CN104347700A - 一种GaN基凹栅增强型HEMT器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件的制造领域，具体涉及在GaN异质结结构上通过高温化学反应的方法选择性腐蚀势垒层形成GaN基凹栅增强HEMT器件及其制造方法。
Description
技术领域
GaN材料因其禁带宽度大，临界击穿电场高，热导率高等特点，在制备高压、高温、大功率和高密度集成的电子器件方面具有独特的优势。
GaN材料可以和AlGaN、InAlN等材料形成异质结结构。由于AlGaN或InAlN等势垒层材料存在自发极化和压电极化效应，会在异质结界面处形成高浓度和高迁移率的二维电子气(2DEG)。这种特性不仅可以提高GaN基器件的载流子迁移率和工作频率，还可以减小器件的导通电阻和开关延迟。
GaN基HEMT由于其击穿特性高和开关速度快，导通电阻小等特点，在电源管理、风力发电、太阳能电池、电动汽车等电力电子领域有广泛的应用前景。与传统MOS相比，GaN基HEM具有更快的开关速度并承受更高的反向电压，而且可以提高效率，减小损耗，节约能源，在600V-1200V器件范围内有着巨大市场应用前景。但是目前GaN基HENT器件存在以下几个缺点：
1.由于材料的自身的极化特性，在异质结界面存在高浓度的二维电子气，使得在零栅极偏压下器件处于导通状态，即为耗尽型器件(常开)，其电路要比设计要比增强型(常关)复杂的多，增加电路设计的难度与成本。
2.从安全角度考虑，特别是应用于高压领域的器件，要求器件处于关断的状态，耗尽型器件带来了很大的安全隐患。
3.从节能角度考虑，由于零栅压下，耗尽型器件处于导通状态，会引起不必要的能量损耗。
凹栅结构可以耗尽沟道下方二维电子气(2DEG)，实现增强型器件。一般凹栅采用刻蚀工艺实现，但是凹栅刻蚀工艺刻蚀难以精确控制，同时还容易带来损伤，会引起电流崩塌，恶化器件的可靠性。
发明内容
本发明的目的：为了克服以上的技术缺点，提供一种新型的GaN基凹栅增强型HEMT器件的实现方法。其主要特征是在Al(In)GaN/GaN结构的基础上，采用高温化学反应，选择性腐蚀势垒层，从而有效降低栅极2DEG，，避免刻蚀对器件带来的损伤，可靠性高，重复性好。
本发明的有益效果是：
1.采用凹栅，使得零栅压下器件处于关断状态，降低了外围电路的设计难度以及成本，符合电路对器件的要求；
2.利用高温化学反应的方法，选择性地腐蚀栅极的势垒层，降低栅极的2DEG，避免刻蚀对器件带来的损伤，可靠性高。
3.通过控制腐蚀的温度、时间、压强等因素，精确控制腐蚀深度，进而实现对器件阈值电压的调节，使器件满足不同的要求。
附图说明
为使本发明的目的、内容、优点更加清楚明白，下面将参照附图结合优选实施例进行详细说明，其中：
图1为本发明实力的GaN基凹栅增强型HEMT器件结构的示意图；
图2-图9为依据第一实施方案制备工艺流程图。
具体实施方式 (必须包括权利要求中的所有内容，穿插加入大量的功能效果作用等的描述，必须统一各部件名称，名称后加标号)
本实施方案制作方法
如图2所示，在衬底100上生长GaN本征层200，GaN本征层200的厚度为50nm-10μm。在GaN本征层200上生长AlGaN势垒层300，AlGaN势垒层300的厚度为20nm-1um。该衬底100的材料为GaN、蓝宝石、Si、金刚石或SiC；
如图3所示，利用光刻和等离子体干法刻蚀技术，在AlGaN势垒层300和GaN本征层200上形成台面图形301；要求台面高度≥AlGaN势垒层300的厚度。
如图4所示，在台面301上淀积钝化层400。钝化层400为SiO2、Si3N4等。淀积钝化层400的方式为溅射或者是化学气相沉积。钝化层400的厚度为20nm-1um。
如图5所示，利用光刻、等离子体干法刻蚀技术或者湿法腐蚀技术，在钝化介质层400上制备图形401。
如图6所示，以钝化介质层400为掩膜，在氯气氛围(气压在0.01mtorr-760torr范围内)高温(300℃～1200℃)环境下腐蚀结构401AlGaN势垒层，形成凹栅结构500，腐蚀深度≤AlGaN势垒层的厚度。
如图7所示，利用光刻、等离子体干法刻蚀技术或者湿法腐蚀技术，在钝化层400上制备图形401和402。
