一种极化调制的双沟道高耐压射频HEMT及其制备方法与流程

一种极化调制的双沟道高耐压射频hemt及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及电子器件技术领域，尤其涉及一种极化调制的双沟道高耐压射频hemt及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，algan/gan hemt功率器件具有广阔的应用潜力和市场前景，gan基高电子迁移率晶体管(hemt)器件由于其高载流子浓度，高电子迁移速度等特点，已被越来越广泛的应用于高频和大功率领域，gan基hemt器件虽然在高功率、高工作温度、强抗辐照能力等性能方面有非常大的优势，但是其普遍存在以下缺陷：(1)传统的algan/gan异质结提高al组分会导致晶格不匹配，造成器件性能下降，而且强大的压电效应会造成漏区的部分材料处于较大的非均匀电场中，电场反作用于材料使得器件发生逆压电效应；(2)实际耐压值远低于理论的耐压值；(3)需要更大的饱和电流；(4)增强型器件的实现问题。
3.为了克服这些缺点人们做了很多尝试，有研究者提出了algan/gan双沟道hemt，双通道结构可以使两个沟道的电流在漏极汇合，从而使器件获得更大的饱和电流，但该结构不易于形成增强型器件，所以还需要其它的方法来提高器件的阈值电压。
4.另外，随着5g时代的到来以及国家航天、卫星等技术的发展，射频器件的应用越来越广泛，为了实现更高的截止频率，射频器件相比于功率器件需要更小的尺寸，大部分射频器件的栅长都是几百纳米以内，而小尺寸器件中，缓变沟道的近似不再成立，这个二维电势分布会导致阈值电压随栅长的缩短而下降，亚阈值特征的降级以及由于隧穿穿透效应而使电流饱和失效，在沟道出现二维电势分布以及高电场，导致了严重的短沟道效，射频器件的实现比功率器件更加困难，结构也更加复杂，为了大规模应用射频gan器件，我们需要增强型的射频hemt器件，提高器件饱和电流及耐压值，改善器件的本征参数，提升器件性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种极化调制的双沟道高耐压射频hemt及其制备方法，以提高器件饱和电流及耐压值，从而提升器件性能。
6.为解决以上技术问题，本发明提供了一种极化调制的双沟道高耐压射频hemt及其制备方法。
7.第一方面，本发明提供了一种极化调制的双沟道高耐压射频hemt，包括：自下而上依次设置的衬底、缓冲层、第一沟道区、第二沟道区以及在所述第二沟道区的顶端两侧形成的源极和漏极，在所述第二沟道区的顶端中心区域形成的栅极；
8.所述第一沟道区和所述第二沟道区均包括自下而上依次设置的gan子沟道层、al
x2
in
y2
ga
1-x2-y2
n插入层、al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层；
9.所述栅极与所述第二沟道区的al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层接触。
10.在进一步的实施方案中，位于同一沟道区内的al
x2
in
y2
ga
1-x2-y2
n插入层和al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层的al组分不同，且al组分大于in组分，即x1＞y1，x2＞y2，0＜x＜
0.76，0＜y＜0.17，x为y的4.47倍。
11.在进一步的实施方案中，还包括p型gan埋层，所述p型gan埋层设置于所述第二沟道区的gan子沟道层内部且横向贯穿整个所述gan子沟道层，以将所述gan子沟道层分隔开形成靠近栅极的上半部分和靠近第一沟道区的下半部分；
12.所述p型gan埋层用于吸收部分的载流子，使得在栅极未加压时降低沟道区的2deg浓度。
13.在进一步的实施方案中，所述p型gan埋层厚度为5～8nm，空穴浓度为10
18
～10
20
cm-3
。
14.在进一步的实施方案中，第二沟道区的al
x2
in
y2
ga
1-x2-y2
n插入层、al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层、gan沟道层上半部分和p型gan埋层的两侧设有sio2层，其中，gan沟道层上半部分厚度为5～8nm，gan沟道层下半部分厚度为2～5nm。
15.在进一步的实施方案中，所述第二沟道区上还设置有钝化层，所述钝化层设置在所述源极和所述栅极之间、所述栅极和所述漏极之间；所述钝化层为al2o3钝化层，所述al2o3钝化层的厚度为10～15nm。
