足不同的要求。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及半導體器件制作領域，具體涉及在GaN異質結結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。
技術介紹
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勢。GaN材料可以與AlGaN、InAlN等材料形成異質結結構。由于AlGaN或InAlN等勢壘層材料存在自發極化和壓電極化效應，因此會在異質結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。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，節約能源，在600V-1200V器件范圍內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：1、由于材料自身的極化特性，在異質結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，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。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，而耗盡型器件帶來了很大的安全隱患。3、從節能角度考慮，由于零柵壓下，態耗盡型器件處于導通狀態，會引起不必要的能量損耗。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p-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p-AlGaN是一種相對可靠性較高的實現增強型器件的方法，但是由于自補償效應以及受主雜質激活能高等因素，使得受主摻雜原子的摻入效率低，很難實現高摻雜濃度的p型GaN以及AlGaN材料，因此p-GaN或者p-AlGaN的厚度需要相對的厚，但是厚的p-GaN或者p-AlGaN會降低柵極控制能力，引起器件性能劣化。
技術實現思路
為了克服以上現有技術存在的缺點，本專利技術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III-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，本專利技術新型增強型GaN基HEMT器件在Al(In)GaN/GaN結構的基礎上，柵極插入高空穴濃度結構層，該結構采用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，有效實現增強型器件。本專利技術可靠性高，重復性好。另外，對于本專利技術，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對器件閾值電壓的調節，使制得的器件滿足不同的要求。根據本專利技術的一方面，提出一種GaN基增強型HEMT器件，該HEMT器件包括：襯底、GaN本征層、勢壘層、高空穴濃度結構層、第一金屬電極、第二金屬電極、第三金屬電極和鈍化保護層，其中：所述GaN本征層和勢壘層依次生長在所述襯底上；所述高空穴濃度結構層覆蓋在所述勢壘層上表面的部分區域；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構層覆蓋的部分區域；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構層覆蓋的另一部分區域；所述第三金屬電極覆蓋于所述高空穴濃度結構層的上表面；所述鈍化保護層覆蓋在所述勢壘層上表面未被所述高空穴濃度結構層、第一金屬電極和第二金屬電極覆蓋的區域；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構層之間形成肖特基接觸。根據本專利技術的另一方面，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：步驟1，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，在所述勢壘層上生長高空穴濃度結構層；步驟4，在所述高空穴濃度結構層、勢壘層和GaN本征層上形成臺面圖形；步驟5，對所述高空穴濃度結構層進行圖形化，形成柵極高空穴濃度結構層；步驟6，在得到的基板上形成鈍化保護層；步驟7，對所述鈍化保護層進行圖形化，得到第二圖形和第三圖形；步驟8，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9，對所述鈍化保護層進行圖形化，得到第四圖形；步驟10，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構層之間形成肖特基接觸。本專利技術的有益效果是：1、插入高空穴濃度結構層，使得零柵壓下器件處于關斷狀態，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；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，有效實現增強型器件；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對器件閾值電壓的調節，使器件滿足不同的要求。附圖說明圖1為根據本專利技術一實施例的GaN基增強型HEMT器件的結構示意圖；圖2-圖10為根據本專利技術一實施例的GaN基增強型HEMT器件的制備工藝流程圖。具體實施方式為使本專利技術的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本專利技術進一步詳細說明。圖1為根據本專利技術一實施例的GaN基增強型HEMT器件的結構示意圖，如圖1所示，在本專利技術一實施例中，所述GaN基增強型HEMT器件包括：襯底100、GaN本征層200、勢壘層300、高空穴濃度結構層500、第一金屬電極611、第二金屬電極612、第三金屬電極613和鈍化保護層600，其中：所述GaN本征層200和勢壘層300依次生長在所述襯底100上；所述高空穴濃度結構層本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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、勢壘層、高空穴濃度結構層、第一金屬電極、第二金屬電極、第三金屬電極和鈍化保護層，其中：所述GaN本征層和勢壘層依次生長在所述襯底上；所述高空穴濃度結構層覆蓋在所述勢壘層上表面的部分區域；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構層覆蓋的部分區域；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構層覆蓋的另一部分區域；所述第三金屬電極覆蓋于所述高空穴濃度結構層的上表面；所述鈍化保護層覆蓋在所述勢壘層上表面未被所述高空穴濃度結構層、第一金屬電極和第二金屬電極覆蓋的區域；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構層之間形成肖特基接觸。

【技術特征摘要】
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、勢壘層、高空穴濃度結構層、第一金屬電極、第
二金屬電極、第三金屬電極和鈍化保護層，其中：
所述GaN本征層和勢壘層依次生長在所述襯底上；
所述高空穴濃度結構層覆蓋在所述勢壘層上表面的部分區域；
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構
層覆蓋的部分區域；
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構
層覆蓋的另一部分區域；
所述第三金屬電極覆蓋于所述高空穴濃度結構層的上表面；
所述鈍化保護層覆蓋在所述勢壘層上表面未被所述高空穴濃度結構
層、第一金屬電極和第二金屬電極覆蓋的區域；
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構層之間形成肖特基接觸。
2.根據權利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述GaN本征
層的厚度為50nm-10μm。
3.根據權利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述勢壘層的
制作材料為AlN、InN、AlGaN、InGaN或者InAlN，厚度為5nm-1μm。
4.根據權利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述高空穴濃
度結構層的制作材料為Al組分漸變的p型氮化物多元合金。
5.根據權利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述高空穴濃
度結構層的p型氮化物的最大摻雜濃度為105-1022/cm-3。
6.根據權利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述鈍化介質
層的制作材料為SiO2、Si3N4、AlN、Al2O...

【專利技術屬性】
技術研發人員：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(專利權)人：中國科學院半導體研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11