一种大电流耗尽型HEMT器件及其制备方法与流程

一种大电流耗尽型hemt器件及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体领域，具体涉及大电流耗尽型hemt器件及其制备方法。


背景技术：

2.氮化镓hemt器件在高频和高功率应用中具有出色的工作性能，适用于军工、民用、科研、探测等众多领域，具有巨大的需求量。近年来，随着无线通讯产业的快速发展，通讯基站对高频、高功率器件的需求日益增大，氮化镓hemt可以作为功放器件应用其中，推动无线通讯进一步发展。
3.传统技术中使用icp刻蚀algan，然后镀金并进行800℃以上的快速退火来实现hemt源漏电极的欧姆接触，这种提高源漏电流的做法会带来表面刻蚀缺陷和电极损伤的问题；高功率应用场合往往具有大电流需求，目前hemt器件饱和电流有待进一步提高；传统氮化镓hemt介质层开孔的方式普遍为干法刻蚀，刻蚀深度和均匀性难以把控，导致algan层的刻蚀损伤，而algan层的完好与否直接影响着2deg和器件性能好坏。


技术实现要素：

4.本发明针对上述问题，克服是在一个不足，提出了大电流耗尽型hemt器件及其制备方法。
5.本发明采取的技术方案如下：
6.一种大电流耗尽型hemt器件，包括：
7.衬底；
8.gan缓冲层，位于所述衬底的上表面；
9.u-gan层，位于所述gan缓冲层的上表面；
10.aln插入层，位于所述u-gan层的上表面；
11.algan层，位于所述aln插入层的上表面；
12.栅介质层，位于所述algan层的上表面，所述栅介质层上具有延伸至algan层的第一接触孔和第二接触孔，所述栅介质层为al2o3；
13.源电极，形成在所述第一接触孔上；
14.漏电极，形成在所述第二接触孔上以及
15.栅电极，形成在所述栅介质层上；
16.所述algan层的厚度为20～30nm，algan层包括位于下方的非掺杂层以及位于上方的掺杂层，所述非掺杂层的厚度为5～10nm，所述掺杂层进行si原子掺杂。
17.u-gan层和algan层形成2deg，aln插入层可以一定程度提高电子气浓度；针对欧姆接触和大电流的需求，在algan的外延生长中进行掺杂，在提高2deg浓度的同时改善电极的接触特性，具体的：algan层5～10nm的非掺杂层作为阻挡层，防止si原子扩散到gan和algan交界处对2deg造成损伤，将algan上部分做成n型，使电子处于简并状态，提高与源漏金属之间的电子交换能力，改善电极接触，达到提高饱和电流的目的，与此同时，si掺杂的algan层
可以加强gan和algan层之间的极化作用，进一步提高界面电子浓度。
18.于本发明其中一实施例中，所述衬底为al2o3；所述gan缓冲层的厚度为3～5μm。
19.于本发明其中一实施例中，所述u-gan层的厚度为3～5μm。
20.于本发明其中一实施例中，所述aln插入层的厚度为1～2nm。
21.于本发明其中一实施例中，所述algan层的掺杂层通过sih4进行掺杂，掺杂浓度控制在1
×
10
18
～3
×
10
18
cm-3
。
22.本技术还公开了一种大电流耗尽型hemt器件的制备方法，包括以下步骤：
23.s1、在衬底上依次沉积出gan缓冲层、u-gan层、aln插入层以及algan层，得到外延片；其中，所述algan层的厚度为20～30nm，algan层包括位于下方的非掺杂层以及位于上方的掺杂层，所述非掺杂层的厚度为5～10nm，所述掺杂层进行si原子掺杂；
24.s2、在外延片上刻蚀台面；
25.s3、使用ald在algan层的上表面生长出30～50nm al2o3来作为栅介质层；ald生长的al2o3具有致密性和绝缘性好的优势，可以保证台面边缘处不发生漏电。
26.s4、对栅介质层进行光刻，然后通过氟化铵水溶液腐蚀栅介质层，形成延伸至algan层的第一接触孔和第二接触孔；
27.s5、一次性蒸镀形成在所述第一接触孔上的源电极、在所述第二接触孔上的漏电极以及在栅介质层上的栅电极。
28.在栅介质方面，本技术采用绝缘性优良的al2o3作为栅介质，并通过氟化铵水溶液湿法腐蚀的方式开孔避免了algan层的刻蚀损伤，algan层质量的好坏直接关系到电子气均匀性和电极接触的质量，本技术具有更好的电极接触效果。
