一種GaN基雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉電子元件技術(shù)，具體指一種GaN基雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件及其制作方法。
技術(shù)背景
[0002]AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)高電子迀移率晶體管(HEMT)在因其在高功率、高頻和高溫應(yīng)用中的優(yōu)異性能在過(guò)去十幾年中吸引了半導(dǎo)體領(lǐng)域眾多研究者的關(guān)注。然而電流崩塌效應(yīng)和自加熱效應(yīng)嚴(yán)重制約著GaN器件的性能和可靠性。為了獲得更高性能和更大功率的AlGaN/GaN HEMT器件，研究者發(fā)明了一些基于AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，如:2004年紐約州立大學(xué)的W.Lanfort等人發(fā)明了 AlGaN/InGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，2009年以色列技術(shù)工程學(xué)院的
0.Katz等人提出了InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)兩組研究者分別證明了這兩種結(jié)構(gòu)的HEMT具有更強(qiáng)的性能和更大的功率。2009年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的S.Zhang等人提出了 AlN/GaN/AIN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)果證明在溝道與穿沖層之間插入AlN勢(shì)皇層增加了二維電子氣在溝道內(nèi)的束縛力，因而極大地提高了器件的性能和功率。
[0003]AlInN和GaN導(dǎo)帶帶階差較大，形成異質(zhì)結(jié)可以阻止日電子沖出溝道進(jìn)入勢(shì)皇層和緩沖層，從而提高HEMT器件在高電場(chǎng)下的電流強(qiáng)度和線性性。超薄AlInN/GaN異質(zhì)結(jié)具有高迀移率、高濃度的二維電子氣，可應(yīng)用在高跨導(dǎo)、低閾值電壓HEMT，以及太赫茲等離子體波發(fā)射器、大功率生物傳感器等。
[0004]傳統(tǒng)的GaN基HEMT器件一般是通過(guò)在GaN緩沖層上沉積AlN(或AlGaN或InAlN)勢(shì)皇層實(shí)現(xiàn)的。GaN溝道與GaN緩沖層一體的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題:第一射頻工作條件下，表面陷阱和GaN緩沖層體內(nèi)陷阱會(huì)俘獲溝道內(nèi)散射出的熱電子導(dǎo)致電流坍塌，使微波輸出電流下降；第二直流條件下，熱電子效應(yīng)會(huì)引起電子的谷間轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致器件飽和電壓下降。因此有必要提出一種新的結(jié)構(gòu)來(lái)避免上述問(wèn)題。
[0005]傳統(tǒng)的AlGaN/GaNHEMT器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其特征是在藍(lán)寶石襯底上依次形成GaN緩沖層、AlGaN隔離層、AlGaN勢(shì)皇層、AlGaN柵介質(zhì)層，AlGaN隔離層上形成源極、漏極和柵極，其中源極、漏極分別與AlGaN柵介質(zhì)層形成歐姆接觸，柵極與AlGaN柵介質(zhì)層形成肖特基接觸。由于極化作用二維電子氣會(huì)在AlGaN和GaN之間的界面聚集，形成溝道。該結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)GaN基HEMT基礎(chǔ)上主要做了兩個(gè)方面的改進(jìn):(一)該結(jié)在采用一層未故意摻雜的AlGaN隔離層將AlGaN隔離層和GaN緩沖層層隔開(kāi)，減輕了由于摻雜的AlGaN勢(shì)皇層缺陷俘獲引起的電流坍塌效應(yīng)，且增強(qiáng)了對(duì)二維電子氣的束縛力；(二)該結(jié)構(gòu)采用未摻雜AlGaN柵介質(zhì)層，降低了柵極漏電流，提高了器件開(kāi)關(guān)比。