一种组份渐变复合势垒层hemt器件及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种组份渐变复合势垒层hemt(高电子迁移率晶体管，high electron mobi l i ty trans i s tor)器件及其制备方法。
背景技术：
2.以algan/gan异质结为代表的ⅲ族氮化物异质结构，因强极化效应诱导异质结界面处形成高浓度的二维电子气(2-deg)，非常适合于制备高电子迁移率晶体管。hemt器件凭借高浓度和高迁移率的二维电子气的特点，被广泛应用于高频微波大功率器件、光电子器件及电力电子器件领域。
3.然而，algan/gan hemt器件的可靠性问题一直是制约其发展的关键难题，而栅泄漏电流又是其中的重要因素。尤其是随着制作工艺的进步，器件的特征尺寸持续缩小，栅电流的影响越来越显著，故如何抑制栅电流来提高algan/gan hemt器件的可靠性成为了algan/gan hemt器件研究的当务之急。
4.肖特基势垒隧穿和热电子发射是引起常规aigan/gan hemt器件栅电流的主要机制，两种机制的发生概率均与势垒高度相关。通过高功函数金属的方法可以在一定程度上提高势垒高度，但是因为表面态等因素的影响使得通过功函数方法提高势垒高度的程度受限；采用栅介质能够有效抑制栅泄漏，但是会增加栅和沟道的距离，降低器件栅控。
技术实现要素：
5.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种组份渐变复合势垒层hemt器件及其制备方法，通过采用栅下区域al组份渐变和非栅沟道区al组份固定的复合势垒层结构，并利用氮化物的极化效应，来增加栅下势垒高度，且同时保持非栅区沟道电子浓度，从而解决常规hemt器件栅泄漏电流的问题。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
7.技术方案一：一种组份渐变复合势垒层hemt器件，包括sic衬底/si衬底，所述sic衬底/si衬底的上表面设置有aln成核层；
8.所述aln成核层的上表面设置有gan沟道层，所述gan沟道层的中部厚度大于所述gan沟道层的两侧厚度；
9.所述gan沟道层中部的上表面设置有aln插入层；
10.所述aln插入层的上表面中部设置有渐变al组份algan势垒层；所述aln插入层的上表面两侧分别设置有与所述渐变al组份algan势垒层相邻且厚度相同的固定al组份algan势垒层；
11.左侧的固定al组份algan势垒层的上表面左端设置有源电极，右侧的固定al组份algan势垒层的上表面右端设置有漏电极；所述渐变al组份algan势垒层的上表面中部设置有栅电极；
12.所述源电极和所述漏电极分别与所述固定al组份algan势垒层形成欧姆接触；所
述栅电极与所述渐变al组份algan势垒层形成肖特基接触；
13.在所述源电极和栅电极之间、所述漏电极和栅电极之间分别设置有钝化层；所述gan沟道层中部的两个侧面设置有钝化层；所述gan沟道层两个侧较薄部分的上表面设置有钝化层；所述aln插入层的两个侧面设置有钝化层；所述固定al组份algan势垒层的两个侧面设置有钝化层；所述源电极的两个侧面设置有钝化层；所述漏电极的两个侧面分别设置有钝化层。
14.进一步的，所述aln成核层的厚度为200～300nm。
15.进一步的，所述gan沟道层的厚度为1～3μm。
16.进一步的，所述aln插入层的厚度为1nm。
17.进一步的，所述固定al组份algan势垒层厚度为10～50nm；在所述固定al组份algan势垒层中，al组分固定不变；
18.进一步的，所述渐变al组份algan势垒层的厚度为10～50nm；在所述渐变al组份algan势垒层中，al组分由下到上递减，最下层al组分≤50％，最上层al组分≥0％，且下层al组分＞上层al组分。
19.进一步的，钝化层的厚度为100～250nm。
20.进一步的，所述漏电极和所述源电极均为ti、al、ni和au四层金属由下至上依次组合而成。
21.进一步的，所述栅电极为ni和au两层金属由下至上依次组合而成。
22.技术方案二：一种组份渐变复合势垒层hemt器件的制备方法，包括以下步骤：
23.步骤s1，选择使用sic衬底/si衬底，在sic衬底/si衬底上外延生长aln成核层；
24.步骤s2，在aln成核层上外延生长gan沟道层；
25.步骤s3，在gan沟道层上外延生长aln插入层；
26.步骤s4，在aln插入层上外延生长固定al组份algan势垒层；
27.步骤s5，在固定al组份algan势垒层上外延生长sio2掩蔽膜；
28.步骤s6，在固定al组份algan势垒层和sio2掩蔽膜中部光刻出渐变al组份algan势垒层的区域，刻蚀该区域的sio2掩膜层和固定al组份algan势垒层，形成一处凹槽；
29.步骤s7，在凹槽处的aln插入层上外延生长渐变al组份algan势垒层，再去除其余的sio2掩蔽膜；
30.步骤s8，对固定al组份algan势垒层进行光刻，暴露出源电极区域和漏电极区域，再对器件进行蒸镀、剥离、退火处理，在源电极区域和漏电极区域形成源电极和漏电极；
31.步骤s9，对器件进行台面隔离处理；
32.步骤s10，对渐变al组份algan势垒层进行光刻，暴露出栅电极区域，再对器件进行蒸镀、剥离处理，在栅电极区域形成栅电极；
33.步骤s11，在器件的gan沟道层上表面及gan沟道层以上部分的外表面外延生长钝化层；
34.步骤s12，对源电极区域、漏电极区域和栅电极区域上的钝化层进行化学腐蚀处理，组份渐变复合势垒层hemt器件制备完成。
35.进一步的，步骤s1中的外延生长的aln成核层，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为980～1050℃。
36.进一步的，步骤s2中外延生长的gan沟道层，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为980～1050℃。
37.进一步的，步骤s3中外延生长的aln插入层，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为980～1050℃。
