一种高可靠AlGaN/GaNHEMT及其制备方法

sbd肖特基接触金属电极相连接，形成algan/ganhemt与sic sbd器件在片集成。
7.由于algan/gan hemt源极和漏极之间没有pn结，algan/gan hemt没有体二极管，因此其雪崩能力差。器件在阻断状态下，当漏端电压超过器件的额定耐压时，会引起器件本身以及系统的安全性和可靠性问题，给实际应用造成了很大不便。而sic sbd具有较高的击穿电压和非破坏性的击穿能力，因此，将algan/gan hemt和sic sbd在片集成，不仅可以大幅度缩小器件尺寸，还可以将sic sbd的击穿电压设计为略低于algan/gan hemt，从而使得hemt器件具备稳定和可逆的击穿性能。并且，由于选用sic作为集成器件的衬底，其优异的散热特性也可以提高器件的转换效率和可靠性。
8.根据本发明优选的，n

型sic离子注入区的离子掺杂浓度为5
×
10
18-5
×
10
19
cm-3
；n

型sic离子注入区的厚度为0.2-0.5μm。
9.进一步优选的，n

型sic离子注入区的离子掺杂浓度为2
×
10
19
cm-3
,n

型sic离子注入区的厚度为0.3μm。
10.制备n

型sic离子注入区的作用是为了sic sbd欧姆接触的形成。n

型sic离子注入区的掺杂浓度过小会导致欧姆接触阻值过大甚至难以形成欧姆接触，从而导致sic sbd正向导通电流过低；掺杂浓度过大需要增加注入次数，对注入设备的要求更高，导致工艺成本增加。n

型sic离子注入区的厚度过大会导致sic sbd的击穿电压较小，过小会导致欧姆接触阻值过大甚至难以形成欧姆接触，从而导致sic sbd正向导通电流过低。
11.根据本发明优选的，n-sic外延层的掺杂浓度为1
×
10
15-1
×
10
17
cm-3
；n-sic外延层的厚度为5-15μm；
12.进一步优选的，所述n-sic外延层的掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
；n-sic外延层的厚度为9μm。
13.n-sic外延层的厚度过大会导致sic sbd的击穿电压高于algan/gan hemt，无法实现器件击穿保护；n-sic外延层的厚度过小会导致sic sbd的击穿电压过小，降低整体器件的击穿电压特性。
14.n-sic外延层的掺杂浓度过大会导致sic sbd的击穿电压较小，降低整体器件的击穿电压特性；n-sic外延层的掺杂浓度过小会导致sic sbd的导通电阻较大，导致sic sbd的击穿电压高于algan/ganhemt，无法实现器件击穿保护。
15.根据本发明优选的，sic sbd欧姆接触金属电极的材料为ni金属，ni/ti金属叠层或ti/ni金属叠层；
16.sic sbd肖特基接触金属电极的材料为ti金属，ti/al金属叠层或mo/al金属叠层；
17.algan/gan hemt欧姆接触金属源极和algan/gan hemt欧姆接触金属漏极的材料为ti/al/ni/au金属叠层、ti/al/ti/au金属叠层或ti/al/mo/au金属叠层；
18.algan/gan hemt肖特基接触金属栅极的材料为ni/au金属叠层、pt/au合金或pd/au金属叠层；
19.进一步优选的，sic sbd欧姆接触金属电极的材料为ni金属，sic sbd肖特基接触金属电极的材料为ti/al金属叠层；algan/gan hemt欧姆接触金属源极和欧姆接触金属漏极的材料为ti/al/ni/au金属叠层，algan/gan hemt肖特基接触金属栅极的材料为ni/au金属叠层。
20.基于目前较为成熟的sic sbd和algan/gan hemt电极工艺，以及考虑到两种器件
电极的退火条件，因此在sic sbd上选择了ni欧姆接触金属电极和ti/al肖特基接触金属电极，在algan/gan hemt上选择了ti/al/ni/au欧姆接触金属电极和ni/au肖特基接触金属电极。选择合适的欧姆接触金属电极和退火条件，可以降低器件导通电阻，提高器件输出电流。选择合适的肖特基接触金属电极，可以提高器件的势垒高度，降低肖特基接触的漏电性能。
21.根据本发明优选的，所述gan缓冲层为非故意掺杂的gan缓冲层或掺杂的高阻gan缓冲层；所述gan缓冲层的厚度为1-3μm；
22.所述aln插入层的厚度为0.5-1.5nm；
23.所述algan势垒层中al组分的摩尔比为0.15-0.25；algan势垒层的厚度为15-25nm；
24.所述p-gan帽层的掺杂浓度为1
×
10
18-1
×
10
20
cm-3
；p-gan帽层的厚度为60-100nm；
25.进一步优选的，所述gan缓冲层为非故意掺杂的gan缓冲层，所述gan缓冲层的厚度为2μm；
26.所述aln插入层的厚度为1nm；
27.所述algan势垒层中al组分的摩尔比为0.2，algan势垒层的厚度为20nm；
28.所述p-gan帽层的掺杂浓度为1
×
10
19
cm-3
，p-gan帽层的厚度为70nm。
29.上述高可靠algan/gan hemt的制备方法，包括步骤：
30.s1、在sic衬底上生长n-sic外延层；
31.s2、在n-sic外延层的特定区域中制备n

