CN101132022A - 基于组份渐变GaN MISFET的GaN器件及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于组份渐变GaN MISFET的GaN器件及制备方法。该器件包括底层(1)、缓冲层(2)、本征GaN材料层(3)、AlN隔离层(4)及源(7)、漏(8)、栅(9)极接触，其中AlN隔离层上依次设有AlGaN组份渐变层(5)和AlN帽层(6)。该器件的制作过程是在蓝宝石或碳化硅衬底上依次外延GaN或AlN缓冲层、淀积GaN本征层、淀积AlN隔离层；淀积AlGaN组份渐变层、淀积AlN帽层，并分别将顶部的AlN帽层两侧和AlGaN渐变层两侧的一部分刻蚀掉，形成中间高、两边低的台阶结构，在该台阶的不同台面上分别制作源极和漏极的欧姆接触与栅极的金属接触。本发明具有漏电流小、栅压高的优点，可用于制作大功率微波器件。

Description

基于组份渐变GaN MISFET的GaN器件及制备方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导器件结构及制作方法，具体的说是一种基于组份渐变GaN MISFET的GaN器件及制备方法，可用于大功率GaN器件的制作。

背景技术

近年来以SiC、GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料由于具有大禁带宽度、高临界场强、高热导率、高载流子饱和速率、异质结界面二维电子气浓度高等优良特性，使其受到了人们广泛的关注。在理论上，利用这些材料制作的高电子迁移率晶体管HEMT、异质结双极晶体管HBT、发光二极管LED、激光二极管LD等器件将具有现有器件无法比拟的优异性能，因此近年来国内外对其进行了广泛而深入的研究并相继取得了令人瞩目的成果。

现有的GaN功率器件多使用Si₃N₄和SiO₂两种材料作为器件的帽层，构成MISFET或MOSFET两种结构，但由于这两种材料无法和GaN材料进行一次生长，而必须单独的进行二次生长，导致该结构仍存在较高的表面态和缺陷，使得器件的漏电流较高；同时，这两种材料多为多晶结构导致器件的耐压特性较差，无法发挥出GaN材料击穿电压高的特点，难以进一步提高器件的功率密度；此外，现有的平面结构GaN MISFET由于AlGaN层通常为高Al组份掺杂，使得Al组份的提高与制作欧姆接触之间产生矛盾，即为了获得更高得二维电子气浓度，要求提高Al组份，而为了制作较好的欧姆接触，Al组份又不能太高。以Arulkumaran等人的研究为例，见Journal of Vacuum Science&Technology B：Microelectronics and NanometerStructures，March 2003，Volume21，Issue2，pp.888-894，其AlGaN层的Al组份高达43％，此时器件的欧姆接触制作较为困难，严重制约了器件性能的提高。

发明的内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于组份渐变GaN MISFET的GaN器件及制备方法，以降低GaN器件漏电流、解决Al组份与欧姆接触之间的矛盾。

实现本发明目的的技术方案是采用了AlN材料作为器件的帽层，并同时采用了组份渐变的AlGaN材料层和台阶结构，形成一种新的GaNMISFET结构。

本发明的器件结构包括衬底层、缓冲层、GaN本征材料层、AlN隔离层及源、漏、栅电极，其中在AlN隔离层上依次设有AlGaN组份渐变层和AlN帽层，该AlGaN渐变层和AlN帽层通过刻蚀后构成台阶结构，并从各台阶面上引出电极。

本发明器件的制作方法包括：

1.以蓝宝石作为衬底，其过程如下：

在蓝宝石衬底上外延一层GaN缓冲层；

在该缓冲层上淀积一层GaN本征材料层作为器件的工作区；

在所述的GaN本征层上淀积一层AlN材料作为隔离层；

在AlN隔离层上淀积AlGaN组份渐变层；

在AlGaN组份渐变层上淀积AlN帽层；

在AlGaN组份渐变层和AlN帽层上制作掩膜，刻蚀出用于淀积栅极金属接触、漏极和源极欧姆接触的台阶，分别在台阶的不同位置淀积金属，制作源极和漏极的欧姆接触与栅极的金属接触。