38.进一步的，步骤s4中外延生长的固定al组份algan势垒层采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为980～1050℃，固定al组份algan势垒层的al组份固定不变。
39.进一步的，步骤s5中外延生长的sio2掩蔽膜，采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)生长制备，生长温度为300℃。
40.进一步的，步骤s7中外延生长的渐变al组份algan势垒层，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为980～1050℃；
41.具体为：在衬底温度为980～1050℃下，通入三甲基铝(tmal)、三甲基镓(tmga)与氨气(nh3)，同时三甲基铝(tmal)和三甲基镓(tmga)以设定的摩尔量变化，使得渐变al组份algan势垒层中的al组分由下层到上层递减，下层al组分≤50％，上层al组分≥0％，且下层al组分＞上层al组分。
42.进一步的，步骤s8中，具体的，采用电子束蒸发方式进行源电极和漏电极的金属淀积，源电极和漏电极自下而上淀积的金属依次为ti、al、ni、au，ti、al、ni、au四层金属的厚度分别为20～22nm、120～140nm、45～55nm、30～40nm；将所有金属蒸发完后，再将器件放入金属剥离液中进行剥离；最后进行快速热退火处理：退火气氛为n2，退火温度为800～900℃，退火时间为20～40s。
43.进一步的，步骤s9中的台面隔离，采用干法刻蚀的方法，向下刻蚀至gan沟道层。
44.进一步的，步骤s10中，具体的，采用电子束蒸发的方法进行栅电极的金属淀积，栅电极自下而上淀积的金属依次为ni、au，ni、au两层金属的厚度分别为45～55nm、100～120nm；将所有金属蒸发完后，再将器件放入金属剥离液中进行剥离。
45.进一步的，步骤s11中外延生长的钝化层为sin钝化层，采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)生长制备，生长温度为230～320℃。
46.进一步的，步骤s12中的化学腐蚀处理，具体为：采用质量分数比为hf:hn4f＝1:7～1:5的缓冲氧化物刻蚀剂(boe)溶液浸泡50～100s。
47.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
48.利用三族氮化物的极化效应，在栅下采用了渐变al组份algan势垒层，能够有效调节栅下半导体的能带结构，增加了势垒高度，降低了栅泄漏电流；同时在非栅势垒区采用了固定al组份algan势垒层，能保持沟道区高电子浓度，最终达到降低栅泄漏电流的同时保持漏极输出电流处于较高水平的效果。
附图说明
49.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
50.图1为本发明组份渐变复合势垒层hemt器件一种实施例的结构示意图；
51.图2为本发明组份渐变复合势垒层hemt器件一种实施例的结构示意图；
52.图3为本发明组份渐变复合势垒层hemt器件的制备过程示意图；
53.图4为在漏压为10v的情况下，本发明组份渐变复合势垒层hemt器件的一种实施例与常规器件的栅电压-漏电流转移特性对比图；横坐标为栅电压，纵坐标为漏电流；
54.图5为在漏压为10v的情况下，本发明组份渐变复合势垒层hemt器件的一种实施例与常规器件的跨导特性对比图；横坐标为栅电压，纵坐标为跨导；
55.图6为在漏压为零的情况下，本发明组份渐变复合势垒层hemt器件的一种实施例与常规器件的栅泄漏电流对比图；横坐标为栅电压，纵坐标为栅电流。
56.以上图中，101 sic衬底；102 si衬底；2 aln成核层；3 gan沟道层；4 aln插入层；5固定al组份algan势垒层；6渐变al组份algan势垒层；7源电极；8漏电极；9钝化层；10栅电极。
具体实施方式
57.下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
58.实施例1
59.参考图1，为本发明组份渐变复合势垒层hemt器件一种实施例的结构示意图；该组份渐变复合势垒层hemt器件，包括sic衬底101，所述sic衬底101的上表面设置有aln成核层2；
60.所述aln成核层2的上表面设置有gan沟道层3，所述gan沟道层3的中部厚度大于所述gan沟道层3的两侧厚度；
61.所述gan沟道层3中部的上表面设置有aln插入层4；
62.所述aln插入层4的上表面中部设置有渐变al组份algan势垒层6；所述aln插入层4的上表面两侧分别设置有与所述渐变al组份algan势垒层6相邻且厚度相同的固定al组份algan势垒层5；
63.左侧的固定al组份algan势垒层5的上表面左端设置有源电极7，右侧的固定al组份algan势垒层5的上表面右端设置有漏电极8；所述渐变al组份algan势垒层6的上表面中部设置有栅电极10；
64.所述源电极7和所述漏电极8分别与所述固定al组份algan势垒层5形成欧姆接触；所述栅电极10与所述渐变al组份algan势垒层6形成肖特基接触；
65.在所述源电极7和栅电极10之间、所述漏电极8和栅电极10之间分别设置有钝化层9；所述gan沟道层3中部的两个侧面设置有钝化层9；所述gan沟道层3两个侧较薄部分的上表面设置有钝化层9；所述aln插入层4的两个侧面设置有钝化层9；所述固定al组份algan势垒层5的两个侧面设置有钝化层9；所述源电极7的两个侧面设置有钝化层9；所述漏电极8的两个侧面分别设置有钝化层9。
66.进一步的，所述aln成核层2的厚度为200nm。
67.进一步的，所述gan沟道层3的厚度为1μm。
68.进一步的，所述aln插入层4的厚度为1nm。
69.进一步的，所述固定al组份algan势垒层5的厚度为30nm；在所述固定al组份algan势垒层5中，al组分固定不变为30％。
70.进一步的，所述渐变al组份algan势垒层6的厚度为30nm；在所述渐变al组份algan
势垒层6中，al组分由下层到上层递减，最下层al组分为50％，最上层al组分为10％。
71.进一步的，所述钝化层9的厚度为150nm。
