HEMT器件、基于GaN衬底的HEMT外延结构及制作方法与流程

hemt器件、基于gan衬底的hemt外延结构及制作方法
技术领域
1.本发明涉及一种hemt器件，特别涉及一种hemt器件、基于gan衬底的hemt外延结构及制作方法，属于半导体技术领域。


背景技术：

2.目前的gan基hemt器件大都在sic/si等异质衬底上制备，如图1所示，一种基于sic异质衬底的hemt外延结构，其在制作过程中需要先沉积aln缓冲层，目的是减少与gan的晶格失配；在缓冲层过渡后，继续生长掺铁或碳的高阻gan层，高阻gan层上依次为叠设的gan沟道层、aln隔离层、algan势垒层和gan冒层结构；其中，gan沟道层和algan势垒层的界面处会形成一个很大的势阱，电子被限制在这个薄层内，在沟道层形成高密度的二维电子气(2deg)，aln隔离层很薄，可以改善界面质量，减少散射，提高电子迁移率，同时还可以提高导带的不连续性，增加2deg的密度；gan冒层的目的是降低栅电场、抑制栅电流，降低表面氧化物的生成，整个gan基hemt器件为ga面极性。
3.虽然外延技术的进步使晶体质量得以提高，但随着高频领域—如微波加热、5g系统通信等新应用，对器件的输出效率的需求进一步提升，由于异质衬底上的缓冲层存在高密度位错，以及gan冒层与钝化层(通常sin)之间的界面处会形成电子流失的漏电通道，从而导致电流崩塌，制约着gan基hemt性能的提高；同时，异质衬底在缓冲层以上需要生长约2～4微米的高阻gan层，高阻gan层通常需要掺铁或掺碳，这会使掺杂的记忆效应的风险存在于后续生长中，同样对器件的质量造成不利影响。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种hemt器件、基于gan衬底的hemt外延结构及制作方法，以克服现有技术中的不足。
5.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
6.本发明实施例提供了一种基于gan衬底的hemt外延结构，其包括在n面极性的半绝缘gan衬底上依次形成的界面处理层、势垒层、隔离层和沟道层。
7.本发明实施例还提供了如所述hemt外延结构的制作方法，其包括：
8.提供n面极性的半绝缘gan衬底；
9.在n面极性的半绝缘gan衬底上生长形成界面处理层，并且所述界面处理层的生长条件包括：以50-80％的氢气和20-50％的氨气为原料，于1050c～1100c、400～700mbar条件下反应5～10分钟，然后以0～50umol/min的流量通入al源；
10.在所述界面处理层上依次生长势垒层、隔离层和沟道层。
11.本发明实施例还提供了一种hemt器件，其包括：
12.所述的hemt外延结构；
13.以及，与所述hemt外延结构配合的源极、漏极和栅极，所述栅极分布在源极和漏极之间。
14.与现有技术相比，本发明的优点包括：
15.1)本发明实施例提供的基于gan衬底的hemt外延结构中的gan衬底以及半绝缘特性能够通过前期制备完成，可以避免后期生长高阻外延层带来的不利影响；
16.2)本发明实施例提供的基于gan衬底的hemt外延结构中，同质外延不存在异质衬底上高密度位错缓冲层的问题，在外延生长中进行适当的界面处理，可完全阻断漏电通道的产生；
17.3)gan是极性材料，n面极性gan材料的接触电阻更低，可以改善与钝化层之间表面态密度，从而避免漏电问题的发生；
18.4)n面极性gan材料拥有更高的跨导，可以支持更高的工作频率。
附图说明
19.图1是现有技术中一种基于sic异质衬底的hemt外延结构的结构示意图；
20.图2是本发明一典型实施案例中提供的一种基于gan衬底的hemt外延结构的结构示意图；
21.图3是现有技术中一种基于sic异质衬底的hemt外延结构的效果图；
22.图4是本发明一典型实施案例中提供的一种基于gan衬底的hemt外延结构的效果图；
23.图5是本发明实施例1获得的基于gan衬底的hemt器件和对比例1获得的基于sic异质衬底的hemt器件的i-v测试曲线。
具体实施方式
24.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
25.hemt(high electron mobility transistor)，高电子迁移率晶体管，是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管(modfet)、二维电子气场效应晶体管(2-degfet)、选择掺杂异质结晶体管(sdht)等。
26.hemt器件及其集成电路都能够工作于超高频(毫米波)、超高速领域，原因就在于它是利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的，hemt的基本结构就是一个调制掺杂异质结，高迁移率的二维电子气(2-deg)存在于调制掺杂的异质结中，这种2-deg不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不"冻结"，则hemt有很好的低温性能，可用于低温研究工作(如分数量子hall效应)中。
27.hemt器件是电压控制器件，栅极电压vg可控制异质结势阱的深度，则可控制势阱中2-deg的面密度，从而控制着器件的工作电流。对于gaas体系的hemt，通常其中的n-al
x
ga
1-x
as控制层应该是耗尽的(厚度一般为数百纳米，掺杂浓度为107～108/cm3)；若n-al
x
ga
1-x
as层厚度较大、掺杂浓度又高，则在vg＝0时就存在有2-deg，为耗尽型器件，反之则为增强型器件(vg＝0时schottky耗尽层即延伸到i-gaas层内部)；但该层如果厚度过大、掺杂浓度过高,则工作时就不能耗尽，而且还将出现与s-d并联的漏电电阻。