型sic离子注入区，并进行高温退火；
32.s3、在n-sic外延层的另一侧上依次生长gan缓冲层、aln插入层、algan势垒层；gan缓冲层生长的位置与n

型sic离子注入区位于n-sic外延层中不同的位置。
33.s4、在algan势垒层生长p-gan帽层；
34.s5、通过干法刻蚀法去除algan/gan hemt肖特基接触金属栅极区域之外的p-gan帽层；
35.s6、在步骤s2制备得到的n

型sic离子注入区上蒸镀sic sbd欧姆接触金属电极，并进行退火处理；
36.s7、在algan势垒层上经过金属蒸镀、退火处理，形成algan/gan hemt欧姆接触金属源极和漏极；
37.s8、在n-sic外延层上蒸镀sic sbd肖特基接触金属电极；
38.s9、在p-gan帽层上蒸镀algan/gan hemt肖特基接触金属栅极；
39.s10、将algan/gan hemt欧姆接触金属漏极与n-sic外延层上制备的sic sbd欧姆接触金属电极通过沉积金属相连；
40.s11、将algan/gan hemt肖特基接触金属栅极引出电极；
41.s12、将algan/gan hemt欧姆接触金属源极与n-sic外延层上制备的sic sbd肖特基接触金属电极通过沉积金属相连。
42.根据本发明优选的，步骤s2中，通过离子注入技术在n-sic外延层上制备n

型sic离子注入区。
43.根据本发明优选的，步骤s3和s4中，采用金属有机化学气相沉积法(mocvd)或分子束外延法(mbe)生长gan缓冲层、aln插入层、algan势垒层和p-gan帽层。
44.根据本发明优选的，步骤s3和s4中，利用金属有机化学气相沉积法(mocvd)生长gan缓冲层、aln插入层、algan势垒层和p-gan帽层，具体包括以下步骤：
45.s3-1、在n-sic外延层上沉积掩膜层；
46.s3-2、在掩膜层上利用光刻显影技术，显露出金属有机化学气相沉积生长区域；
47.s3-3、去除金属有机化学气相沉积法生长区域的掩膜层，保留其他区域的掩膜层，实现掩膜层图形化；
48.s3-4、使用金属有机化学气相沉积设备依次生长gan缓冲层、aln插入层、algan势垒层和p-gan帽层，形成p-gan/algan/aln/gan异质结；
49.s3-4、利用剥离工艺去除掩膜层及其上方的异质结。
50.根据本发明优选的，步骤s5中，采用电感耦合等离子体刻蚀(icp)或反应离子刻蚀(rie)刻蚀p-gan帽层。
51.根据本发明优选的，采用电感耦合等离子体刻蚀(icp)刻蚀p-gan帽层的具体过程为：
52.s5-1、在p-gan帽层上涂覆光刻胶；
53.s5-2、利用光刻显影技术，在光刻胶上显露出需要刻蚀的p-gan区域；
54.s5-3、使用电感耦合等离子体装置刻蚀p-gan；
55.s5-4、去除涂覆的光刻胶，使得p-gan帽层只存在于algan/gan hemt肖特基接触金属栅极的下方。
56.本发明的有益效果为：
57.1.高可靠性。通常gan晶体管很容易被击穿破坏，但与sic sbd集成后，通过将sic sbd的击穿电压设计为略低于algan/gan hemt，algan/gan hemt就可获得sic二极管中的非破坏性雪崩击穿性能，从而提高algan/gan hemt的可靠性。
58.2.高击穿电压。厚的、低浓度的n-sic外延层可有效抑制algan/gan hemt器件衬底漏电，提高击穿电压。
59.3.散热性能更好。由于sic的热导率是si的三倍，sic衬底和n-sic的存在，使得器件的散热特性得到提高。
60.4.高集成度。相比于芯片外部引线连接，在片集成大幅度地降低了器件的尺寸，提高了器件的集成度，进一步推动了gan功率器件的小型化使用。
附图说明
61.图1为经过步骤s1得到的结构示意图。
62.图2为经过步骤s2得到的结构示意图。
63.图3为经过步骤s3得到的结构示意图。
64.图4为经过步骤s4得到的结构示意图。
65.图5为经过步骤s5得到的结构示意图。
66.图6为经过步骤s6得到的结构示意图。
67.图7为经过步骤s7得到的结构示意图。
68.图8为经过步骤s8得到的结构示意图。
69.图9为经过步骤s9得到的结构示意图。
70.图10为经过步骤s10得到的结构示意图。
71.图11为经过步骤s11得到的结构示意图。
72.图12为经过步骤s12得到的结构示意图。
73.图13为本发明提供的一种高可靠algan/gan hemt的器件电路示意图。
74.1、sic衬底，2、n-sic外延层，3、n