72.进一步的，所述漏电极8和所述源电极7均为ti、al、ni和au四层金属由下至上依次组合而成。
73.进一步的，所述栅电极10为ni和au两层金属由下至上依次组合而成。
74.参考图3，为本发明组份渐变复合势垒层hemt器件的制备过程示意图；该组份渐变复合势垒层hemt器件的制备方法，包括以下步骤：
75.步骤s1，选择使用sic衬底101，在sic衬底101上外延生长aln成核层2；
76.步骤s2，在aln成核层2上外延生长gan沟道层3；
77.步骤s3，在gan沟道层3上外延生长aln插入层4；
78.步骤s4，在aln插入层4上外延生长固定al组份algan势垒层5；
79.步骤s5，在固定al组份algan势垒层5上外延生长sio2掩蔽膜；
80.步骤s6，在固定al组份algan势垒层5和sio2掩蔽膜中部光刻出渐变al组份algan势垒层6的区域，刻蚀该区域的sio2掩膜层和固定al组份algan势垒层5，形成一处凹槽；
81.步骤s7，在凹槽处的aln插入层4上外延生长渐变al组份algan势垒层6，再去除其余的sio2掩蔽膜；
82.步骤s8，对固定al组份algan势垒层5进行光刻，暴露出源电极7区域和漏电极8区域，再对器件进行蒸镀、剥离、退火处理，在源电极7区域和漏电极8区域形成源电极7和漏电极8；
83.步骤s9，对器件进行台面隔离处理；
84.步骤s10，对渐变al组份algan势垒层6进行光刻，暴露出栅电极10区域，再对器件进行蒸镀、剥离处理，在栅电极10区域形成栅电极10；
85.步骤s11，在器件的gan沟道层3上表面及gan沟道层3以上部分的外表面外延生长钝化层上外延生长钝化层9；
86.步骤s12，对源电极7区域、漏电极8区域和栅电极10区域上的钝化层9进行化学腐蚀处理，制备完成。
87.进一步的，步骤s1中的外延生长的aln成核层2，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1000℃。
88.进一步的，步骤s2中外延生长的gan沟道层3，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1000℃。
89.进一步的，步骤s3中外延生长的aln插入层4，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1000℃。
90.进一步的，步骤s4中外延生长的固定al组份的algan势垒层，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1000℃；固定al组份的algan势垒层中的al组份固定为30％。
91.进一步的，步骤s5中外延生长的sio2掩蔽膜，采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)生长制备，生长温度为300℃。
92.进一步的，步骤s7中外延生长的渐变al组份algan势垒层6，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1000℃，具体为：在衬底温度为1000℃下，通入三
甲基铝(tmal)、三甲基镓(tmga)与氨气(nh3)，同时三甲基铝(tmal)和三甲基镓(tmga)以设定的摩尔量变化，使得渐变al组份algan势垒层6中的al组分由下层到上层递减，下层al组分为50％，上层al组分为10％。
93.进一步的，步骤s8中，具体的，采用电子束蒸发方式进行源电极7和漏电极8的金属淀积，源电极7和漏电极8自下而上淀积的金属依次为ti、al、ni、au，ti、al、ni、au四层金属的厚度分别为20nm、120nm、45nm、30nm；将所有金属蒸发完后，再将器件放入金属剥离液中进行剥离；最后进行快速热退火处理：退火气氛为n2，退火温度为800℃，退火时间为30s。
94.进一步的，步骤s9中的台面隔离，采用干法刻蚀的方法，向下刻蚀至gan沟道层3。
95.进一步的，步骤s10中，具体的，采用电子束蒸发的方法进行栅电极10的金属淀积，栅电极10自下而上淀积的金属依次为ni、au，ni、au两层金属的厚度分别为45nm、100nm；将所有金属蒸发完后，再将器件放入金属剥离液中进行剥离。
96.进一步的，步骤s11中外延生长的钝化层9为sin钝化层9，采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)生长制备，生长温度为230℃。
97.进一步的，步骤s12中的化学腐蚀处理，具体为：采用质量分数比为hf:hn4f＝1:5的缓冲氧化物刻蚀剂(boe)溶液浸泡50s。
98.实施例2
99.参考图2，为本发明组份渐变复合势垒层hemt器件一种实施例的结构示意图；该组份渐变复合势垒层hemt器件，包括si衬底102，所述si衬底102的上表面设置有aln成核层2；
100.所述aln成核层2的上表面设置有gan沟道层3，所述gan沟道层3的中部厚度大于所述gan沟道层3的两侧厚度；
101.所述gan沟道层3中部的上表面设置有aln插入层4；
102.所述aln插入层4的上表面中部设置有渐变al组份algan势垒层6；所述aln插入层4的上表面两侧分别设置有与所述渐变al组份algan势垒层6相邻且厚度相同的固定al组份algan势垒层5；
103.左侧的固定al组份algan势垒层5的上表面左端设置有源电极7，右侧的固定al组份algan势垒层5的上表面右端设置有漏电极8；所述渐变al组份algan势垒层6的上表面中部设置有栅电极10；
104.所述源电极7和所述漏电极8分别与所述固定al组份algan势垒层5形成欧姆接触；所述栅电极10与所述渐变al组份algan势垒层6形成肖特基接触；
105.在所述源电极7和栅电极10之间、所述漏电极8和栅电极10之间分别设置有钝化层9；所述gan沟道层3中部的两个侧面设置有钝化层9；所述gan沟道层3两个侧较薄部分的上表面设置有钝化层9；所述aln插入层4的两个侧面设置有钝化层9；所述固定al组份algan势垒层5的两个侧面设置有钝化层9；所述源电极7的两个侧面设置有钝化层9；所述漏电极8的两个侧面分别设置有钝化层9。
106.进一步的，所述aln成核层2的厚度为300nm。