28.碳化硅(sic)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成，在当代c、n、b等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应
用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。目前生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg。
29.碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途，例如，以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高，节能效果好；低品级碳化硅(含sic约85％)是极好的脱氧剂，用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提高钢的质量。此外，碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。
30.另外，碳化硅的硬度很大，莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石(10级)，具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。
31.gan是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，gan具有高的电离度，在ⅲ—
ⅴ
族化合物中是最高的(0.5或0.43)；在大气压力下，gan晶体一般是六方纤锌矿结构；它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为gaas的一半。gan的电学特性是影响器件的主要因素，未有意掺杂的gan在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4
×
10
16
/cm3；一般情况下所制备的p型样品，都是高补偿的，gan材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场，是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。
32.目前，随着mbe技术在gan材料应用中的进展和关键薄膜生长技术的突破，成功地生长出了gan多种异质结构，用gan材料制备出了金属场效应晶体管(mesfet)、异质结场效应晶体管(hfet)、调制掺杂场效应晶体管(modfet)等新型器件。调制掺杂的algan/gan结构具有高的电子迁移率(2000cm2·
s)、高的饱和速度(1
×
107cm/s)、较低的介电常数，是制作微波器件的优先材料；gan较宽的禁带宽度(3.4ev)及蓝宝石等材料作衬底，散热性能好，有利于器件在大功率条件下工作。
33.gan的禁带宽度大(3.4ev)，热导率高(1.3w/cm-k)，则工作温度高，击穿电压高，抗辐射能力强；gan的导带底在γ点，而且与导带的其他能谷之间能量差大，则不易产生谷间散射，从而能得到很高的强场漂移速度(电子漂移速度不易饱和)；gan易与aln、inn等构成混晶，能制成各种异质结构，已经得到了低温下迁移率达到105cm2/vs的2-deg(因为2-deg面密度较高，有效地屏蔽了光学声子散射、电离杂质散射和压电散射等因素)；gan晶格对称性比较低(为六方纤锌矿结构或四方亚稳的闪锌矿结构)，具有很强的压电性(非中心对称所致)和铁电性(沿六方c轴自发极化)：在异质结界面附近产生很强的压电极化(极化电场达2mv/cm)和自发极化(极化电场达3mv/cm)，感生出极高密度的界面电荷，强烈调制了异质结的能带结构，加强了对2-deg的二维空间限制，从而提高了2-deg的面密度(在algan/gan异质结中可达到10
13
/cm2，这比algaas/gaas异质结中的高一个数量级)，这对器件工作很有意义。
34.本发明实施例提供了一种基于gan衬底的hemt外延结构，其包括在n面极性的半绝缘gan衬底上依次形成的界面处理层、势垒层、隔离层和沟道层。
35.进一步的，所述界面处理层的生长条件包括：以50-80％的氢气和20-50％的氨气为原料，于1050c～1100c、400～700mbar条件下反应5～10分钟，然后以0～50umol/min的流量通入al源；其中，氢气和氨气的比例可以是体积比或质量比。
36.进一步的，所述界面处理层的材质包括aln。
37.进一步的，所述界面处理层的厚度为2-5nm。
38.进一步的，所述势垒层的材质包括algan或ingan，其中，al或in组分的含量为15-100％，所述势垒层的厚度为15-25nm。
39.进一步的，所述隔离层的材质包括aln，厚度为0.5-1nm。
40.进一步的，所述沟道层的材质包括gan、inn、in gan或algan，厚度为100～300nm，其中，algan的al组分含量为为0-15％，ingan的in组分含量为0-15％。
41.进一步的，所述沟道层上还形成有接触层，所述接触层的材质包括inn，厚度为1-3nm。
42.本发明实施例还提供了所述hemt外延结构的制作方法，其包括：
43.提供n面极性的半绝缘gan衬底；
44.在n面极性的半绝缘gan衬底上生长形成界面处理层，并且所述界面处理层的生长条件包括：以50-80％的氢气和20-50％的氨气为原料，于1050c～1100c、400～700mbar条件下反应5-10分钟，然后以0～50umol/min的流量通入al源，其中，氢气和氨气的比例可以是体积比或质量比；
