一种增强型GaN基HEMT器件及其制备方法和应用

一种增强型gan基hemt器件及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种增强型gan基hemt器件及其制备方法和应用。


背景技术：

2.si基功率器件是一种应用广泛的电力电子器件，在笔记本、显示器、手机、各类仪器仪表等众多领域均有广泛应用。然而，si基功率器件存在能效低、开关速度慢等局限，已经难以满足当前消费类电子产品、新能源汽车对高击穿电压、低开关损耗以及高开关速度的功率转换系统的需求。
3.第三代半导体gan材料具有髙击穿场强、高电子饱和速度、宽禁带宽度等优点，可以用于制备高开关速度、高功率、低损耗的gan基功率器件。然而，传统的耗尽型gan基功率器件不仅会给整个系统带来安全隐患，而且还会增加驱动电路的设计难度，而增强型gan基功率器件能够提高功率转换系统的安全性能和简化系统电路设计。目前，制作增强型gan基功率器件的主要方法有凹槽栅结构技术、f离子注入技术、p-gan栅帽层结构技术等。p-gan栅帽层结构技术是gan基功率器件已经实现商业化并展露出广阔的发展前景，但由于其主要是通过感应耦合等离子体刻蚀(icp)对栅下以外区域的p-gan层进行刻蚀，存在刻蚀精度低、会产生晶格损伤等问题，会导致器件的击穿电压、输出电流等性能下降，限制了器件的实际应用。
4.因此，开发一种阈值电压高、击穿电压高的增强型gan基hemt器件具有十分重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种增强型gan基hemt器件及其制备方法和应用。
6.本发明所采取的技术方案是：
7.一种增强型gan基hemt器件，其组成包括衬底、第一aln插入层、gan掺碳缓冲层、gan沟道层、第二aln插入层、步进式algan势垒层、mg掺杂步进式algan势垒层、aln钝化层、漏金属电极、源金属电极、栅金属电极和源场板；所述衬底、第一aln插入层、gan掺碳缓冲层、gan沟道层、第二aln插入层和步进式algan势垒层依次层叠设置；所述mg掺杂步进式algan势垒层至少部分嵌入步进式algan势垒层；所述aln钝化层、漏金属电极和源金属电极设置在步进式algan势垒层远离第二aln插入层的那一面，且aln钝化层与漏金属电极和源金属电极接触；所述栅金属电极至少部分嵌入aln钝化层，且栅金属电极与mg掺杂步进式algan势垒层接触；所述源场板与源金属电极和aln钝化层接触，且源场板部分覆盖aln钝化层。
8.优选的，所述衬底选自蓝宝石衬底、sic衬底、si衬底中的一种。
9.优选的，所述第一aln插入层的厚度为0.1μm～1μm。
10.优选的，所述gan掺碳缓冲层的厚度为1μm～3μm。
11.优选的，所述gan沟道层的厚度为1μm～3μm。
12.优选的，所述第二aln插入层的厚度为1nm～2nm。
13.优选的，所述步进式algan势垒层的层数为2层～8层，铝的质量百分含量自靠近第二aln插入层的那一层开始由50％至0％逐层递减。
14.优选的，所述步进式algan势垒层的厚度为5nm～50nm。
15.优选的，所述mg掺杂步进式algan势垒层的厚度为5nm～50nm。
16.优选的，所述aln钝化层的厚度为20nm～500nm。
17.优选的，所述漏金属电极由ti、al、ni和au四层金属层组成。
18.优选的，所述源金属电极由ti、al、ni和au四层金属层组成。
19.优选的，所述栅金属电极由ni和au两层金属层组成。
20.优选的，所述源场板由ti、al、ni和au四层金属层组成，源场板的长度为1μm～15μm。
21.上述增强型gan基hemt器件的制备方法包括以下步骤：
22.1)在衬底上依次外延生长第一aln插入层、gan掺碳缓冲层、gan沟道层、第二aln插入层和步进式algan势垒层；