107.进一步的，所述gan沟道层3的厚度为2μm。
108.进一步的，所述aln插入层4的厚度为1nm。
109.进一步的，所述固定al组份algan势垒层5的厚度为20nm；在所述固定al组份algan势垒层5中，al组分固定不变为30％。
110.进一步的，所述渐变al组份algan势垒层6的厚度为20nm；所述渐变al组份algan势垒层6中，al组分由下层到上层递减，最下层al组分为45％，最上层al组分为15％。
111.进一步的，所述钝化层9的厚度为250nm。
112.进一步的，所述漏电极8和所述源电极7均为ti、al、ni和au四层金属由下至上依次组合而成。
113.进一步的，所述栅电极10为ni和au两层金属由下至上依次组合而成。
114.参考图3，为本发明组份渐变复合势垒层hemt器件的制备过程示意图；该组份渐变复合势垒层hemt器件的制备方法，包括以下步骤：
115.步骤s1，选择使用si衬底102，在si衬底102上外延生长aln成核层2；
116.步骤s2，在aln成核层2上外延生长gan沟道层3；
117.步骤s3，在gan沟道层3上外延生长aln插入层4；
118.步骤s4，在aln插入层4上外延生长固定al组份algan势垒层5；
119.步骤s5，在固定al组份algan势垒层5上外延生长sio2掩蔽膜；
120.步骤s6，在固定al组份algan势垒层5和sio2掩蔽膜中部光刻出渐变al组份algan势垒层6的区域，刻蚀该区域的sio2掩膜层和固定al组份algan势垒层5，形成一处凹槽；
121.步骤s7，在凹槽处的aln插入层4上外延生长渐变al组份algan势垒层6，再去除其余的sio2掩蔽膜；
122.步骤s8，对固定al组份algan势垒层5进行光刻，暴露出源电极7区域和漏电极8区域，再对整体器件进行蒸镀、剥离、退火处理，在源电极7区域和漏电极8区域形成源电极7和漏电极8；
123.步骤s9，对整体器件进行台面隔离处理；
124.步骤s10，对渐变al组份algan势垒层6进行光刻，暴露出栅电极10区域，再对整体器件进行蒸镀、剥离处理，在栅电极10区域形成栅电极10；
125.步骤s11，在器件的gan沟道层3上表面及gan沟道层3以上部分的外表面外延生长钝化层9；
126.步骤s12，对源电极7区域、漏电极8区域和栅电极10区域上的钝化层9进行化学腐蚀处理，制备完成。
127.进一步的，步骤s1中的外延生长的aln成核层2，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1050℃。
128.进一步的，步骤s2中外延生长的gan沟道层3，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1050℃。
129.进一步的，步骤s3中外延生长的aln插入层4，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1050℃。
130.进一步的，步骤s4中外延生长的固定al组份的algan势垒层，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1050℃；固定al组份的algan势垒层中的al组份固定为30％。
131.进一步的，步骤s5中外延生长的sio2掩蔽膜，采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)生长制备，生长温度为300℃。
132.进一步的，步骤s7中外延生长的渐变al组份algan势垒层6，采用金属有机化学气
相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1050℃，具体为：在衬底温度为1050℃下，通入三甲基铝(tmal)、三甲基镓(tmga)与氨气(nh3)，同时三甲基铝(tmal)和三甲基镓(tmga)以设定的摩尔量变化，使得渐变al组份algan势垒层6中的al组分由下层到上层递减，下层al组分为45％，上层al组分为15％。
133.进一步的，步骤s8中，具体的，采用电子束蒸发方式进行源电极7和漏电极8的金属淀积，源电极7和漏电极8自下而上淀积的金属依次为ti、al、ni、au，ti、al、ni、au四层金属的厚度分别为22nm、140nm、55nm、40nm；将所有金属蒸发完后，再将器件放入金属剥离液中进行剥离；最后进行快速热退火处理：退火气氛为n2，退火温度为850℃，退火时间为30s。
134.进一步的，步骤s9中的台面隔离，采用干法刻蚀的方法，向下刻蚀至gan沟道层3。
135.进一步的，步骤s10中，具体的，采用电子束蒸发的方法进行栅电极10的金属淀积，栅电极10自下而上淀积的金属依次为ni、au，ni、au两层金属的厚度分别为55nm、120nm；将所有金属蒸发完后，再将器件放入金属剥离液中进行剥离。
136.进一步的，步骤s11中外延生长的钝化层9为sin钝化层9，采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)生长制备，生长温度为300℃。
137.进一步的，步骤s12中的化学腐蚀处理，具体为：采用质量分数比为hf:hn4f＝1:6的缓冲氧化物刻蚀剂(boe)溶液浸泡75s。
138.仿真对比
139.使用si lvaco at las软件对实施例2的组份渐变复合势垒层hemt器件和常规hemt器件(与实施例2的组份渐变复合势垒层hemt器件相比，将渐变al组份algan势垒层替换为固定al组份algan势垒层)进行对比仿真，对比结果如图4、图5、图6所示。
140.参考图4，可以看出实施例2的组份渐变复合势垒层hemt器件相较于常规器件，在负栅电压下的关态漏电流显著降低，从10-6
量级降到10-12
量级。
141.参考图4、图5，可以看出实施例2的组份渐变复合势垒层hemt器件相较于常规器件，能保持器件的开态电流在较高水平(大于1a/mm)，且跨导特性和栅控能力不退化。
142.参考图6，可以看出实施例2的组份渐变复合势垒层hemt器件相较于常规器件，栅泄漏电流降低了12个量级。
143.虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
技术领域