45.在所述界面处理层上依次生长插入层、势垒层和沟道层。
46.需要说明的是，在制作hemt外延结构时，仅需通入少量的al源即可，al源具体的通入量可以根据具体生产需要进行确定，在此不作具体的限制。
47.进一步的，所述的制作方法还包括：在所述沟道层上生长接触层。
48.本发明实施例还提供了一种hemt器件，其包括：
49.所述的hemt外延结构；以及，与所述hemt外延结构配合的源极、漏极和栅极，所述栅极分布在源极和漏极之间。
50.进一步的，所述源极、漏极均与接触层电性结合，例如，所述源极、漏极均与接触层形成欧姆接触。
51.进一步的，所述栅极与接触层之间还分布有栅介质层，栅介质层的材质可以采用本领域技术人员已知的材料，厚度不作具体的限定。
52.如下将结合附图以及具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
53.实施例1
54.请参阅图2，一种基于gan衬底的hemt外延结构，其包括在n面极性的半绝缘gan衬底上依次形成的界面处理层、algan势垒层、aln隔离层、gan沟道层和inn接触层，所述algan势垒层与gan沟道层配合形成异质结，在所述algan势垒层与gan沟道层之间具有二维电子气；其中，界面处理层厚度为5nm的aln层，algan势垒层的厚度为20nm，al组分的含量为25％(质量分数，下同)，aln隔离层的厚度为1nm，gan沟道层的厚度为300nm，inn接触层的厚度为2nm。
55.该基于gan衬底的hemt外延结构的制作方法具体包括如下过程：
56.1)提供n面极性的半绝缘gan衬底；
57.2)将n面极性的半绝缘gan衬底置于反应容器或反应体系中，于1100℃、600mbar的条件下，向反应容器或反应体系中通入氢气70％和氨气30％，烘烤处理10分钟(其目的是在保证平整度的前提下，去除半绝缘gan衬底表面的高活性n面gan中的o等杂质元素)；
58.3)然后将反应容器或反应体系的温度降温到1000℃，并在压力100mbar的条件下通入少量的al，从而沉积形成约5nm的平整aln层，因al有填补孔洞的作用，故可以再次提高外延层的平整度，同时可以为含al的势垒层生长做铺垫和过度，以提高后续algan/gan异质结的平整度和晶体质量；
59.4)保持aln界面处理层的生长条件，在aln界面处理层上依次生长20nm的algan(al组分25％)势垒层、1nm的aln隔离层和300nm的gan沟道层，其中，algan势垒层与gan沟道层的设制作顺序与传统ga面hemt不同，原因是n面gan的内建电场相反，产生的二维电子气(2deg)位置不同；
60.5)将反应容器或反应体系的降温至700℃，并于300mbar的压力条件下，在gan沟道层上生长inn接触层。
61.对比例1
62.如图1所示，一种基于sic异质衬底的hemt外延结构，其包括sic异质衬底以及依次设置在所述sic异质衬底上的aln缓冲层(约200nm)、高阻gan层(约2um)、gan沟道层(约300nm)、aln隔离层(约1nm)、algan势垒层(约20nm)和gan(约2nm)冒层。
63.分别对本发明实施例1获得的基于gan衬底的hemt器件(定义为hemt-1)和对比例1获得的基于sic异质衬底的hemt器件(定义为hemt-2)进行i-v测试(测试方法可以采用本领域技术人员已知的方法和设备进行)，测试结果如图5所示，由图5可以看出，本发明实施例1获得的基于gan衬底的hemt器件具有更高的击穿电压和更低的缓冲区泄露电流。
64.具体的，请参阅图3和图4，当hemt器件在更严苛的工况下，本发明实施例1提供的基于gan衬底的hemt外延结构较之对比例1中的基于sic异质衬底的hemt外延结构，本发明采用n面极性的半绝缘gan自支撑衬底，能够避免异质外延引起的晶格失配和热失配所带来的缺陷，从而在缓冲层处引起漏电的通道；同时，本发明实施例1采用n面极性的半绝缘gan衬底提高高频响应，采用inn接触层以减少器件的表面态密度，抑制了外延层与钝化层之间的漏电通道；并从以上两个方面切断漏电通道，消除和降低了电流崩塌效应，提升了gan基hemt器件的高性能，拓宽了其在高温、高频和大功率场合的应用。
65.具体的，本发明实施例提供的一种基于gan衬底的hemt外延结构的制作方法，只需穿过禁带宽度较小的gan沟道层，即可实现源/漏端的低电阻连接，不同于现有hemt外延结构需要穿过禁带宽度较大的algan势垒层，因此，本发明可以获得较低表面态的接触电阻。
66.本发明实施例提供的基于gan衬底的hemt外延结构中的gan衬底的半绝缘特性能够通过前期制备完成，可以避免后期生长高阻外延层带来的不利影响；gan衬底的半绝缘特性可通过如下方式获得：在hvpe反应器内制备完成后，通过剥离、研磨和抛光后形成gan衬底，之后再于mocvd反应器中生长hemt结构，具体的参数和过程可以采用本领域技术人员已知的现有技术实现。
67.具体的，同质外延不存在异质衬底上高密度位错缓冲层的问题，在外延中进行适当的界面处理和生长，可完全阻断漏电通道的产生；再者，gan是极性材料，n面极性gan材料的接触电阻更低，可以改善与钝化层之间表面态密度，从而避免漏电问题的发生；以及，n面极性gan材料还拥有更高的跨导，可以在更高的频率工作；另外，相较于异质生长，高质量的单一极性的n面极性gan材料只有在同质外延才能获得。
68.应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此
项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。