16.在进一步的实施方案中，还包括设置在所述源极和所述漏极下方的高电子浓度的n型层，所述高电子浓度的n型层沿所述源极和所述漏极下表面延伸至所述第一沟道区的gan子沟道层中一定深度；
17.所述高电子浓度的n型层厚度为100～120nm。
18.在进一步的实施方案中，所述第一沟道区的gan子沟道层厚度为69～75nm、al
x2
in
y2
ga
1-x2-y2
n插入层厚度为1～2nm、al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层厚度为4～10nm；
19.所述第二沟道区的gan子沟道层厚度为10～20nm、al
x2
in
y2
ga
1-x2-y2
n插入层厚度为1～2nm、al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层厚度为5～10nm。
20.在进一步的实施方案中，所述衬底选用蓝宝石、si、sic或其它衬底材料。
21.第二方面，本发明提供了一种极化调制的双沟道高耐压射频hemt的制备方法，所述方法包括以下步骤：
22.在衬底上生长缓冲层；
23.在所述缓冲层上外延生长第一沟道区；
24.在第一沟道区上外延生长第二沟道区；
25.在外延层上进行刻蚀，刻蚀至第一沟道区gan子沟道层中间部分，作为预留的高电子浓度的n型层的位置；
26.在外延层上进行刻蚀，至第二沟道区p型gan埋层与第二沟道区gan子沟道层相接处，作为预留的sio2层的位置；
27.在预留的sio2层的位置上生长sio2层；
28.在预留的高电子浓度的n型层的位置上生长高电子浓度的n型层；
29.在第二沟道区的al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层上沉积al2o3钝化层；
30.在所述al2o3钝化层上刻蚀源极、栅极和漏极的位置；
31.在刻蚀好的源极、漏极位置上沉积金属形成欧姆接触的源极、漏极；
32.在刻蚀好的栅极位置上沉积金属形成栅极，所述栅极与所述第二沟道区的al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层接触。
33.本发明提供了一种极化调制的双沟道高耐压射频hemt及其制备方法，hemt器件在双沟道区采用极化调制结构，通过调节al组分浓度获得不同的阈值电压，实现了可调节阈值电压的器件，同时利用第一沟道区和第二沟道区形成的双沟道结构获得更高的2deg浓度，从而增大了饱和电流和器件的输出功率；利用p型gan埋层，抑制了泄漏电流，使得器件耐压值提高。与现有技术相比，本发明提供的hemt器件制备方法简单，可行性高，且制备的器件具有较高的工作稳定性。
附图说明
34.图1是本发明实施例提供的一种极化调制的双沟道高耐压射频hemt结构示意图；
35.图2是本发明实施例提供的极化调制的双沟道高耐压射频hemt工作状态示意图；
36.图3是本发明实施例提供的inalgan不同组分下晶格与能带间隙关系示意图。
具体实施方式
37.下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
38.参考图1，本发明实施例提供了一种极化调制的双沟道高耐压射频hemt，如图1所示，包括：自下而上依次设置的衬底1、缓冲层2、第一沟道区、第二沟道区以及在所述第二沟道区上形成的源极9、栅极10、漏极11、钝化层12，其中，所述栅极与所述第二沟道区的上表面接触且其中心与hemt器件中心处于同一直线上，源极和漏极分别设置在hemt器件顶层的最左端和最右端，所述钝化层12分别在所述源极9和所述栅极10之间、所述栅极10和所述漏极11之间延伸；所述源极9和漏极11均与高电子浓度的n型gan层接触；在本实施例中，所述衬底1选用蓝宝石、si、sic或其它衬底材料，sic衬底1的厚度为3μm，所述缓冲层2为gan缓冲层，gan缓冲层的厚度为2μm。
39.在一个实施例中，所述第一沟道区包括自下而上依次设置的gan子沟道层3、al
x2
in
y2
ga
1-x2-y2
n插入层4、al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层5，其中，所述第一沟道区的gan子沟道层3厚度为69～75nm、al
x2
in
y2
ga
1-x2-y2
n插入层4厚度为1～2nm、al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层5厚度为4～10nm，所述第一沟道区的整体厚度为74nm。
40.在一个实施例中，所述第二沟道区包括自下而上依次设置的gan子沟道层6、al
x2
in
y2
ga
1-x2-y2