1.本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种组份渐变复合势垒层hemt(高电子迁移率晶体管，high electron mobi l i ty trans i s tor)器件及其制备方法。
背景技术：
2.以algan/gan异质结为代表的ⅲ族氮化物异质结构，因强极化效应诱导异质结界面处形成高浓度的二维电子气(2-deg)，非常适合于制备高电子迁移率晶体管。hemt器件凭借高浓度和高迁移率的二维电子气的特点，被广泛应用于高频微波大功率器件、光电子器件及电力电子器件领域。
3.然而，algan/gan hemt器件的可靠性问题一直是制约其发展的关键难题，而栅泄漏电流又是其中的重要因素。尤其是随着制作工艺的进步，器件的特征尺寸持续缩小，栅电流的影响越来越显著，故如何抑制栅电流来提高algan/gan hemt器件的可靠性成为了algan/gan hemt器件研究的当务之急。
4.肖特基势垒隧穿和热电子发射是引起常规aigan/gan hemt器件栅电流的主要机制，两种机制的发生概率均与势垒高度相关。通过高功函数金属的方法可以在一定程度上提高势垒高度，但是因为表面态等因素的影响使得通过功函数方法提高势垒高度的程度受限；采用栅介质能够有效抑制栅泄漏，但是会增加栅和沟道的距离，降低器件栅控。
技术实现要素：
5.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种组份渐变复合势垒层hemt器件及其制备方法，通过采用栅下区域al组份渐变和非栅沟道区al组份固定的复合势垒层结构，并利用氮化物的极化效应，来增加栅下势垒高度，且同时保持非栅区沟道电子浓度，从而解决常规hemt器件栅泄漏电流的问题。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
7.技术方案一：一种组份渐变复合势垒层hemt器件，包括sic衬底/si衬底，所述sic衬底/si衬底的上表面设置有aln成核层；
8.所述aln成核层的上表面设置有gan沟道层，所述gan沟道层的中部厚度大于所述gan沟道层的两侧厚度；
9.所述gan沟道层中部的上表面设置有aln插入层；
10.所述aln插入层的上表面中部设置有渐变al组份algan势垒层；所述aln插入层的上表面两侧分别设置有与所述渐变al组份algan势垒层相邻且厚度相同的固定al组份algan势垒层；
11.左侧的固定al组份algan势垒层的上表面左端设置有源电极，右侧的固定al组份algan势垒层的上表面右端设置有漏电极；所述渐变al组份algan势垒层的上表面中部设置有栅电极；
12.所述源电极和所述漏电极分别与所述固定al组份algan势垒层形成欧姆接触；所
述栅电极与所述渐变al组份algan势垒层形成肖特基接触；
13.在所述源电极和栅电极之间、所述漏电极和栅电极之间分别设置有钝化层；所述gan沟道层中部的两个侧面设置有钝化层；所述gan沟道层两个侧较薄部分的上表面设置有钝化层；所述aln插入层的两个侧面设置有钝化层；所述固定al组份algan势垒层的两个侧面设置有钝化层；所述源电极的两个侧面设置有钝化层；所述漏电极的两个侧面分别设置有钝化层。
14.进一步的，所述aln成核层的厚度为200～300nm。
15.进一步的，所述gan沟道层的厚度为1～3μm。
16.进一步的，所述aln插入层的厚度为1nm。
17.进一步的，所述固定al组份algan势垒层厚度为10～50nm；在所述固定al组份algan势垒层中，al组分固定不变；
18.进一步的，所述渐变al组份algan势垒层的厚度为10～50nm；在所述渐变al组份algan势垒层中，al组分由下到上递减，最下层al组分≤50％，最上层al组分≥0％，且下层al组分＞上层al组分。
19.进一步的，钝化层的厚度为100～250nm。
20.进一步的，所述漏电极和所述源电极均为ti、al、ni和au四层金属由下至上依次组合而成。
21.进一步的，所述栅电极为ni和au两层金属由下至上依次组合而成。
22.技术方案二：一种组份渐变复合势垒层hemt器件的制备方法，包括以下步骤：
23.步骤s1，选择使用sic衬底/si衬底，在sic衬底/si衬底上外延生长aln成核层；
24.步骤s2，在aln成核层上外延生长gan沟道层；
25.步骤s3，在gan沟道层上外延生长aln插入层；
26.步骤s4，在aln插入层上外延生长固定al组份algan势垒层；
27.步骤s5，在固定al组份algan势垒层上外延生长sio2掩蔽膜；
28.步骤s6，在固定al组份algan势垒层和sio2掩蔽膜中部光刻出渐变al组份algan势垒层的区域，刻蚀该区域的sio2掩膜层和固定al组份algan势垒层，形成一处凹槽；
29.步骤s7，在凹槽处的aln插入层上外延生长渐变al组份algan势垒层，再去除其余的sio2掩蔽膜；
30.步骤s8，对固定al组份algan势垒层进行光刻，暴露出源电极区域和漏电极区域，再对器件进行蒸镀、剥离、退火处理，在源电极区域和漏电极区域形成源电极和漏电极；
31.步骤s9，对器件进行台面隔离处理；
32.步骤s10，对渐变al组份algan势垒层进行光刻，暴露出栅电极区域，再对器件进行蒸镀、剥离处理，在栅电极区域形成栅电极；
33.步骤s11，在器件的gan沟道层上表面及gan沟道层以上部分的外表面外延生长钝化层；
34.步骤s12，对源电极区域、漏电极区域和栅电极区域上的钝化层进行化学腐蚀处理，组份渐变复合势垒层hemt器件制备完成。
35.进一步的，步骤s1中的外延生长的aln成核层，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为980～1050℃。
36.进一步的，步骤s2中外延生长的gan沟道层，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为980～1050℃。
37.进一步的，步骤s3中外延生长的aln插入层，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为980～1050℃。