但該結(jié)構(gòu)還存在很大缺陷，一是半絕緣的GaN緩沖層引入寄生電流，降低器件開(kāi)關(guān)比，降低器件性能;二是器件在高電場(chǎng)下運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)電流坍塌現(xiàn)象，這主要是由于二維電子氣在高電場(chǎng)下加速形成熱電子溢出溝道被緩沖層內(nèi)陷阱俘獲所致。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是:提供一種GaN基雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件，降低現(xiàn)有器件的熱電子效應(yīng)，消除器件的負(fù)微分電導(dǎo)效應(yīng)同時(shí)提高器件的飽和電流。
[0007]本發(fā)明的GaN基雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件結(jié)構(gòu)如圖2所示。包括:藍(lán)寶石襯底12上依次形成的GaN緩沖層11^111^勢(shì)皇層10、6&咐勾道層9^16&~隔離層8^16&~勢(shì)皇層7 416&~柵介質(zhì)層6，AlGaN柵介質(zhì)層6上形成的源極1、柵極2和漏極3，以及源極I和柵極2之間形成的Si3N4源柵絕緣層4、源極2和漏極3之間形成的Si3N4漏柵絕緣層5。該結(jié)構(gòu)中GaN緩沖層11為非故意摻雜，厚度為3wii;AlInN勢(shì)皇層10為非故意摻雜，厚度為3-5nm;GaN溝道層9的硅離子背底摻雜濃度為3\1018?11—3，厚度為20醒416&~隔離層8為非故意摻雜，厚度為3醒416&~勢(shì)皇層的磷摻雜摻雜濃度為4 X 1019cm—3，厚度為15nm; AlGaN柵介質(zhì)層為非故意摻雜，厚度為2nm;Si3N4源柵絕緣層4和Si3N4漏柵絕緣層5厚度為20nm;源極I和漏極3為歐姆接觸金屬Ti/Al/Ni/Au，Ti厚度為20nm，Al厚度為120nm，Ni厚度為45nm，Au厚度為55nm;柵極2為金屬Ni/Au，Ni厚度為20nm，Au厚度為200nm。源極1，柵極2和漏極3的長(zhǎng)度為lym;Si3N4源柵絕緣層4和Si3N4漏柵絕緣層5的長(zhǎng)度為Ιμπι。
[0008]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:本發(fā)明在傳統(tǒng)HEMT器件的GaN緩沖層和GaN溝道層之間加入一層AlInN勢(shì)皇層，利用AlInN材料的壓電極化性質(zhì)降低器件的電流崩塌效應(yīng)，并形成AlGaN/GaN/AlInN量子阱結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了對(duì)二維電子氣的束縛力，從而降低電流坍塌效應(yīng)。
[0009]GaN基雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件的制備按如下幾個(gè)步驟進(jìn)行:
[0010](I)在藍(lán)寶石襯底12上沿著偏離晶軸10度方向上，利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)GaN緩沖層11;
[0011](2)在GaN緩沖層11上，生長(zhǎng)AlInN勢(shì)皇層10;
[0012](3)在AlInN勢(shì)皇層10上生長(zhǎng)GaN溝道層9然后采用硅離子注入工藝對(duì)GaN溝道層9背底摻雜；
[0013](4)在GaN溝道層9上生長(zhǎng)AlGaN隔離層8、AlGaN勢(shì)皇層7，AlGaN柵介質(zhì)層6，然后采用離子注入工藝對(duì)AlGaN勢(shì)皇層7磷摻雜；
[0014](5)在AlGaN勢(shì)皇層7上，采用原子層沉積工藝生長(zhǎng)Si3N4介質(zhì)薄膜；
[0015](6)Si3N4薄膜形成后，通過(guò)光刻工藝在源、漏、柵極區(qū)域形成刻蝕所需的窗口，采用反應(yīng)離子刻蝕工藝去除源、漏極區(qū)域的Si3N4薄膜；
[0016](7)刻蝕完成后，利用光刻工藝獲得源、漏極區(qū)域窗口，然后采用電子束蒸發(fā)工藝，在源、漏極區(qū)域窗口上蒸發(fā)歐姆接觸金屬Ti/Al/Ni/Au，形成源極I和漏極3。
