一种新型高跨导的增强型HEMT器件及其制备方法

一种新型高跨导的增强型hemt器件及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及hemt器件技术领域，尤其涉及一种新型高跨导的增强型hemt器件及其制备方法。


背景技术：

2.algan/gan hemt器件，基于algan与gan异质结界面处产生的高浓度、高迁移率的二维电子气，能够实现高饱和电流密度与低导通电阻，在高频与大功率领域获得了越来越广泛的应用，在学术研究与生产研发上具有很好的发展前景。
3.但是普通hemt器件存在一定的问题，即电子在异质结的二维界面上不受约束，故均为常开型(耗尽型)器件。而这种器件在启动过程中可能会产生过冲或者失去功率控制的现象，所以常关型(增强型)hemt的存在变得十分重要。现有的常见常关型gan hemt器件共有两种：共源共栅性与单体增强型。由于共源共栅性需要将si mosfet与耗尽型hemt相串联，这导致在高频工作时易产生寄生电感，同时这种连接方式使得封装更加复杂，所以相较而言寄生参数更小的单体增强型hemt有着更广泛的需求。而对于单体增强型hemt而言，跨导衡量着开关速度的快慢，跨导的大幅提高对于器件性能而言有着重要意义。
4.目前，根据现有技术公开的内容，对于algan/gan hemt而言，国内通过对高跨导研究得到的最佳数值还没有超过400ms/mm，故在跨导特性的研究上还有很大的待发展空间。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种高跨导、低漏电流的高质量增强型hemt器件及其制备方法，该新型高跨导的增强型hemt器件采用多鳍连锁栅控结构、衬底电极以及p型gan帽层、n型algan/gan异质结沟道层和p型渐变缓冲层共同构成的pnp结构，在进行器件封装时将多鳍连锁栅控结构与底部的衬底电极短接在一起，在不通电的条件下，高掺杂浓度的p型gan帽层与高浓度3dhg的渐变缓冲层会与被夹在中间的algan/gan异质结沟道层相互影响，通过pnp结构形成两个耗尽区消耗掉一定的电子浓度。在栅极与衬底电极同时施加正向偏压时，耗尽区厚度迅速减小，有助于器件导通；而在同时施加反向偏压时，耗尽区厚度变大，有助于器件关断。
6.本发明至少采用如下技术方案：
7.一种新型高跨导的增强型hemt器件，衬底，具有第一表面和第二表面；al组分渐变缓冲层，布置于所述衬底的第一表面；
8.包含至少两个三维鳍状栅极单元的多重三维鳍状栅极，所述三维鳍状栅极单元由依次层叠于所述缓冲层上的异质结沟道层、帽层和栅极金属层构成；
9.源极和漏极，分别布置于所述多重三维鳍状栅极的两侧，位于所述缓冲层上；
10.衬底电极，位于所述衬底的第二表面；
11.其中，所述缓冲层、沟道层和帽层构成pnp结构，沿源极指向漏极的方向上，栅极金属还覆盖于所述三维鳍状栅极的侧壁(是的)。
12.进一步地，所述缓冲层的al组分由衬底指向栅极的方向上线性或非线性减小。
13.进一步地，所述缓冲层选用al
x1
in
y1
ga
(1-x1-y1)
n或al
z1
ga
(1-z1)
n，其中，0《x1《0.83，0《y1《0.17，0《z1《0.83。
14.进一步地，所述沟道层选用周期性排列的al
z2
ga
(1-z2)
n/gan异质结或al
x2
in
y2
ga
(1-x2-y2)
n/gan异质结，其中，0《x2《0.83，0《y2《0.17，0《z2《0.83，所述异质结的周期数不超过5。
15.进一步地，所述沟道层中，al
z2
ga
(1-z2)
n或al
x2
in
y2
ga
(1-x2-y2)
n的厚度选用15～30nm，gan沟道层的厚度为10nm至50nm，优选地，gan层的厚度为10nm。
16.进一步地，所述栅极金属与所述源极及漏极之间设置有钝化层；所述衬底选用原生gan衬底、algan衬底或alingan衬底。