38.进一步的，步骤s4中外延生长的固定al组份algan势垒层采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为980～1050℃，固定al组份algan势垒层的al组份固定不变。
39.进一步的，步骤s5中外延生长的sio2掩蔽膜，采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)生长制备，生长温度为300℃。
40.进一步的，步骤s7中外延生长的渐变al组份algan势垒层，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为980～1050℃；
41.具体为：在衬底温度为980～1050℃下，通入三甲基铝(tmal)、三甲基镓(tmga)与氨气(nh3)，同时三甲基铝(tmal)和三甲基镓(tmga)以设定的摩尔量变化，使得渐变al组份algan势垒层中的al组分由下层到上层递减，下层al组分≤50％，上层al组分≥0％，且下层al组分＞上层al组分。
42.进一步的，步骤s8中，具体的，采用电子束蒸发方式进行源电极和漏电极的金属淀积，源电极和漏电极自下而上淀积的金属依次为ti、al、ni、au，ti、al、ni、au四层金属的厚度分别为20～22nm、120～140nm、45～55nm、30～40nm；将所有金属蒸发完后，再将器件放入金属剥离液中进行剥离；最后进行快速热退火处理：退火气氛为n2，退火温度为800～900℃，退火时间为20～40s。
43.进一步的，步骤s9中的台面隔离，采用干法刻蚀的方法，向下刻蚀至gan沟道层。
44.进一步的，步骤s10中，具体的，采用电子束蒸发的方法进行栅电极的金属淀积，栅电极自下而上淀积的金属依次为ni、au，ni、au两层金属的厚度分别为45～55nm、100～120nm；将所有金属蒸发完后，再将器件放入金属剥离液中进行剥离。
45.进一步的，步骤s11中外延生长的钝化层为sin钝化层，采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)生长制备，生长温度为230～320℃。
46.进一步的，步骤s12中的化学腐蚀处理，具体为：采用质量分数比为hf:hn4f＝1:7～1:5的缓冲氧化物刻蚀剂(boe)溶液浸泡50～100s。
47.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
48.利用三族氮化物的极化效应，在栅下采用了渐变al组份algan势垒层，能够有效调节栅下半导体的能带结构，增加了势垒高度，降低了栅泄漏电流；同时在非栅势垒区采用了固定al组份algan势垒层，能保持沟道区高电子浓度，最终达到降低栅泄漏电流的同时保持漏极输出电流处于较高水平的效果。
附图说明
49.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
50.图1为本发明组份渐变复合势垒层hemt器件一种实施例的结构示意图；
51.图2为本发明组份渐变复合势垒层hemt器件一种实施例的结构示意图；
52.图3为本发明组份渐变复合势垒层hemt器件的制备过程示意图；
53.图4为在漏压为10v的情况下，本发明组份渐变复合势垒层hemt器件的一种实施例与常规器件的栅电压-漏电流转移特性对比图；横坐标为栅电压，纵坐标为漏电流；
54.图5为在漏压为10v的情况下，本发明组份渐变复合势垒层hemt器件的一种实施例与常规器件的跨导特性对比图；横坐标为栅电压，纵坐标为跨导；
55.图6为在漏压为零的情况下，本发明组份渐变复合势垒层hemt器件的一种实施例与常规器件的栅泄漏电流对比图；横坐标为栅电压，纵坐标为栅电流。
56.以上图中，101 sic衬底；102 si衬底；2 aln成核层；3 gan沟道层；4 aln插入层；5固定al组份algan势垒层；6渐变al组份algan势垒层；7源电极；8漏电极；9钝化层；10栅电极。
具体实施方式
57.下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
58.实施例1
59.参考图1，为本发明组份渐变复合势垒层hemt器件一种实施例的结构示意图；该组份渐变复合势垒层hemt器件，包括sic衬底101，所述sic衬底101的上表面设置有aln成核层2；
60.所述aln成核层2的上表面设置有gan沟道层3，所述gan沟道层3的中部厚度大于所述gan沟道层3的两侧厚度；
61.所述gan沟道层3中部的上表面设置有aln插入层4；
62.所述aln插入层4的上表面中部设置有渐变al组份algan势垒层6；所述aln插入层4的上表面两侧分别设置有与所述渐变al组份algan势垒层6相邻且厚度相同的固定al组份algan势垒层5；
63.左侧的固定al组份algan势垒层5的上表面左端设置有源电极7，右侧的固定al组份algan势垒层5的上表面右端设置有漏电极8；所述渐变al组份algan势垒层6的上表面中部设置有栅电极10；
64.所述源电极7和所述漏电极8分别与所述固定al组份algan势垒层5形成欧姆接触；所述栅电极10与所述渐变al组份algan势垒层6形成肖特基接触；
65.在所述源电极7和栅电极10之间、所述漏电极8和栅电极10之间分别设置有钝化层9；所述gan沟道层3中部的两个侧面设置有钝化层9；所述gan沟道层3两个侧较薄部分的上表面设置有钝化层9；所述aln插入层4的两个侧面设置有钝化层9；所述固定al组份algan势垒层5的两个侧面设置有钝化层9；所述源电极7的两个侧面设置有钝化层9；所述漏电极8的两个侧面分别设置有钝化层9。
66.进一步的，所述aln成核层2的厚度为200nm。
67.进一步的，所述gan沟道层3的厚度为1μm。
68.进一步的，所述aln插入层4的厚度为1nm。
69.进一步的，所述固定al组份algan势垒层5的厚度为30nm；在所述固定al组份algan势垒层5中，al组分固定不变为30％。
70.进一步的，所述渐变al组份algan势垒层6的厚度为30nm；在所述渐变al组份algan
势垒层6中，al组分由下层到上层递减，最下层al组分为50％，最上层al组分为10％。
71.进一步的，所述钝化层9的厚度为150nm。
72.进一步的，所述漏电极8和所述源电极7均为ti、al、ni和au四层金属由下至上依次组合而成。