n插入层7、al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层8；其中，所述栅极与所述第二沟道区的al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层接触，所述第二沟道区的gan子沟道层6厚度为10～20nm、al
x2
in
y2
ga
1-x2-y2
n插入层7厚度为1～2nm、al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层8厚度为5～10nm，所述第二沟道区的整体厚度为16nm。
41.需要说明的是，本实施例优先将所述第一沟道区的gan子沟道层3厚度设置为69nm、al
x2
in
y2
ga
1-x2-y2
n插入层4厚度设置为1nm、al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层5厚度设置为4nm；同时本实施例优先将所述第二沟道区的gan子沟道层6厚度设置为10nm、al
x2
in
y2
ga
1-x2-y2
n插入层7厚度设置为1nm、al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层8厚度设置为5nm。
42.在本实施例中，位于同一沟道区内的al
x2
in
y2
ga
1-x2-y2
n插入层和al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层的al组分不同，即x1、x2不同以及y1、y2不同，且al组分大于in组分，即x1＞y1、x2＞y2、0
＜x＜0.76，0＜y＜0.17，其中，0＜x1＜x2＜1，0＜y1＜y2＜1，本实施例优先将x设置为y的4.47倍；需要说明的是，不同的x1与y1、x2与y2会导致不同的沟道2deg浓度，不同的2deg浓度实现了不同的阈值电压，本实施例可以根据器件所需阈值电压决定al组分，从而形成阈值电压可调节的双沟道射频hemt器件。
43.相比于单沟道结构，本实施例采用的双沟道结构由于电阻r
gs
和电阻r
gd
更小，双沟道器件栅电极下的沟道电阻r
ch
也更小，因此使得双沟道结构的导通电阻r
on
更小，饱和电流更大，获得更高的输出电流，其中，导通电阻r
on
的计算方法如下：
44.r
on
＝2rc r
gs
r
gd
r
ch
[0045][0046]
式中，r
gs
表示栅源电阻，r
gd
表示栅漏电阻，r
on
表示导通电阻，r
ch
表示沟道电阻，w表示栅宽，μ
ch
表示沟道电子迁移率，c
ox
表示沟道电容，vg表示栅极电压，v
th
表示阈值电压。
[0047]
在本实施例中，所述源极、栅极和漏极可以选用ti/al/ni/au合金、ti/al/mo/au合金或ti/al/ti/tin合金，若是想进一步提高阈值电压，也可以采用w的合金。
[0048]
在一个实施例中，所述钝化层12选用al2o3钝化层，所述al2o3钝化层的厚度为10nm；由于实现更高频率的hemt需要更小的源漏距离，且随着栅长减小，截止频率逐渐增加，但栅长越短，短沟道效应越发严重，本实施例通过加入钝化层可以解决这个问题，而且可以减少了外延层损伤带来的问题。
[0049]
在一个实施例中，本发明实施例提供的一种极化调制的双沟道高耐压射频hemt还包括：p型gan埋层13，所述p型gan埋层设置于所述第二沟道区的gan子沟道层内部并横向贯穿第二沟道区的整个gan子沟道层，以分隔第二沟道区的gan子沟道层为上、下两部分，从而通过p型gan埋层吸收部分的载流子，使得在栅极未加压时降低沟道区的2deg浓度；在本实施例中，所述p型gan埋层的厚度为5～8nm，空穴浓度为10
18
～10
20
cm-3
，其中，所述p型gan埋层的厚度优先设置为5nm。
[0050]
在本实施例中，第二沟道区的al
x2
in
y2
ga
1-x2-y2
n插入层、al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层、gan沟道层上半部分和p型gan埋层的两侧还设有sio2层15，其中，gan沟道层上半部分厚度为5～8nm，gan沟道层下半部分厚度为2～5nm，需要说明的是，本实施例优先将gan沟道层上半部分厚度设置为7nm，gan沟道层下半部分厚度设置为3nm。
[0051]
本实施例中的p型gan埋层13与第二沟道区的gan子沟道层6载流子形成pn结，使得具备p型gan埋层、gan沟道层的导带相比于不具备p-gan埋层的gan沟道层的导带能量更高，更好地抑制了泄漏电流，提高了器件耐压值。
[0052]