型sic离子注入区，4、gan缓冲层，5、aln插入层，6、algan势垒层，7、p-gan帽层，8、sic sbd欧姆接触金属电极，9、algan/gan hemt欧姆接触金属源极，10、algan/gan hemt欧姆接触金属漏极，11、sic sbd肖特基接触金属电极，12、algan/gan hemt肖特基接触金属栅极。
具体实施方式
75.下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
76.实施例1
77.一种高可靠algan/gan hemt，如图12所示，包括sic衬底1和生长在sic衬底1上的n-sic外延层2，n-sic外延层2上依次生长有gan缓冲层4、aln插入层5和algan势垒层6，gan缓冲层4、aln插入层5和algan势垒层6形成异质结；algan势垒层6上生长有p-gan帽层7，p-gan帽层7两侧制备有algan/gan hemt欧姆接触金属源极9和algan/gan hemt欧姆接触金属漏极10，p-gan帽层7上方制备有algan/gan hemt肖特基接触金属栅极12；n-sic外延层2上还制备有n

型sic离子注入区3和sic sbd肖特基接触金属电极11，n

型sic离子注入区3上制备有sic sbd欧姆接触金属电极8；algan/gan hemt欧姆接触漏极与sic sbd欧姆接触金属电极8之间通过金属沉积连接，algan/gan hemt欧姆接触源极与sic sbd肖特基接触金属电极11之间通过金属沉积连接，形成在片集成。其中，n

型sic离子注入区3、gan缓冲层4和sic sbd肖特基接触金属电极11均制备在n-sic外延层2上不同区域。algan/gan hemt的器件电路示意图如图13所示。
78.由于algan/gan hemt源极和漏极之间没有pn结，algan/gan hemt没有体二极管，因此其雪崩能力差。器件在阻断状态下，当漏端电压超过器件的额定耐压时，会引起器件本身以及系统的安全性和可靠性问题，给实际应用造成了很大不便。而sic sbd具有较高的击穿电压和非破坏性的击穿能力，因此，将algan/gan hemt和sic sbd单片集成化，不仅可以大幅缩小器件的尺寸，还可以将sic sbd的击穿电压设计为略低于algan/gan hemt，从而使得hemt器件具备稳定和可逆的击穿性能。并且由于选用sic作为集成器件的衬底，其优异的散热特性也可以提高器件的转换效率和可靠性。
79.实施例2
80.根据实施例1提供的一种高可靠algan/gan hemt，区别之处在于：
81.n

