一种氮化镓高迁移率晶体管器件的制作方法

1.本实用新型属于晶体管技术领域，具体涉及一种氮化镓高迁移率晶体管器件。


背景技术：

2.氮化镓具有高的击穿电场、高的饱和电子迁移率，是一类宽禁带半导体材料。基于氮化镓的高迁移率晶体管(hemt)在高速、高功率等领域展现出了应用前景。氮化镓基hemt的理论输出功率密度可以达到10w/mm以上，但是由于自身耗散功率影响下的热效应问题使其输出功率限制在3-5w/mm。将其与高热导率金刚石材料集成是实现有效散热，从而降低器件工作温度，打破输出功率限制的有效方法。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种结构简单、具有高散热特性的氮化镓高迁移率晶体管器件，可以更有效的提高功率器件的散热特性，有利于实现更高的驱动电流与更大的输出功率。
4.为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种氮化镓高迁移率晶体管器件，包括衬层、晶体管层、帽层和插层，所述插层为六方氮化硼插层，六方氮化硼插层设置在衬层上，晶体管层设置在六方氮化硼插层上，帽层设置在晶体管层上。
5.进一步的，所述衬层为金刚石衬底，在金刚石衬底上通过液相转移二维六方氮化硼材料形成六方氮化硼插层。
6.进一步的，所述插层中六方氮化硼的层数为1-5层。
7.进一步的，所述帽层包括源极、漏极和栅极，源极、漏极和栅极均设置在晶体管层上，源极和漏极位于两端部，栅极设置在中部，源极、栅极、漏极之间均设有间隙。
8.进一步的，所述帽层还包括氮化硅层和六方氮化硼层，氮化硅层和六方氮化硼层设置在源极、栅极、漏极之间的间隙中，六方氮化硼层位于氮化硅层的上方。
9.进一步的，所述源极、栅极、漏极之间沉积薄氮化硅层，在氮化硅层上，通过液相转移二维六方氮化硼材料形成六方氮化硼层，六方氮化硼层的厚度大于氮化硅层的厚度。
10.进一步的，所述晶体管层包括aln层，aln层通过金属有机化学气相沉积生长在六方氮化硼插层上。
11.进一步的，所述晶体管层还包括高阻gan层、本征gan层和algan层，高阻gan层通过金属有机气相外延生长在aln层上，本征gan层通过金属有机气相外延生长在高阻gan层上，algan层通过金属有机气相外延生长在本征gan层上。
12.进一步的，所述aln层的厚度为100nm，高阻gan层的厚度为200nm，本征gan层的厚度为1000nm，algan层的厚度为20nm。
13.采用本实用新型技术方案的优点为：
14.本实用新型采用高热导率的六方氮化硼作为帽层结构，利用纳米片的良好接触性和填充性，能够有效和沟道之间形成空间上的紧邻，以实现高散热性的效果。相比于金刚石
沉积的高温，六方氮化硼可以在常温下进行高质量沉积。同时在hemt器件底部采用六方氮化硼配合金刚石作为衬底，同样有利于热的传递，降低器件工作时发热温度。本实用新型提供的氮化镓高迁移率晶体管器件可以更有效的提高功率器件的散热特性，有利于实现更高的驱动电流与更大的输出功率。
附图说明
15.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：
16.图1为本实用新型氮化镓高迁移率晶体管器件结构示意图。
17.上述图中的标记分别为：1-衬层；2-晶体管层；3-帽层；4-插层。
具体实施方式
18.在本实用新型中，需要理解的是，术语“长度”；“宽度”；“上”；“下”；“前”；“后”；“左”；“右”；“竖直”；“水平”；“顶”；“底”“内”；“外”；“顺时针”；“逆时针”；“轴向”；“平面方向”；“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位；以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
19.如图1所示，一种氮化镓高迁移率晶体管器件，包括衬层1、晶体管层2、帽层3和插层4，所述插层4为六方氮化硼插层，六方氮化硼插层设置在衬层1上，晶体管层2设置在六方氮化硼插层上，帽层3设置在晶体管层2上。衬层1为金刚石衬底，在金刚石衬底上通过液相转移二维六方氮化硼材料形成六方氮化硼插层；优选的插层4中六方氮化硼的层数为1-5层。氮化镓高迁移率晶体管器件底部采用六方氮化硼配合金刚石作为衬底，同样有利于热的传递，降低器件工作时发热温度。