[0017](8)源極I和漏極3形成后，利用光刻工藝獲得柵極區(qū)域窗口，然后采用電子束蒸發(fā)工藝，在柵極區(qū)域窗口上蒸發(fā)肖特基接觸金屬Ni/Au，形成柵極2和Si3N4源柵絕緣層4、Si3N4漏柵絕緣層5。至此完成器件制造。
[0018]上述的一種新型GaN基雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件的工藝步驟，所說(shuō)的生長(zhǎng)GaN緩沖層11，其生長(zhǎng)條件是:生長(zhǎng)速率為30nm/分鐘，厚度為3μπι。
[0019]上述的一種新型GaN基雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件的工藝步驟，所說(shuō)的生長(zhǎng)AlInN勢(shì)皇層10，其生長(zhǎng)條件是:生長(zhǎng)反應(yīng)溫度為800°C，生長(zhǎng)速率為lnm/分鐘，厚度為3-5nmo
[0020]上述的一種新型GaN基雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件的工藝步驟，所說(shuō)的生長(zhǎng)GaN溝道層9，其生長(zhǎng)條件是:生長(zhǎng)反應(yīng)室溫度控制在800°C_950°C之間，生長(zhǎng)速率為5nm/分鐘，厚度20nmo[0021 ] 上述的一種新型GaN基雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件的工藝步驟，所說(shuō)的生長(zhǎng)AlGaN隔離層8、AlGaN勢(shì)皇層7，AlGaN柵介質(zhì)層6，其生長(zhǎng)條件是:生長(zhǎng)反應(yīng)室溫度控制在800°C_950°C之間，生長(zhǎng)速率為5nm/分鐘，厚度20nm。
[0022]上述的一種新型GaN基雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件的工藝步驟，所說(shuō)的生長(zhǎng)Si3N4介質(zhì)薄膜，其生長(zhǎng)條件是:生長(zhǎng)反應(yīng)溫度700°C，厚度為20nm。
[0023]上述的一種新型GaN基雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件的工藝步驟，所說(shuō)的對(duì)GaN溝道層9背底摻雜，就是通過(guò)離子注入工藝，使硅離子主要分布在GaN溝道層9的后半部分，其中硅離子作為施主進(jìn)行摻雜。
[0024]上述的一種新型GaN基雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件的工藝步驟，所說(shuō)的對(duì)AlGaN勢(shì)皇層7磷摻雜，就是通過(guò)離子注入工藝，使磷離子主要分布在AlGaN勢(shì)皇層9的中間部分，其中磷離子作為施主進(jìn)行摻雜。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0026](I)本發(fā)明提出的方法，是在GaN緩沖層上外延一層Al InN勢(shì)皇層和GaN溝道層。與傳統(tǒng)的AlGaN/GaN HEMT器件相比，本發(fā)明在GaN緩沖層和GaN溝道層之間加入一AlInN勢(shì)皇層，形成了 AlGaN/GaN/Al InN量子阱結(jié)構(gòu)，從而極大地減小了 GaN緩沖層的寄生電導(dǎo)和泄漏電流，同時(shí)進(jìn)一步提高了二維電子氣在溝道內(nèi)的束縛力，降低了電流坍塌效應(yīng)。
[0027](2)本發(fā)明中外延生長(zhǎng)GaN溝道層后對(duì)其背底摻雜，是為了消除GaN/Al InN截面處負(fù)的極化電荷對(duì)二維電子氣的耗盡，使施主提供的電子在極化場(chǎng)作用下向溝道聚集，有效地提高了二維電子氣濃度。另外由于降低了界面粗糙度和混晶散射，AlGaN/GaN/Al InN量子阱內(nèi)二維電子氣有較高的迀移率(> 1700cm2/VS)，因此本發(fā)明提出的新型GaN基雙異質(zhì)結(jié)高電子迀移率晶體管器件的溝道電導(dǎo)比傳統(tǒng)的AlGaN/GaN HEMT