23.2)进行光刻，暴露出栅极区域，再进行蒸镀金属mg、剥离和退火，栅极下的区域形成mg掺杂步进式algan势垒层；
24.3)进行光刻，暴露出源金属电极和漏金属电极区域，进行蒸镀、剥离和退火，形成源金属电极和漏金属电极；
25.4)进行台面隔离；
26.5)进行光刻，暴露出栅金属电极区域，通过蒸镀和剥离，形成栅金属电极；
27.6)外延生长aln钝化层；
28.7)进行光刻，再刻蚀去除源金属电极区域下的aln钝化层，再通过光刻、蒸镀和剥离，形成源场板，即得增强型gan基hemt器件。
29.优选的，步骤1)所述外延生长采用有机金属化学气相沉积(mocvd)法，生长温度为850℃～950℃。
30.优选的，步骤2)所述退火在550℃～650℃下进行，退火时间为1min～30min。
31.优选的，步骤3)所述退火的具体操作为：在氮气气氛或空气气氛中以15℃/s～20℃/s的升温速率升温至800℃～900℃，再保温20s～40s。
32.优选的，步骤6)所述外延生长采用物理气相沉积(pvd)法。
33.一种电子设备，其组成包括上述增强型gan基hemt器件。
34.优选的，所述电子设备为快速充电器。
35.本发明的有益效果是：本发明的增强型gan基hemt器件的阈值电压高、击穿电压高，且其制作难度低、生产效率高、产品良率高，适合进行大规模生产应用。
36.具体来说：
37.1)本发明采用步进式algan势垒层进行mg金属的掺杂扩散来制作增强型gan hemt功率器件，可以起到一石二鸟的作用效果，主要表现为：a)低al组分的algan势垒层有利于mg金属的扩散掺杂，可以提高器件的阈值电压；b)mg难以在高al组分的algan中扩散，可以有效抑制mg扩散至2deg通道，进而可以避免影响到2deg的迁移率；
38.2)本发明的增强型gan基hemt器件中的p型步进式algan势垒层可以进一步降低栅极与势垒层之间的距离，增强器件的栅控能力，可以避免因刻蚀等问题所产生的损伤，减少了表面缺陷，随着mg扩散的浓度和深度的增加，有利于提高器件的阈值电压等电学特性；
39.3)本发明采用物理气相沉积法来制备aln钝化层，可以进一步抑制器件的缺陷态以及提升器件的击穿电压。
附图说明
40.图1为实施例1的增强型gan基hemt器件的结构示意图。
41.附图标识说明：1、蓝宝石衬底；2、第一aln插入层；3、gan掺碳缓冲层；4、gan沟道层；5、第二aln插入层；6、步进式algan势垒层；7、mg掺杂步进式algan势垒层；8、aln钝化层；9、漏金属电极；10、源金属电极；11、栅金属电极；12、源场板。
42.图2为实施例1的增强型gan基hemt器件的转移特性曲线。
43.图3为实施例1的增强型gan基hemt器件的输出特性曲线。
具体实施方式
44.下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
45.实施例1：
46.一种增强型gan基hemt器件(结构示意图如图1所示)，其组成包括：
47.蓝宝石衬底1、第一aln插入层2、gan掺碳缓冲层3、gan沟道层4、第二aln插入层5、步进式algan势垒层6、mg掺杂步进式algan势垒层7、aln钝化层8、漏金属电极9、源金属电极10、栅金属电极11和源场板12；
48.蓝宝石衬底1、第一aln插入层2、gan掺碳缓冲层3、gan沟道层4、第二aln插入层5和步进式algan势垒层6依次层叠设置；
49.mg掺杂步进式algan势垒层7至少部分嵌入步进式algan势垒层6；
50.aln钝化层8、漏金属电极9和源金属电极10设置在步进式algan势垒层6远离第二aln插入层5的那一面，且aln钝化层8与漏金属电极9和源金属电极10接触；
51.栅金属电极11至少部分嵌入aln钝化层8，且栅金属电极11与mg掺杂步进式algan势垒层7接触；