29.本技术的电极蒸镀采用源漏栅电极一步蒸镀的方式，且不需要退火就可以形成较好的电极接触。传统采用源漏电极蒸镀、退火、栅电极蒸镀的方式相对繁琐。所以相比传统的制备工艺，本技术algan层si掺杂、源漏栅电极同时蒸镀、不进行额外退火的电极制作方式能够在获得大饱和电流的同时保护金属免受高温损伤，具有工艺流程短、成本低的优势。
30.实际运用时，利用制造不同台面长度和电极长度的方法来满足不同大小的饱和电流需求的方式能够根据实际需要制作特定长度的器件，具有可操作性强的优势。
31.于本发明其中一实施例中，所述衬底为al2o3；所述gan缓冲层的厚度为3～5μm。由于gan和衬底(al2o3)存在晶格失配，对gan外延层造成应力，因此首先生长3～5μm的gan缓冲层逐步降低应力，其中包括h2吹扫，500～600℃低温成核层，1000～1200℃重结晶，3d到2d的过渡生长的步骤。
32.于本发明其中一实施例中，所述步骤s2中，刻蚀深度为1～1.5μm。刻蚀台面的目的是将每个器件分开，刻蚀深度控制为1～1.5μm，足够的深度保证电子气在不同器件之间不会互通。
33.于本发明其中一实施例中，所述u-gan层的厚度为3～5μm；所述aln插入层的厚度为1～2nm。
34.于本发明其中一实施例中，所述源电极、漏电极和栅电极均包括ti层和al层。金属功函数低的ti和al作为电极可以保证源漏电极的欧姆接触，提高饱和电流。
35.于本发明其中一实施例中，所述步骤s1中，掺杂层通过sih4进行掺杂，sih4浓度控制在1
×
10
18
～3
×
10
18
cm-3
。
36.本发明的有益效果是：u-gan层和algan层形成2deg，aln插入层可以一定程度提高电子气浓度；针对欧姆接触和大电流的需求，在algan的外延生长中进行掺杂，在提高2deg浓度的同时改善电极的接触特性，具体的：algan层5～10nm的非掺杂层作为阻挡层，防止si原子扩散到gan和algan交界处对2deg造成损伤，将algan上部分做成n型，使电子处于简并状态，提高与源漏金属之间的电子交换能力，改善电极接触，达到提高饱和电流的目的，与此同时，si掺杂的algan层可以加强gan和algan层之间的极化作用，进一步提高界面电子浓度。
附图说明
37.图1是外延片的示意图；
38.图2是外延片上刻蚀台面后的示意图；
39.图3是在algan层上生长出栅介质层后的示意图；
40.图4是在栅介质层加工出第一接触孔和第二接触孔后的示意图；
41.图5是大电流耗尽型hemt器件的示意图；
42.图6是hemt器件基本工作原理图；
43.图7是110μm长度大电流耗尽型hemt器件的iv图；
44.图8是1000μm长度大电流耗尽型hemt器件的iv图；
45.图9是110μm长度大电流耗尽型hemt器件的gm图；
46.图10是1000μm长度大电流耗尽型hemt器件的gm图；
47.图11是110μm长度大电流耗尽型hemt器件的转移图；
48.图12是1000μm长度大电流耗尽型hemt器件的输出特性图；
49.图13是110μm长度大电流耗尽型hemt器件的转移图；
50.图14是1000μm长度大电流耗尽型hemt器件的输出特性图。
51.图中各附图标记为：
52.1、衬底；2、gan缓冲层；3、u-gan层；4、aln插入层；5、algan层；6、栅介质层；61、第一接触孔；62、第二接触孔；7、源电极；8、漏电极；9、栅电极。
具体实施方式
53.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
54.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
55.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是
直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
56.下面结合各附图，对本发明做详细描述。
57.如图5所示，一种大电流耗尽型hemt器件，包括：
58.衬底1；
59.gan缓冲层2，位于衬底1的上表面；
60.u-gan层3，位于gan缓冲层的上表面；
61.aln插入层4，位于u-gan层的上表面；
62.algan层5，位于aln插入层的上表面；
63.栅介质层6，位于algan层的上表面，栅介质层上具有延伸至algan层的第一接触孔61和第二接触孔62，栅介质层6为al2o3；
64.源电极7，形成在第一接触孔61上；
65.漏电极8，形成在第二接触孔62上以及