73.进一步的，所述栅电极10为ni和au两层金属由下至上依次组合而成。
74.参考图3，为本发明组份渐变复合势垒层hemt器件的制备过程示意图；该组份渐变复合势垒层hemt器件的制备方法，包括以下步骤：
75.步骤s1，选择使用sic衬底101，在sic衬底101上外延生长aln成核层2；
76.步骤s2，在aln成核层2上外延生长gan沟道层3；
77.步骤s3，在gan沟道层3上外延生长aln插入层4；
78.步骤s4，在aln插入层4上外延生长固定al组份algan势垒层5；
79.步骤s5，在固定al组份algan势垒层5上外延生长sio2掩蔽膜；
80.步骤s6，在固定al组份algan势垒层5和sio2掩蔽膜中部光刻出渐变al组份algan势垒层6的区域，刻蚀该区域的sio2掩膜层和固定al组份algan势垒层5，形成一处凹槽；
81.步骤s7，在凹槽处的aln插入层4上外延生长渐变al组份algan势垒层6，再去除其余的sio2掩蔽膜；
82.步骤s8，对固定al组份algan势垒层5进行光刻，暴露出源电极7区域和漏电极8区域，再对器件进行蒸镀、剥离、退火处理，在源电极7区域和漏电极8区域形成源电极7和漏电极8；
83.步骤s9，对器件进行台面隔离处理；
84.步骤s10，对渐变al组份algan势垒层6进行光刻，暴露出栅电极10区域，再对器件进行蒸镀、剥离处理，在栅电极10区域形成栅电极10；
85.步骤s11，在器件的gan沟道层3上表面及gan沟道层3以上部分的外表面外延生长钝化层上外延生长钝化层9；
86.步骤s12，对源电极7区域、漏电极8区域和栅电极10区域上的钝化层9进行化学腐蚀处理，制备完成。
87.进一步的，步骤s1中的外延生长的aln成核层2，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1000℃。
88.进一步的，步骤s2中外延生长的gan沟道层3，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1000℃。
89.进一步的，步骤s3中外延生长的aln插入层4，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1000℃。
90.进一步的，步骤s4中外延生长的固定al组份的algan势垒层，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1000℃；固定al组份的algan势垒层中的al组份固定为30％。
91.进一步的，步骤s5中外延生长的sio2掩蔽膜，采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)生长制备，生长温度为300℃。
92.进一步的，步骤s7中外延生长的渐变al组份algan势垒层6，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1000℃，具体为：在衬底温度为1000℃下，通入三
甲基铝(tmal)、三甲基镓(tmga)与氨气(nh3)，同时三甲基铝(tmal)和三甲基镓(tmga)以设定的摩尔量变化，使得渐变al组份algan势垒层6中的al组分由下层到上层递减，下层al组分为50％，上层al组分为10％。
93.进一步的，步骤s8中，具体的，采用电子束蒸发方式进行源电极7和漏电极8的金属淀积，源电极7和漏电极8自下而上淀积的金属依次为ti、al、ni、au，ti、al、ni、au四层金属的厚度分别为20nm、120nm、45nm、30nm；将所有金属蒸发完后，再将器件放入金属剥离液中进行剥离；最后进行快速热退火处理：退火气氛为n2，退火温度为800℃，退火时间为30s。
94.进一步的，步骤s9中的台面隔离，采用干法刻蚀的方法，向下刻蚀至gan沟道层3。
95.进一步的，步骤s10中，具体的，采用电子束蒸发的方法进行栅电极10的金属淀积，栅电极10自下而上淀积的金属依次为ni、au，ni、au两层金属的厚度分别为45nm、100nm；将所有金属蒸发完后，再将器件放入金属剥离液中进行剥离。
96.进一步的，步骤s11中外延生长的钝化层9为sin钝化层9，采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)生长制备，生长温度为230℃。
97.进一步的，步骤s12中的化学腐蚀处理，具体为：采用质量分数比为hf:hn4f＝1:5的缓冲氧化物刻蚀剂(boe)溶液浸泡50s。
98.实施例2
99.参考图2，为本发明组份渐变复合势垒层hemt器件一种实施例的结构示意图；该组份渐变复合势垒层hemt器件，包括si衬底102，所述si衬底102的上表面设置有aln成核层2；
100.所述aln成核层2的上表面设置有gan沟道层3，所述gan沟道层3的中部厚度大于所述gan沟道层3的两侧厚度；
101.所述gan沟道层3中部的上表面设置有aln插入层4；
102.所述aln插入层4的上表面中部设置有渐变al组份algan势垒层6；所述aln插入层4的上表面两侧分别设置有与所述渐变al组份algan势垒层6相邻且厚度相同的固定al组份algan势垒层5；
103.左侧的固定al组份algan势垒层5的上表面左端设置有源电极7，右侧的固定al组份algan势垒层5的上表面右端设置有漏电极8；所述渐变al组份algan势垒层6的上表面中部设置有栅电极10；
104.所述源电极7和所述漏电极8分别与所述固定al组份algan势垒层5形成欧姆接触；所述栅电极10与所述渐变al组份algan势垒层6形成肖特基接触；
105.在所述源电极7和栅电极10之间、所述漏电极8和栅电极10之间分别设置有钝化层9；所述gan沟道层3中部的两个侧面设置有钝化层9；所述gan沟道层3两个侧较薄部分的上表面设置有钝化层9；所述aln插入层4的两个侧面设置有钝化层9；所述固定al组份algan势垒层5的两个侧面设置有钝化层9；所述源电极7的两个侧面设置有钝化层9；所述漏电极8的两个侧面分别设置有钝化层9。
106.进一步的，所述aln成核层2的厚度为300nm。
107.进一步的，所述gan沟道层3的厚度为2μm。