52.源场板12与源金属电极10和aln钝化层8接触，且源场板12部分覆盖aln钝化层8。
53.上述增强型gan基hemt器件的制备方法包括以下步骤：
54.1)采用mocvd法在蓝宝石衬底上外延生长厚度为0.1μm的第一aln插入层，生长温度为850℃；
55.2)采用mocvd法在第一aln插入层上外延生长厚度为1μm的gan掺碳缓冲层，生长温度为850℃；
56.3)采用mocvd法在gan掺碳缓冲层上外延生长厚度为1μm的gan沟道层，生长温度为850℃；
57.4)采用mocvd法在gan沟道层上外延生长厚度为1nm的第二aln插入层，生长温度为850℃；
58.5)采用mocvd法在第二aln插入层上外延生长厚度为5nm的步进式algan势垒层，生
长温度为850℃，具体操作为：在衬底温度为1100℃的条件下，通入(三甲基铝)tmal、tmga与nh3在衬底表面作用，tmal和tmga以恒定的摩尔量变化，nh3流量为10sccm，通入tmal、tmga和nh3的时间均为40s，不管al组成如何变化，保持algan的生长速率恒定；
59.6)进行光刻，暴露出栅极区域，再蒸镀厚度为50nm的金属mg，再进行剥离，再550℃退火5min，栅极下的区域形成mg掺杂步进式algan势垒层；
60.7)进行光刻，暴露出源金属电极和漏金属电极区域，进行蒸镀、剥离和退火，退火的具体操作为：在氮气气氛中以15℃/s的升温速率升温至800℃，再保温20s，形成由ti、al、ni和au四层金属层组成的源金属电极，并形成由ti、al、ni和au四层金属层组成的漏金属电极；
61.8)进行台面隔离，刻蚀至gan沟道层；
62.9)进行光刻，暴露出栅金属电极区域，通过蒸镀和剥离，形成由ni和au两层金属层组成的栅金属电极；
63.10)采用物理气相沉积(pvd)法外延生长厚度为20nm的aln钝化层，生长温度为230℃；
64.11)进行化学腐蚀处理去除源金属电极、漏金属电极和栅金属电极区域下的aln钝化层，具体操作为：采用氢氧化钠溶液浸泡50s，然后进行光刻、蒸镀和剥离金属电极，引出源金属电极、漏金属电极和栅金属电极；
65.12)进行光刻、蒸镀和剥离，形成由ti、al、ni和au四层金属层组成的源场板，源场板向栅金属电极延伸2μm，即得增强型gan基hemt器件。
66.性能测试：
67.本实施例的增强型gan基hemt器件的转移特性曲线如图2所示，输出特性曲线如图3所示。
68.由图2和图3可知：本实施例的增强型gan基hemt器件的vd＝1v，阈值电压为2.3v，vg＝1v、3v和5v，最大电流密度为450ma/mm，击穿电压为700v。
69.实施例2：
70.一种增强型gan基hemt器件，其制备方法包括以下步骤：
71.1)采用mocvd法在si衬底上外延生长厚度为0.5μm的第一aln插入层，生长温度为900℃；
72.2)采用mocvd法在第一aln插入层上外延生长厚度为2μm的gan掺碳缓冲层，生长温度为900℃；
73.3)采用mocvd法在gan掺碳缓冲层上外延生长厚度为2μm的gan沟道层，生长温度为900℃；
74.4)采用mocvd法在gan沟道层上外延生长厚度为1.5nm的第二aln插入层，生长温度为900℃；
75.5)采用mocvd法在第二aln插入层上外延生长厚度为30nm的步进式algan势垒层，生长温度为1100℃，具体操作为：在衬底温度为1100℃的条件下，通入(三甲基铝)tmal、tmga与nh3在衬底表面作用，tmal和tmga以恒定的摩尔量变化，nh3流量为10sccm，通入tmal、tmga和nh3的时间均为40s，不管al组成如何变化，保持algan的生长速率恒定；
76.6)进行光刻，暴露出栅极区域，再蒸镀厚度为150nm的金属mg，再进行剥离，再600