如图8所示，利用光刻，电子束蒸发或者溅射技术，在图形401和402中分别制备金属电极411和412。金属电极411和412的金属为Ti、Al、Ni、Mo、Pt、Pd、Au、W、TiW、TiN及它们之间的任意组合。利用高温合金退火，使金属电极411和412与AlGaN势垒层300之间形成欧姆接触。
如图9所示，利用光刻，电子束蒸发或者溅射技术制备金属电极510。金属电极510的金属为Ti、Al、Ni、Mo、Pt、Pd、Au、W、TiW、TiN及它们之间的任意组合。金属电极510与凹栅500之间形成肖特基接触。
Claims (16)
1.一种GaN基凹栅增强型HEMT器件，包括：
衬底(100)，在衬底(100)上依次生长GaN本征层(200)和势垒层(300)；
钝化层(400)，该钝化层(400)位于势垒层(300)上表面；
凹形栅极(510)，该凹形栅极通过选择性腐蚀形成；
源极电极(411)，该源极电极(411)位于势垒层(300)上表面部分区域；
漏极电极(412)，该漏极电极(412)位于势垒层(300)上表面部分区域；
栅极电极(510)，该栅极电极(510)凹形栅极(500)的上方。
2.如权利要求1所述的GaN基凹栅增强型HEMT器件，其中衬底(100)的材料为GaN、蓝宝石、Si、金刚石或SiC。
3.如权利要求1所述的GaN基凹栅增强型HEMT器件，其中势垒层(300)的材料为AlN、InN、AlGaN、InGaN或者InAlN。
4.如权利要求1所述的GaN基凹栅增强型HEMT器件，其中凹形栅极(500)通过高温化学反应的方法选择性腐蚀势垒层(300)形成。
5.如权利要求1所述的GaN基凹栅增强型HEMT器件，其源极电极(411)的材料为Si、Ti、Al、Ni、Mo、Pt、Pd、Au、W、TiW、TiN及它们之间的任意组合。
6.如权利要求1所述的GaN基凹栅增强型HEMT器件，其漏极电极(412)的材料为Si、Ti、Al、Ni、Mo、Pt、Pd、Au、W、TiW、TiN及它们之间的任意组合。
7.如权利要求1所述的GaN基凹栅增强型HEMT器件，其栅极电极(510)的材料为Si、Ti、Al、Ni、Mo、Pt、Pd、Au、W、TiW、TiN及它们之间的任意组合。
8.一种GaN基凹栅增强型HEMT器件的制作方法，包括以下步骤：
在衬底(100)上形成GaN本征层(200)，在GaN本征层(200)上形成势垒层(300)，在势垒层(300)上淀积钝化层(400)；
在钝化层(400)上形成腐蚀窗口(401)；
凹形栅极(500)，该凹型栅极通过高温化学反应选择性腐蚀势垒层AlGaN(300)形成；
在势垒层(300)部分区域形成源极电极(411)；
在势垒层(300)部分区域形成漏极电极(412)
在凹形栅极(500)的上表面区域形成栅极电极(510)。
9.如权利要求8所述的GaN基凹栅增强型HEMT器件的制作方法，其中衬底(100)的材料为GaN、蓝宝石、Si、金刚石或SiC。
10.如权利要求8所述的GaN基凹栅增强型HEMT器件的制作方法，其中势垒层(300)的材料为AlN、InN、AlGaN、InGaN或者InAlN。
11.如权利要求8所述的GaN基凹栅增强型HEMT器件的制作方法，其中凹型栅极(500)通过高温化学方法选择性腐蚀势垒层(300)形成。
12.如权利要求8所述的GaN基凹栅增强型HEMT器件的制作方法，其源极电极(411)的材料为Si、Ti、Al、Ni、Mo、Pt、Pd、Au、W、TiW、TiN及它们之间的任意组合。
13.如权利要求8所述的GaN基凹栅增强型HEMT器件的制作方法，其漏极电极 (412)的材料为Si、Ti、Al、Ni、Mo、Pt、Pd、Au、W、TiW、TiN及它们之间的任意组合。
14.如权利要求8所述的GaN基凹栅增强型HEMT器件的制作方法，其栅极电极(510)的材料为Si、Ti、Al、Ni、Mo、Pt、Pd、Au、W、TiW、TiN及它们之间的任意组合。
15.如权利要求8所述的GaN基凹栅增强型HEMT器件的制作方法，还包括在同一晶片上通过离子注入或者刻蚀形成台面与其他GaN基增强型HEMT器件隔离的步骤。
16.如权利要求8所述的GaN基凹栅增强型HEMT器件的制作方法，源极电极(401)、漏极电极(402)和栅极电极(510)的制备方法为溅射或蒸发。
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