2.以碳化硅作为衬底，其过程如下：

在SiC材料衬底上外延一层AlN缓冲层；

在该缓冲层上淀积一层本征GaN材料层作为器件的工作区；

在所述的GaN本征层上淀积一层AlN材料作为隔离层；

在AlN隔离层上淀积AlGaN组份渐变层；

在AlGaN组份渐变层上淀积AlN帽层；

在AlGaN组份渐变层和AlN帽层上制作掩膜，刻蚀出用于淀积栅极金属接触、漏极和源极欧姆接触的台阶，分别在台阶的不同位置淀积金属，制作源极和漏极的欧姆接触与栅极的金属接触。

本发明由于采用了单晶AlN材料帽层、组份渐变势垒层以及台阶结构，与现有大功率GaN器件比较具有以下优点：首先，单晶AlN材料帽层避免了传统采用SiO₂和Si₃N₄帽层必须二次生长的问题，有效的降低了器件表面的态密度，从而大幅降低器件的漏电流；第二，AlN的单晶特性和高K特性大幅提高了器件的栅压和器件的功率密度；第三，使用组份渐变AlGaN替代了传统的固定Al组份AlGaN层，使用台阶结构代替了传统GaN HEMT器件的平面结构，这两个特征结合在一起有效地解决了单晶AlN帽层与AlGaN层之间的高应力与制作高Al组份欧姆接触的矛盾。由于AlGaN层在靠近AlN帽层一侧的Al组份高于靠近AlN隔离层一侧的Al组份，因而使AlN帽层生长在高Al组份的AlGaN上可降低晶格失配造成的高应力，而在刻蚀出台阶结构后，源极和漏极的欧姆接触制作在AlGaN层Al组份较低的台面上，可降低制作欧姆接触的难度。

以下结合附图和实施例进一步说明本发明的技术内容。

附图说明

图1是本发明器件的结构图；

图2是本发明器件的制作流程图；

图3是本发明的碳化硅衬底器件结构图；

图3是本发明的蓝宝石衬底器件结构图。

具体实施方式

参照图1，本发明的器件结构自下而上为：衬底1、缓冲层2、GaN本证层3、AlN隔离层4、AlGaN组份渐变层5、AlN帽层6。经过刻蚀后AlGaN渐变层和AlN帽层构成器件的台阶，且AlGaN层在靠近AlN帽层一侧的Al组份高于靠近AlN隔离层一侧的Al组份，以降低晶格失配造成的高应力和制作欧姆接触的难度。在AlN帽层6的台面上制作栅极金属接触8，在AlGaN组份渐变层5两端的台面上分别制作漏极欧姆接触7和源极欧姆接触9。该AlN隔离层4，能够进一步提高导带断续，增加GaN本征层3中的二维电子气的浓度；同时能够隔离AlGaN渐变层5中电离杂质对二维电子气的散射作用，提高导电沟道中电子的迁移率。