17.进一步地，所述帽层还覆盖于所述三维鳍状栅极中沟道层的侧壁。
18.进一步地，相邻所述多重三维鳍状栅极的帽层之间具有一定的缝隙，所述栅极金属层还填充所述缝隙。
19.进一步地，相邻所述多重三维鳍状栅极的帽层接触。
20.本发明还提供一种新型高跨导的增强型hemt器件的制备方法，包括以下步骤：
21.在衬底的第一表面依次外延生长渐变缓冲层和异质结沟道层；
22.沿所述异质结沟道层刻蚀至所述渐变缓冲层中一定深度，形成多鳍结构；
23.形成帽层生长窗口，生长帽层；
24.沉积钝化层，形成源极和漏极开孔；
25.沉积源极和漏极金属层，形成欧姆接触的源极和漏极；
26.刻蚀钝化层，形成栅极开孔；
27.沉积栅极金属层，形成多重三维鳍状栅极；
28.在所述衬底的第二表面沉积金属层，形成肖特基接触的衬底电极；
29.其中，所述缓冲层、沟道层和帽层构成pnp结构。
30.与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
31.本发明的高跨导增强型hemt器件采用多鳍连锁栅控结构，同时帽层、异质结沟道层和渐变缓冲层构成pnp结构，帽层位于鳍状结构中沟道层的顶部或者帽层位于鳍状结构中沟道层的顶部及鳍状结构的侧壁，形成半包围结构，其与栅极金属共同实现了更好的栅控，同时本发明的hemt器件其跨导数值明显提升。
32.本发明提供的新型高跨导的增强型hemt器件中，渐变缓冲层沿生长方向采用负梯度al组分变化，因极化掺杂导致缓冲层产生了高浓度的三维空穴气(3dhg),显著地抵消了体材料生长过程中因非故意掺杂而从环境中引入的硅(si)、氧(o)等施主杂质所产生的影响。原生衬底上al组分渐变缓冲层的使用，大大降低了缓冲层中出现的失配位错与裂纹，有助于获得高质量的外延层。
附图说明
33.图1为本发明增强型hemt器件的部分结构示意图，该结构包括由三个鳍状结构结合在一起，根据需要，该结构包括的鳍状结构数目可灵活调整。
34.图2为实施例1的新型高跨导的增强型hemt器件的三维制备工艺示意图，为了能够
更加清晰的展示，只截取展示了单个鳍状结构。
35.图3为实施例1的新型高跨导的增强型hemt器件的二维制备工艺示意图，每一步的示意图中，左侧结构表示垂直于源漏电极所在平面的视图，右侧表示栅极及栅极下方区域的横截面视图，为了能够更加清晰的展示，只截取展示了单个鳍状结构。
36.图4中(a)图为实施例1中p型gan帽层的生长方式结构示意图；(b)图为实施例2中p型gan帽层的生长方式结构示意图；(c)图为实施例3中p型gan帽层的生长方式结构示意图。
37.图5为实施例1、实施例2、实施例3的增强型hemt器件和非鳍状栅hemt对比结构(pnp-hemt)、普通hemt对比结构(con-hemt)在漏极电压为10v条件下的跨导对比示意图。
具体实施方式
38.接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从公开商业途径获得。
39.本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。
40.另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。
41.如图1所示，本发明一实施例提供一种新型高跨导的增强型hemt器件，其包括衬底1、al组分渐变缓冲层2、多重三维鳍状栅极、源极7、漏极8和衬底电极10。
42.衬底1选用gan原生衬底、包含一定al组分的algan衬底或包含al、in组分的alingan衬底。al组分渐变缓冲层2位于衬底1上，选用厚度为0.5微米至2微米的al
x1
in
y1
ga
(1-x1-y1)
n或al
z1
ga
(1-z1)