108.进一步的，所述aln插入层4的厚度为1nm。
109.进一步的，所述固定al组份algan势垒层5的厚度为20nm；在所述固定al组份algan势垒层5中，al组分固定不变为30％。
110.进一步的，所述渐变al组份algan势垒层6的厚度为20nm；所述渐变al组份algan势垒层6中，al组分由下层到上层递减，最下层al组分为45％，最上层al组分为15％。
111.进一步的，所述钝化层9的厚度为250nm。
112.进一步的，所述漏电极8和所述源电极7均为ti、al、ni和au四层金属由下至上依次组合而成。
113.进一步的，所述栅电极10为ni和au两层金属由下至上依次组合而成。
114.参考图3，为本发明组份渐变复合势垒层hemt器件的制备过程示意图；该组份渐变复合势垒层hemt器件的制备方法，包括以下步骤：
115.步骤s1，选择使用si衬底102，在si衬底102上外延生长aln成核层2；
116.步骤s2，在aln成核层2上外延生长gan沟道层3；
117.步骤s3，在gan沟道层3上外延生长aln插入层4；
118.步骤s4，在aln插入层4上外延生长固定al组份algan势垒层5；
119.步骤s5，在固定al组份algan势垒层5上外延生长sio2掩蔽膜；
120.步骤s6，在固定al组份algan势垒层5和sio2掩蔽膜中部光刻出渐变al组份algan势垒层6的区域，刻蚀该区域的sio2掩膜层和固定al组份algan势垒层5，形成一处凹槽；
121.步骤s7，在凹槽处的aln插入层4上外延生长渐变al组份algan势垒层6，再去除其余的sio2掩蔽膜；
122.步骤s8，对固定al组份algan势垒层5进行光刻，暴露出源电极7区域和漏电极8区域，再对整体器件进行蒸镀、剥离、退火处理，在源电极7区域和漏电极8区域形成源电极7和漏电极8；
123.步骤s9，对整体器件进行台面隔离处理；
124.步骤s10，对渐变al组份algan势垒层6进行光刻，暴露出栅电极10区域，再对整体器件进行蒸镀、剥离处理，在栅电极10区域形成栅电极10；
125.步骤s11，在器件的gan沟道层3上表面及gan沟道层3以上部分的外表面外延生长钝化层9；
126.步骤s12，对源电极7区域、漏电极8区域和栅电极10区域上的钝化层9进行化学腐蚀处理，制备完成。
127.进一步的，步骤s1中的外延生长的aln成核层2，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1050℃。
128.进一步的，步骤s2中外延生长的gan沟道层3，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1050℃。
129.进一步的，步骤s3中外延生长的aln插入层4，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1050℃。
130.进一步的，步骤s4中外延生长的固定al组份的algan势垒层，采用金属有机化学气相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1050℃；固定al组份的algan势垒层中的al组份固定为30％。
131.进一步的，步骤s5中外延生长的sio2掩蔽膜，采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)生长制备，生长温度为300℃。
132.进一步的，步骤s7中外延生长的渐变al组份algan势垒层6，采用金属有机化学气
相沉积(mocvd)进行生长制备，生长温度为1050℃，具体为：在衬底温度为1050℃下，通入三甲基铝(tmal)、三甲基镓(tmga)与氨气(nh3)，同时三甲基铝(tmal)和三甲基镓(tmga)以设定的摩尔量变化，使得渐变al组份algan势垒层6中的al组分由下层到上层递减，下层al组分为45％，上层al组分为15％。
133.进一步的，步骤s8中，具体的，采用电子束蒸发方式进行源电极7和漏电极8的金属淀积，源电极7和漏电极8自下而上淀积的金属依次为ti、al、ni、au，ti、al、ni、au四层金属的厚度分别为22nm、140nm、55nm、40nm；将所有金属蒸发完后，再将器件放入金属剥离液中进行剥离；最后进行快速热退火处理：退火气氛为n2，退火温度为850℃，退火时间为30s。
134.进一步的，步骤s9中的台面隔离，采用干法刻蚀的方法，向下刻蚀至gan沟道层3。
135.进一步的，步骤s10中，具体的，采用电子束蒸发的方法进行栅电极10的金属淀积，栅电极10自下而上淀积的金属依次为ni、au，ni、au两层金属的厚度分别为55nm、120nm；将所有金属蒸发完后，再将器件放入金属剥离液中进行剥离。
136.进一步的，步骤s11中外延生长的钝化层9为sin钝化层9，采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)生长制备，生长温度为300℃。
137.进一步的，步骤s12中的化学腐蚀处理，具体为：采用质量分数比为hf:hn4f＝1:6的缓冲氧化物刻蚀剂(boe)溶液浸泡75s。
138.仿真对比
139.使用si lvaco at las软件对实施例2的组份渐变复合势垒层hemt器件和常规hemt器件(与实施例2的组份渐变复合势垒层hemt器件相比，将渐变al组份algan势垒层替换为固定al组份algan势垒层)进行对比仿真，对比结果如图4、图5、图6所示。
140.参考图4，可以看出实施例2的组份渐变复合势垒层hemt器件相较于常规器件，在负栅电压下的关态漏电流显著降低，从10-6
量级降到10-12
量级。
141.参考图4、图5，可以看出实施例2的组份渐变复合势垒层hemt器件相较于常规器件，能保持器件的开态电流在较高水平(大于1a/mm)，且跨导特性和栅控能力不退化。
142.参考图6，可以看出实施例2的组份渐变复合势垒层hemt器件相较于常规器件，栅泄漏电流降低了12个量级。
143.虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
再多了解一些
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