型sic离子注入区3的离子掺杂浓度为5
×
10
18-5
×
10
19
cm-3
；n

型sic离子注入区3的厚度为0.2-0.5μm。
82.制备n

型sic离子注入区3的作用是为了sic sbd欧姆接触的形成。n

型sic离子注入区3的掺杂浓度过小会导致欧姆接触阻值过大甚至难以形成欧姆接触，从而导致sic sbd正向导通电流过低，掺杂浓度过大需要增加注入次数，对注入设备的要求更高，导致工艺成本增加。n

型sic离子注入区的厚度过大会导致sic sbd的击穿电压较小，过小会导致欧姆接触阻值过大甚至难以形成欧姆接触，从而导致sic sbd正向导通电流过低。n

型sic离子
注入区3的厚度过大会导致sic sbd的击穿电压较小，过小会导致sic sbd的导通电阻较大。n-sic外延层2的掺杂浓度为1
×
10
15-1
×
10
17
cm-3
；n-sic外延层2的厚度为5-15μm；
83.n-sic外延层2的厚度过大会导致sic sbd的击穿电压高于algan/gan hemt，无法实现器件击穿保护；n-sic外延层2的厚度过小会导致sic sbd的击穿电压过小，降低整体器件的击穿电压特性；
84.n-sic外延层2的掺杂浓度过大会导致sic sbd的击穿电压较小，降低整体器件的击穿电压特性；n-sic外延层2的掺杂浓度过小会导致sic sbd的导通电阻较大，导致sic sbd的击穿电压高于algan/gan hemt，无法实现器件击穿保护。
85.sic sbd欧姆接触金属电极8的材料为ni金属，ni/ti金属叠层或ti/ni金属叠层；
86.sic sbd肖特基接触金属电极11的材料为ti金属，ti/al金属叠层或mo/al金属叠层；
87.algan/gan hemt欧姆接触金属源极9和algan/gan hemt欧姆接触金属漏极10的材料为ti/al/ni/au金属叠层、ti/al/ti/au金属叠层或ti/al/mo/au金属叠层；其中，金属叠层即依次设置的层结构，如ti/al/ni/au金属叠层为依次生长ti金属层、al金属层、ni金属层和au金属层；
88.algan/gan hemt肖特基接触金属栅极12的材料为ni/au金属叠层、pt/au金属叠层或pd/au金属叠层；
89.gan缓冲层4为非故意掺杂的gan缓冲层4或掺杂的高阻gan缓冲层4；gan缓冲层4的厚度为1-3μm；
90.aln插入层5的厚度为0.5-1.5nm；
91.algan势垒层6中al组分的摩尔比为0.15-0.25；algan势垒层6的厚度为15-25nm；
92.p-gan帽层7的掺杂浓度为1
×
10
18-1
×
10
20
cm-3
；p-gan帽层7的厚度为60-100nm。
93.实施例3
94.根据实施例1提供的一种高可靠algan/gan hemt，区别之处在于：
95.n-sic外延层2的掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
；n-sic外延层2的厚度为9μm。
96.n

型sic离子注入区3的离子掺杂浓度为2
×
10
19
cm-3
，n

型sic离子注入区3的厚度为0.3μm。
97.sic sbd欧姆接触金属电极8的材料为ni金属；sic sbd肖特基接触金属电极11的材料为ti/al金属；algan/gan hemt欧姆接触金属源极9和algan/gan hemt欧姆接触金属漏极10的材料为ti/al/ni/au金属叠层；algan/gan hemt肖特基接触金属栅极12的材料为ni/au金属叠层。
98.基于目前较为成熟的sic sbd和algan/gan hemt电极工艺，以及考虑到两种器件电极的退火条件，因此在sic sbd上选择了ni欧姆接触金属电极8和ti/al肖特基接触金属电极11，在algan/gan hemt上选择了ti/al/ni/au金属叠层作为algan/gan hemt欧姆接触金属源极9和algan/gan hemt欧姆接触金属漏极10，在algan/gan hemt上选择了ni/au金属叠层作为algan/gan hemt肖特基接触金属栅极12。选择合适的sic sbd欧姆接触金属电极8和退火条件，可以降低器件的导通电阻，从而提高器件输出电流。选择合适的肖特基接触金属电极(包括sic sbd肖特基接触金属电极11和algan/gan hemt肖特基接触金属栅极12)，可以提高器件的肖特基势垒高度，降低肖特基漏电性能。
99.gan缓冲层4为非故意掺杂的gan缓冲层4，gan缓冲层4的厚度为2μm；
100.aln插入层5的厚度为1nm；
101.algan势垒层6中al组分的摩尔比为0.2，algan势垒层6的厚度为20nm；
102.p-gan帽层7的掺杂浓度为1
×
10
19
cm-3
，p-gan帽层7的厚度为70nm。
103.实施例4
104.实施例1-3提供的一种高可靠algan/gan hemt的制备方法，包括步骤：
105.s1、如图1所示，在sic衬底1上生长n-sic外延层2；
106.s2、如图2所示，在n-sic外延层2的部分区域制备n