66.栅电极9，形成在栅介质层6上；
67.algan层5的厚度为20～30nm，algan层5包括位于下方的非掺杂层以及位于上方的掺杂层，非掺杂层的厚度为5～10nm，掺杂层进行si原子掺杂。
68.如图6所示，为gan基hemt基本原理图，algan层和u-gan层由于晶格失配的原因会产生自发极化和压电极化作用，使导带弯曲到费米能级之下，在二者的交界面处形成高浓度的二维电子气；这种二维电子气具有迁移率高、相应速度快的优势，成为制作hemt器件的基础。
69.本技术u-gan层3和algan层5形成2deg，aln插入层4可以一定程度提高电子气浓度；al2o3作为栅介质层6具有良好的绝缘特性；针对欧姆接触和大电流的需求，在algan层的外延生长中进行掺杂，在提高2deg浓度的同时改善电极的接触特性，具体的：algan层5～10nm的非掺杂层作为阻挡层，防止si原子扩散到gan和algan交界处对2deg造成损伤，将algan上部分做成n型，使电子处于简并状态，提高与源漏金属之间的电子交换能力，改善电极接触，达到提高饱和电流的目的，与此同时，si掺杂的algan层可以加强gan和algan层之间的极化作用，进一步提高界面电子浓度。经过霍尔测试，外延片的电子迁移率达到1316cm2·
v-1
·
s-1
，载流子浓度为1.1e
13
cm-2
。
70.于本实施例中，衬底1为al2o3；gan缓冲层2的厚度为3～5μm。u-gan层3的厚度为3～5μm。aln插入层4的厚度为1nm。
71.本实施例还公开了一种用于制备本实施例大电流耗尽型hemt器件的方法，包括以下步骤：
72.s1、如图1所示，在衬底1上依次沉积出gan缓冲层2、u-gan层3、aln插入层4以及algan层5，得到外延片；其中，algan层5的厚度为20～30nm，algan层5包括位于下方的非掺杂层以及位于上方的掺杂层，非掺杂层的厚度为5～10nm，掺杂层进行si原子掺杂，掺杂层通过sih4进行掺杂，sih4浓度控制在1
×
10
18
～3
×
10
18
cm-3
；
73.s2、如图2所示，在外延片上刻蚀台面；
74.s3、如图3所示，使用ald在algan层5的上表面生长出30～50nm al2o3来作为栅介质层6；ald生长的al2o3具有致密性和绝缘性好的优势，可以保证台面边缘处不发生漏电。
75.s4、如图4所示，对栅介质层6进行光刻，然后通过氟化铵水溶液腐蚀栅介质层，形成延伸至algan层的第一接触孔62和第二接触孔62；
76.s5、如图5所示，一次性蒸镀形成在第一接触孔上的源电极7、在第二接触孔上的漏电极8以及在栅介质层上的栅电极9。
77.在栅介质方面，本技术采用绝缘性优良的al2o3作为栅介质，并通过氟化铵水溶液湿法腐蚀的方式开孔避免了algan层的刻蚀损伤，algan层质量的好坏直接关系到电子气均匀性和电极接触的质量，本技术具有更好的电极接触效果。
78.本技术的电极蒸镀采用源漏栅电极一步蒸镀的方式，且不需要退火就可以形成较好的电极接触。传统采用源漏电极蒸镀、退火、栅电极蒸镀的方式相对繁琐。所以相比传统的制备工艺，本技术algan层si掺杂、源漏栅电极同时蒸镀、不进行额外退火的电极制作方式能够在获得大饱和电流的同时保护金属免受高温损伤，具有工艺流程短、成本低的优势。
79.于本实施例中，由于gan和衬底(al2o3)存在晶格失配，对gan外延层造成应力，因此首先生长3～5μm的gan缓冲层逐步降低应力，其中包括h2吹扫，500～600℃低温成核层，1000～1200℃重结晶，3d到2d的过渡生长的步骤。
80.于本实施例中，步骤s2中，刻蚀深度为1～1.5μm。刻蚀台面的目的是将每个器件分开，刻蚀深度控制为1～1.5μm，足够的深度保证电子气在不同器件之间不会互通。
81.于本实施例中，源电极、漏电极和栅电极均包括ti层和al层。金属功函数低的ti和al作为电极可以保证源漏电极的欧姆接触，提高饱和电流。
82.实际运用时，利用制造不同台面长度和电极长度的方法来满足不同大小的饱和电流需求的方式能够根据实际需要制作特定长度的器件，具有可操作性强的优势。经过测试100～200μm长度器件的饱和电流可以达到30～40ma，1000μm长度器件的饱和电流达到200ma以上。如图7、9、11和13所示，分别为110μm长度大电流耗尽型hemt器件的iv图、110μm长度大电流耗尽型hemt器件的gm图、110μm长度大电流耗尽型hemt器件的转移图以及110μm长度大电流耗尽型hemt器件的转移图；如图8、10、12和14所示，分别为1000μm长度大电流耗尽型hemt器件的iv图、1000μm长度大电流耗尽型hemt器件的gm图、1000μm长度大电流耗尽型hemt器件的输出特性图以及1000μm长度大电流耗尽型hemt器件的输出特性图。