20.以金刚石为衬底进行氮化镓的外延生长是制备金刚石基氮化镓高迁移率晶体管hemt的有效方法，但是由于金刚石与氮化镓之间的晶格失配问题与热失配问题，会带来高的位错密度。文献japanese journal of applied physics,2010,49(6):1212-1219.在单晶金刚石衬底的(111)晶面上直接外延得到的氮化镓层其位错密度为8
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，文献semiconductor science and technology,2015,30(11):114007.在多晶金刚石衬底上直接外延得到的氮化镓表现出7
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的高位错密度。为了缓解外延过程的晶格失配和热失配，同时保持良好的散热特性，我们提出了六方氮化硼作为插层的金刚石基氮化镓结构。单层六方氮化硼热导率可达751w/(mk)，高于碳化硅单晶的热导率490w/(mk)。
21.晶体管层2包括aln层21，aln层21通过金属有机化学气相沉积生长在六方氮化硼插层上，aln层21的厚度为100nm。
22.晶体管层2还包括高阻gan层22、本征gan层23和algan层24，高阻gan层22通过金属有机气相外延生长在aln层21上，高阻gan层22的厚度为200nm，通过碳或者铁元素掺杂实现高阻；本征gan层23通过金属有机气相外延生长在高阻gan层22上，本征gan层23的厚度为1000nm；algan层24通过金属有机气相外延生长在本征gan层23上，algan层24的厚度为20nm。
23.帽层3包括源极31、漏极32和栅极33，源极31、漏极32和栅极33均设置在晶体管层2上，源极31和漏极32位于两端部，栅极33设置在中部，源极31、栅极33、漏极32之间均设有间
隙。帽层3还包括氮化硅层34和六方氮化硼层35，氮化硅层34和六方氮化硼层35设置在源极31、栅极33、漏极32之间的间隙中，六方氮化硼层35位于氮化硅层34的上方。
24.源极31、栅极33、漏极32之间沉积薄氮化硅层34，在氮化硅层34上，通过液相转移二维六方氮化硼材料形成六方氮化硼层35，六方氮化硼层35的厚度大于氮化硅层34的厚度。
25.由于帽层对于hemt器件的散热非常关键。目前射频器件中采用氮化硅或者氧化硅作为帽层材料，以达到钝化隔离的效果，但是氮化硅与氧化硅低的热导率不利于器件发热的及时传输。小尺寸金刚石被用于提升系统散热特性，文献(phys.status solidi a 2016,213,(4),893
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897)报道相比于氮化硅层，纳米金刚石帽层可以有效散热从而降低器件工作时的温度，但是受到氮化镓基hemt工艺温度的限制，制备得到的金刚石散热性能仍然不足。六方氮化硼高的热导率，低温制备沉积工艺，以及良好的绝缘特性使其成为作为帽层结构的理想材料。
26.具体的，采用溅射的方式沉积源极、漏极和栅极金属，其厚度为100nm；采用原子层沉积、化学气相沉积或者溅射方法，在未被源极、漏极和栅极覆盖的algan层上沉积氮化硅层，厚度为5-10nm；采用超声辅助液相剥离的六方氮化硼纳米片，要求单片厚度为1-10层，横向尺寸为100nm～1μm。将其分散于挥发性溶剂中，采用滴涂、旋涂等方式沉积到氮化硅层之上，沉积高度为100nm～1μm。
27.本实用新型通过将化学气相沉积生长的氮化硼，通过液相剥离的方法使其与衬底分离，并通过干法或湿法辅助的转移过程转移到金刚石衬底表面，即在金刚石衬底上转移二维六方氮化硼材料形成六方氮化硼插层；在六方氮化硼插层上溅射aln层，并依次外延高阻gan层，本征gan层，algan层；在algan层上沉积源极、漏极和栅极，在源漏栅极之间沉积薄氮化硅层，在氮化硅层上，液相转移二维六方氮化硼材料形成六方氮化硼层。
28.本实用新型采用高热导率的六方氮化硼作为帽层结构，利用纳米片的良好接触性和填充性，能够有效和沟道之间形成空间上的紧邻，以实现高散热性的效果。相比于金刚石沉积的高温，六方氮化硼可以在常温下进行高质量沉积。同时在hemt器件底部采用六方氮化硼配合金刚石作为衬底，同样有利于热的传递，降低器件工作时发热温度。本实用新型提供的氮化镓高迁移率晶体管器件可以更有效的提高功率器件的散热特性，有利于实现更高的驱动电流与更大的输出功率。
29.以上结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。