n材料，其中，0《x1《0.83，0《y1《0.17，0《z1《0.83，x1表示al的组分含量沿缓冲层的生长方向(从渐变缓冲层下边界至上边界)呈线性减小或非线性减小；y1表示in的组分含量沿缓冲层的生长方向(从渐变缓冲层下边界至上边界)呈线性减小或非线性减小；z1表示in的组分含量沿缓冲层的生长方向(从渐变缓冲层下边界至上边界)呈线性减小或非线性减小。优选地，al组分渐变缓冲层2选用厚度为0.5微米的al
z1
ga
(1-z1)
n材料，其中z1沿缓冲层的下边界至上边界方向，由0.5线性渐变至0。
43.多重三维鳍状栅极包含至少两个三维鳍状栅极单元，呈周期性分布，每个鳍状结构的形状于横剖面上呈一个“凸”字，多个鳍状区域并排在一起，被栅极金属包裹住，形成一种多鳍连锁栅控结构。三维鳍状栅极单元布置于源极7和漏极8之间，优选地，单个三维鳍状栅极单元的宽度为40nm，相邻栅极单元之间的距离为20nm。
44.三维鳍状栅极单元由依次层叠于渐变缓冲层2上的沟道层、帽层和栅极金属层构成，沟道层为周期性排列的第一材料层3和第二材料层4组成的异质结，该异质结例如是al
z2
ga
(1-z2)
n/gan异质结或al
x2
in
y2
ga
(1-x2-y2)
n/gan异质结，异质结的周期数不超过5。沟道层中，al
z2
ga
(1-z2)
n或al
x2
in
y2
ga
(1-x2-y2)
n的厚度选用15～30nm。gan层的厚度选用10nm至50nm，
优选地，gan层的厚度选用10nm。al
z2
ga
(1-z2)
n/gan异质结中al组分的范围为0《z2《0.83，优选地，选用20nm厚、z2＝0.25的algan势垒层；al
x2
in
y2
ga
(1-x2-y2)
n/gan异质结中，al组分和in组分分别选用0《x2《0.83,0《y2《0.17。
45.帽层5选用p型gan帽层，其掺杂浓度大于5
×
10
19
cm-3
，厚度为30～100nm。帽层选用三种生长方式，在一优选实施例中，参见图4中的(a)图,帽层仅仅覆盖于沟道层的顶部；在另一优选实施例中，如图4中的(b)图示,帽层覆盖于沟道层的顶部，并沿沟道层的侧壁覆盖一定厚度，形成薄层，在水平方向上，相邻鳍状结构的p型gan帽层之间存在一定缝隙，该缝隙在后续的工艺步骤中被栅极金属填充；在另一优选实施例中，如图4中的(c)图示，帽层覆盖于沟道层的顶部，并沿沟道层的侧壁覆盖一定厚度，与水平方向上的相邻鳍状结构之间紧密连接，在后续的工艺步骤中栅极金属9覆盖于帽层5的顶部。
46.钝化层6覆盖于栅极和漏极以及栅极和源极之间。钝化层的材料选用sin
x
、sio2、al2o3或tio2，厚度为10～50纳米。
47.为了使得该增强型hemt器件更为清楚，本发明的一方面还提供了上述新型高跨导的增强型hemt器件的制备方法。
48.实施例1
49.参见图2至图3，首先，选用gan原生衬底1，依次用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗gan原生衬底10分钟，随后用去离子水冲洗干净，最后用n2吹干，去除衬底表面的污染物。
50.接着，生长渐变缓冲层2：选用mocvd生长工艺，采用三甲基铝(tmal)、三甲基镓(tmga)、氨气(nh3)作为铝源、镓源、氮源，在温度为500℃下生长厚度为0.5微米的al
z1
ga
(1-z1)
n缓冲层，生长期间控制al组分沿生长方向从x线性或非线性递减到0。
51.继续采用三甲基镓(tmga)、氨气(nh3)作为镓源、氮源，在温度为1050℃下生长厚度为0.01微米的第一材料gan层3。
52.采用三甲基铝(tmal)、三甲基镓(tmga)、三甲基铟(tmin)、氨气(nh3)作为铝源、镓源、铟源、氮源，在温度为500℃下生长第二材料al
x2
in
y2
ga
(1-x2-y2)
n层，通过控制不同生长源流量与生长温度，其中x2＝0.25,y2＝0，获得不同组分的第二材料al
0.25
ga
0.75
n层4，al
0.25
ga
0.75