℃退火15min，栅极下的区域形成mg掺杂步进式algan势垒层；
77.7)进行光刻，暴露出源金属电极和漏金属电极区域，进行蒸镀、剥离和退火，退火的具体操作为：在氮气气氛中以20℃/s的升温速率升温至850℃，再保温30s，形成由ti、al、ni和au四层金属层组成的源金属电极，并形成由ti、al、ni和au四层金属层组成的漏金属电极；
78.8)进行台面隔离，刻蚀至gan沟道层；
79.9)进行光刻，暴露出栅金属电极区域，通过蒸镀和剥离，形成由ni和au两层金属层组成的栅金属电极；
80.10)采用物理气相沉积(pvd)法外延生长厚度为300nm的aln钝化层，生长温度为230℃；
81.11)进行化学腐蚀处理去除源金属电极、漏金属电极和栅金属电极区域下的aln钝化层，具体操作为：采用氢氧化钠溶液浸泡50s，然后进行光刻、蒸镀和剥离金属电极，引出源金属电极、漏金属电极和栅金属电极；
82.12)进行光刻、蒸镀和剥离，形成由ti、al、ni和au四层金属层组成的源场板，源场板向栅金属电极延伸8μm，即得增强型gan基hemt器件。
83.性能测试(测试方法同实施例1)：
84.本实施例的增强型gan基hemt器件的阈值电压为2.2v，最大电流密度为465ma/mm，击穿电压为900v。
85.实施例3：
86.一种增强型gan基hemt器件，其制备方法包括以下步骤：
87.1)采用mocvd法在sic衬底上外延生长厚度为1μm的第一aln插入层，生长温度为950℃；
88.2)采用mocvd法在第一aln插入层上外延生长厚度为3μm的gan掺碳缓冲层，生长温度为950℃；
89.3)采用mocvd法在gan掺碳缓冲层上外延生长厚度为3μm的gan沟道层，生长温度为950℃；
90.4)采用mocvd法在gan沟道层上外延生长厚度为2nm的第二aln插入层，生长温度为950℃；
91.5)采用mocvd法在第二aln插入层上外延生长厚度为50nm的步进式algan势垒层，生长温度为1100℃，具体操作为：在衬底温度为1100℃的条件下，通入(三甲基铝)tmal、tmga与nh3在衬底表面作用，tmal和tmga以恒定的摩尔量变化，nh3流量为10sccm，通入tmal、tmga和nh3的时间均为40s，不管al组成如何变化，保持algan的生长速率恒定；
92.6)进行光刻，暴露出栅极区域，再蒸镀厚度为200nm的金属mg，再进行剥离，再550℃退火30min，栅极下的区域形成mg掺杂步进式algan势垒层；
93.7)进行光刻，暴露出源金属电极和漏金属电极区域，进行蒸镀、剥离和退火，退火的具体操作为：在氮气气氛中以20℃/s的升温速率升温至900℃，再保温20s，形成由ti、al、ni和au四层金属层组成的源金属电极，并形成由ti、al、ni和au四层金属层组成的漏金属电极；
94.8)进行台面隔离，刻蚀至gan沟道层；
95.9)进行光刻，暴露出栅金属电极区域，通过蒸镀和剥离，形成由ni和au两层金属层组成的栅金属电极；
96.10)采用物理气相沉积(pvd)法外延生长厚度为500nm的aln钝化层，生长温度为230℃；
97.11)进行化学腐蚀处理去除源金属电极、漏金属电极和栅金属电极区域下的aln钝化层，具体操作为：采用氢氧化钠溶液浸泡50s，然后进行光刻、蒸镀和剥离金属电极，引出源金属电极、漏金属电极和栅金属电极；
98.12)进行光刻、蒸镀和剥离，形成由ti、al、ni和au四层金属层组成的源场板，源场板向栅金属电极延伸10μm，即得增强型gan基hemt器件。
99.性能测试(测试方法同实施例1)：
100.本实施例的增强型gan基hemt器件的阈值电压为2.4v，最大电流密度为500ma/mm，击穿电压为1235v。
101.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。