在一个实施例中，本发明实施例提供的一种极化调制的双沟道高耐压射频hemt还包括：设置在所述源极和所述漏极下方的高电子浓度的n型层14，所述高电子浓度的n型层沿所述源极和所述漏极下表面延伸至所述第一沟道区的gan子沟道层中一定深度，其侧壁与sio2侧壁接触；所述源极9、所述漏极11分别与所述高电子浓度的n型层14形成欧姆接触；其中，所述高电子浓度的n型层的厚度为100～120nm，本实施例优先将所述高电子浓度的n型层的厚度设置为100nm，sio2层15位于高电子浓度的n型gan层与第二沟道区中的al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层、al
x2
in
y2
ga
1-x2-y2
n插入层、gan沟道层上半部分、p型gan埋层之间。
[0053]
如图2所示，本实施例通过凹槽栅结构和极化调制机制，使得阈值电压可以为正
值，本实施例提供的射频hemt在工作状态下，栅极接正电，源极和漏极分别接正电和负电，双沟道结构使得两个沟道的电流汇聚到漏极，大大地提高了饱和电流，同时p型gan埋层分布在第二沟道区的gan子沟道层内，与上下形成了一个空间电荷区，阻挡泄漏电流流过，使得泄漏电流减小，提高击穿电压。
[0054]
图3为inalgan不同组分下晶格能带间隙与晶格常数关系图，若同一沟道区的势垒层和插入层的取值在图中的第一取值范围内(取值范围在竖直虚线部分上)，则可以实现晶格匹配。
[0055]
本发明实施例提供了一种极化调制的双沟道高耐压射频hemt，包括衬底，设置于衬底之上的缓冲层，缓冲层之上的第一沟道区和第二沟道区，p型gan埋层位于第二沟道区的gan子沟道层内部，并分隔gan子沟道层为上下两部分。本实施例中的双沟道结构能够获得更大的2deg浓度，增强了饱和电流，同时本实施例通过p型gan埋层提高了器件的击穿电压，并进一步提高了阈值电压。本发明实施例提供的横向hemt器件的制备方法简单，可行性高，且制备的hemt器件稳定性良好。
[0056]
在一个实施例中，本发明实施例提供了一种极化调制的双沟道高耐压射频hemt的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0057]
s1.在衬底上生长缓冲层；
[0058]
s2.在所述缓冲层上外延生长第一沟道区；
[0059]
s3.在第一沟道区上外延生长第二沟道区；
[0060]
s4.在外延层上进行刻蚀，刻蚀至第一沟道区gan子沟道层中间部分，作为预留的高电子浓度的n型层的位置；
[0061]
s5.在外延层上进行刻蚀，至第二沟道区p型gan埋层与第二沟道区gan子沟道层相接处，作为预留的sio2层的位置；
[0062]
s6.在预留的sio2层的位置上生长sio2层；
[0063]
s7.在预留的高电子浓度的n型层的位置上生长高电子浓度的n型层；
[0064]
s8.在第二沟道区的al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层上沉积al2o3钝化层；
[0065]
s9.在所述al2o3钝化层上刻蚀源极、栅极和漏极的位置；
[0066]
s10.在刻蚀好的源极、漏极位置上沉积金属形成欧姆接触的源极、漏极；
[0067]
s11.在刻蚀好的栅极位置上沉积金属形成栅极，所述栅极与所述第二沟道区的al
x1
in
y1
ga
1-x1-y1
n势垒层接触。
[0068]
需要说明的是，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
[0069]
关于一种极化调制的双沟道高耐压射频hemt的制备方法的具体限定可以参见上述对于一种极化调制的双沟道高耐压射频hemt的限定，此处不再赘述。本领域普通技术人员可以意识到，结合本技术所公开的实施例描述的各个模块和步骤，能够以硬件、软件或者两者结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
[0070]
本发明实施例提供了一种极化调制的双沟道高耐压射频hemt的制备方法，所述方法通过设置的双沟道结构使得两个沟道的电流汇聚到漏极，大大地提高了饱和电流和器件
的输出功率；通过分布在第二沟道区的gan子沟道层内的p型gan埋层，使之与上下部分形成了一个空间电荷区，从而减少了泄漏电流，进一步有提高了器件的击穿电压。相比传统器件，本发明实施例提供的极化调制的双沟道高耐压射频hemt在获得更高输出电流的同时，改善了器件的击穿特性，进而大幅度地提高了器件的可靠性。
[0071]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。