83.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种大电流耗尽型hemt器件，其特征在于，包括：衬底；gan缓冲层，位于所述衬底的上表面；u-gan层，位于所述gan缓冲层的上表面；aln插入层，位于所述u-gan层的上表面；algan层，位于所述aln插入层的上表面；栅介质层，位于所述algan层的上表面，所述栅介质层上具有延伸至algan层的第一接触孔和第二接触孔，所述栅介质层为al2o3；源电极，形成在所述第一接触孔上；漏电极，形成在所述第二接触孔上以及栅电极，形成在所述栅介质层上；所述algan层的厚度为20～30nm，algan层包括位于下方的非掺杂层以及位于上方的掺杂层，所述非掺杂层的厚度为5～10nm，所述掺杂层进行si原子掺杂。2.如权利要求1所述的大电流耗尽型hemt器件，其特征在于，所述衬底为al2o3；所述gan缓冲层的厚度为3～5μm。3.如权利要求1所述的大电流耗尽型hemt器件，其特征在于，所述u-gan层的厚度为3～5μm。4.如权利要求1所述的大电流耗尽型hemt器件，其特征在于，所述aln插入层的厚度为1～2nm。5.如权利要求1所述的大电流耗尽型hemt器件，其特征在于，所述algan层的掺杂层通过sih4进行掺杂，掺杂浓度控制在1
×
10
18
～3
×
10
18
cm-3
。6.一种大电流耗尽型hemt器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、在衬底上依次沉积出gan缓冲层、u-gan层、aln插入层以及algan层，得到外延片；其中，所述algan层的厚度为20～30nm，algan层包括位于下方的非掺杂层以及位于上方的掺杂层，所述非掺杂层的厚度为5～10nm，所述掺杂层进行si原子掺杂；s2、在外延片上刻蚀台面；s3、使用ald在algan层的上表面生长出30～50nm al2o3来作为栅介质层；s4、对栅介质层进行光刻，然后通过氟化铵水溶液腐蚀栅介质层，形成延伸至algan层的第一接触孔和第二接触孔；s5、一次性蒸镀形成在所述第一接触孔上的源电极、在所述第二接触孔上的漏电极以及在栅介质层上的栅电极。7.如权利要求6所述的大电流耗尽型hemt器件的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，刻蚀深度为1～1.5μm。8.如权利要求6所述的大电流耗尽型hemt器件的制备方法，其特征在于，所述衬底为al2o3；所述gan缓冲层的厚度为3～5μm；所述u-gan层的厚度为3～5μm；所述aln插入层的厚度为1～2nm。9.如权利要求6所述的大电流耗尽型hemt器件的制备方法，其特征在于，所述源电极、漏电极和栅电极均包括ti层和al层。10.如权利要求6所述的大电流耗尽型hemt器件的制备方法，其特征在于，所述步骤s1
中，掺杂层通过sih4进行掺杂，sih4浓度控制在1
×
10
18
～3
×
10
18
cm-3
。

技术总结
本申请公开了一种大电流耗尽型HEMT器件及其制备方法，其中，大电流耗尽型HEMT器件，包括：衬底；GaN缓冲层，位于衬底的上表面；U-GaN层，位于GaN缓冲层的上表面；AlN插入层，位于U-GaN层的上表面；AlGaN层，位于AlN插入层的上表面；栅介质层，位于AlGaN层的上表面，栅介质层上具有延伸至AlGaN层的第一接触孔和第二接触孔，栅介质层为Al2O3；源电极，形成在第一接触孔上；漏电极，形成在第二接触孔上以及栅电极，形成在栅介质层上；AlGaN层包括位于下方的非掺杂层以及位于上方的掺杂层，掺杂层进行Si原子掺杂。本申请U-GaN层和AlGaN层形成2DEG，AlN插入层可以一定程度提高电子气浓度；针对欧姆接触和大电流的需求，在AlGaN的外延生长中进行掺杂，在提高2DEG浓度的同时改善电极的接触特性。特性。特性。


技术研发人员：李京波 王小周 龚彬彬 韩理想 刘传凯
受保护的技术使用者：浙江芯科半导体有限公司
技术研发日：2023.02.23
技术公布日：2023/8/1