型sic离子注入区3；
107.步骤s2中，通过离子注入技术在n-sic外延层2上制备n

型sic离子注入区3。
108.s3、如图3所示，在n-sic外延层2的另一侧上依次生长gan缓冲层4、aln插入层5、algan势垒层6；gan缓冲层4生长的位置与n

型sic离子注入区3位于n-sic外延层2中不同的位置。
109.s4、如图4所示，在algan势垒层6上生长p-gan帽层7。
110.步骤s3和s4中，采用金属有机化学气相沉积法(mocvd)或分子束外延法(mbe)生长gan缓冲层4、aln插入层5、algan势垒层6和p-gan帽层7。
111.其中，步骤s3和s4中，利用金属有机化学气相沉积法(mocvd)生长gan缓冲层4、aln插入层5、algan势垒层6和p-gan帽层7，具体包括以下步骤：
112.s3-1、在n-sic外延层2上沉积掩膜层；
113.s3-2、在掩膜层上利用光刻显影技术，显露出金属有机化学气相沉积生长区域；
114.s3-3、去除金属有机化学气相沉积生长区域的掩膜层，保留其他区域的掩膜层，实现掩膜层图形化；
115.s3-4、使用金属有机化学气相沉积设备依次生长gan缓冲层4、aln插入层5、algan势垒层6和p-gan帽层7，形成algan/aln/gan异质结；
116.s3-4、利用剥离工艺去除掩膜层及其上方的异质结。
117.s5、如图5所示，通过干法刻蚀法去除algan/gan hemt肖特基接触金属栅极区域之外的p-gan帽层7；本实施例中，采用电感耦合等离子体刻蚀(icp)或反应离子刻蚀(rie)刻蚀p-gan帽层7。
118.其中，采用电感耦合等离子体刻蚀(icp)刻蚀p-gan帽层7的具体过程为：
119.s5-1、在p-gan帽层7上涂覆光刻胶；
120.s5-2、利用光刻显影技术，在光刻胶上显露出需要刻蚀的p-gan区域；
121.s5-3、使用电感耦合等离子体装置刻蚀p-gan；
122.s5-4、去除涂覆的光刻胶，使得p-gan帽层7只存在于algan/gan hemt肖特基接触金属栅极12的下方。
123.s6、如图6所示，在步骤s2制备得到的n

型sic离子注入区3上蒸镀sic sbd欧姆接触金属电极8，并进行退火处理；
124.s7、如图7所示，在algan势垒层6上经过蒸镀、退火处理，形成algan/gan hemt欧姆接触金属源极9和漏极10；
125.s8、如图8所示，在n-sic外延层2上蒸镀sic sbd肖特基接触金属电极11；
126.s9、如图9所示，在p-gan帽层7上蒸镀algan/gan hemt肖特基接触金属栅极12；
127.s10、如图10所示，将algan/gan hemt欧姆接触金属漏极10与n-sic外延层2上制备的sic sbd欧姆接触金属电极8采用金属沉积相连；
128.s11、如图11所示，将algan/gan hemt肖特基接触金属栅极12引出电极；
129.s12、如图12所示，将algan/gan hemt欧姆接触金属源极9与n-sic外延层2上制备的sic sbd肖特基接触金属电极11采用金属沉积相连；需要说明的是，图10和图12仅仅为示意图，具体的通过直接沉积ni/au金属，进行平面互联，实现金属沉积相连。