n层的生长厚度为0.02微米。
53.接着，选用感应耦合等离子体刻蚀技术(icp)，刻蚀第二材料al
0.25
ga
0.75
n层4与第一材料gan层3至渐变缓冲层中一定深度，形成多鳍结构，每个鳍状结构的宽度为40纳米。
54.接着，根据光刻板定义的窗口生长p型gan帽层5：采用三甲基镓(tmga)作为镓源，cp2mg作为镁源，氨气(nh3)作为氮源，在温度为950℃的条件下，控制镁源流量为150sccm，氮源与镓源摩尔比(v/iii比)为3060，生长厚度为20～100纳米的p型gan帽层5，生长后置于含mg的n2气氛中，在750℃下退火30min，如图4中(a)图所示，p型gan帽层5只生长于鳍状结构的顶部。
55.随后选用离子增强型化学气相沉积(pecvd)工艺，在进行上述步骤之后得到的表面上沉积sin4钝化层6。
56.接着，选用反应离子刻蚀(rie)工艺，刻蚀钝化层6、第二材料algan层4与第一材料gan层3，刻蚀至渐变缓冲层2的表面以下一定深度，形成源极与漏极开孔。
57.沉积源级、漏极金属层：采用电子束蒸发工艺在进行上述步骤之后得到的表面上沉积ti/al/ni/au(25nm/110nm/45nm/25nm)金属电极，并在n2气氛下温度为850℃的条件下
退火45秒，形成欧姆接触的源级7、漏极8。
58.接着，刻蚀钝化层，在钝化层上刻蚀出栅极开孔，保留鳍状结构，其余区域刻蚀至p型gan帽层5的表面。
59.沉积栅极、衬底电极金属层：采用电子束蒸发工艺在进行上述步骤之后得到的上下表面沉积ni/au(20nm/200nm)金属电极，并在n2气氛下温度为45℃的条件下退火8分钟，形成肖特基接触的栅极9、衬底电极10。
60.实施例2
61.该hemt器件的制备步骤与实施例1基本相同，区别仅在于，p型gan帽层的生长，如图4中(b)图示，即p型gan帽层生长于鳍状结构顶部，并在鳍状结构侧壁覆盖一定厚度的薄层，与水平方向上相邻鳍状结构的p型gan帽层之间存在一定缝隙，且该缝隙在后续工艺步骤中被栅极金属填充。
62.实施例3
63.该hemt器件的制备步骤与实施例1基本相同，区别仅在于，p型gan帽层的生长，如图4中(c)图示，即p型gan帽层生长于鳍状结构顶部，并完全覆盖鳍状结构侧壁，与水平方向上相邻鳍状结构的p型gan帽层之间紧密连接，在后续工艺步骤中栅极覆盖于p型gan帽层的顶部。
64.如图5所示，为本发明实施例1、实施例2、实施例3获得的hemt器件和非鳍状栅hemt对比结构(标注为pnp-hemt)以及普通hemt对比结构(标注为con-hemt)下的跨导对比示意图。其中，pnp-hemt结构在fin-pnp-hemt(本发明结构)的基础上舍弃了鳍状结构，变为了横向各处剖面图完全一致的结构；con-hemt结构在pnp-hemt的基础上舍弃了p型gan帽层5(栅极金属直接沉积于algan势垒层4上)，同时舍弃了由负梯度生长的al
x1
in
y1
ga
(1-x1-y1)
n或al
z1
ga
(1-z1)
n材料构成的渐变缓冲层2(换为gan材料构成的缓冲层)。在漏极电压为10v的条件下，实施例1跨导最大值为474ms/mm，实施例2跨导最大值为455ms/mm，实施例3跨导最大值为167ms/mm，pnp-hemt最大跨导为85ms/mm，con-hemt最大跨导为335ms/mm。这表明本发明的增强型hemt器件，确实有效地提高了hemt器件的跨导，弥补了因pnp结构而产生的跨导降低的缺陷。
65.本发明提供的新型高跨导的增强型hemt器件，综合考虑了由多鳍连锁栅控结构、p型gan帽层、n型algan/gan异质结沟道层、p型渐变缓冲层、衬底电极共同构成的pnp结构，以及多鳍连锁栅控结构两者的优势，优化了制备工艺，获得了高跨导数值的高质量增强型hemt器件。
66.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。