参照图2，本发明的制作过程如下：

选择蓝宝石或SiC材料作为器件的衬底材料，并在其上使用MOCVD方法外延一层GaN或AlN作为器件的缓冲层；

在缓冲层上使用MOCVD方法外延厚度为1～3微米，不掺杂的GaN本征材料层作为器件的工作区；

在GaN本征层上使用MOCVD方法外延一层AlN材料隔离层。该AlN材料能够增强器件导带的不连续性，提高GaN材料工作区中二维电子气的浓度；

在AlN隔离层上使用MOCVD方法外延一个Al组份渐变的AlGaN渐变层。该层的Al组份在10％到70％范围内连续变化；

在AlGaN渐变层上使用MOCVD方法外延一层AlN帽层；

将顶部的AlN帽层两侧刻蚀掉，并将AlGaN渐变层两侧的一部分也刻蚀掉，中间的AlN帽层不进行刻蚀，位置最高，形成中间高、两边低的台阶结构；

在AlN帽层的台面上制作栅极金属接触，在AlGaN组份渐变层两端的台面上分别制作漏极欧姆接触和源极欧姆接触。

实施例1

用本发明方法制作碳化硅衬底的大功率GaN MISFET器件过程。

第一步，在SiC衬底材料上采用MOCVD方法，用温度为1050度，压力为20Torr的条件淀积一层厚度为50纳米的AlN材料，作为后续生长GaN材料的缓冲层。

第二步，在缓冲层上采用MOCVD技术，在温度为1000度，压力为20Torr的条件下，淀积一层厚度为2微米的GaN本征层。

第三步，在GaN本征层上采用MOCVD技术，在温度为1000度，压力为20Torr的条件下淀积一层厚度为1纳米的AlN材料层。

第四步，在AlN材料层上采用MOCVD技术，在温度为1000度，压力为20Torr的条件下淀积厚度为10纳米，Al组份为从10％渐变到60％的AlGaN组份渐变材料层。随着Al组份的增加，温度逐渐从1000度增加到1020度。

第五步，在AlGaN组份渐变材料层上采用MOCVD技术，在温度为1020度，压力为20Torr条件下淀积厚度为3纳米的AlN材料，该AlN材料作为器件的帽层。

第六步，在AlN帽层上制作掩膜，刻蚀出如附图3所示的用于淀积漏极和源极欧姆接触的台阶。

第七步，使用电子束蒸发技术分别在两边的台阶上淀积金属Ni/Au作为源极和漏级的欧姆接触以及在中间的台阶上淀积金属Ni/Au作为栅极的金属接触。

实施例2

用本发明方法制作蓝宝石衬底的大功率GaN MISFET器件过程。

第一步，在蓝宝石衬底材料上采用MOCVD技术，在温度为550度，压力为40Torr的条件下淀积一层厚度为100纳米的GaN材料，作为后续生长GaN材料的缓冲层。

第二步，在缓冲层上采用MOCVD技术，在温度为900度，压力为40Torr的条件下，淀积一层厚度为3微米的GaN本征层。

第三步，在GaN本征层上采用MOCVD技术，在温度为1000度，压力为20Torr的条件下淀积一层厚度为2纳米的AlN隔离层。

第四步，在AlN隔离层上采用MOCVD技术，在温度为1000度，压力为20Torr的条件下淀积厚度为15纳米，Al组份为从10％渐变到50％的AlGaN渐变层，随着Al组份的增加，温度从1000度逐渐增加到1020度。

第五步，AlGaN渐变层上采用MOCVD技术，在温度为1020度，压力为20Torr的条件下淀积厚度为3纳米的AlN材料。该AlN材料作为器件的帽层。

第六步，在AlN帽层上制作掩膜，刻蚀出入附图4所示的用于淀积漏极和源极欧姆接触的台阶。

第七步，使用电子束蒸发技术分别在两边的台阶上淀积金属Ni/Au作为源极和漏级的欧姆接触以及在中间的台阶上淀积金属Ni/Au作为栅极的金属接触。

参照图3，本发明的碳化硅衬底的大功率GaN MISFET器件结构自下而上依次为：碳化硅衬底、AlN缓冲层、GaN本征层、AlN隔离层、AlGaN渐变层、AlN帽层。其中在AlGaN和AlN帽层上刻蚀有中间高两边低的台阶结构，在中间的最高的帽层台面上制作Ni/Au栅极金属接触、在两边最低的AlGaN渐变层台面上制作Ni/Au欧姆接触。

参照图4，本发明的蓝宝石衬底的大功率GaN MISFET器件结构自下而上依次为：蓝宝石衬底、GaN缓冲层、GaN本征层、AlN隔离层、AlGaN渐变层、AlN帽层。其中在AlGaN和AlN帽层上刻蚀有中间高两边低的台阶结构，在中间的最高的帽层台面上制作Ni/Au栅极金属接触、在两边最低的AlGaN渐变层台面上制作Ni/Au欧姆接触。

对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于组份渐变GaN MISFET的GaN器件，包括底层(1)、缓冲层(2)、本征GaN材料层(3)、AlN隔离层(4)及源、漏、栅电极，其特征在于在AlN隔离层上依次设有AlGaN组份渐变层(5)和AlN帽层(6)，该AlGaN渐变层和AlN帽层通过刻蚀后构成的台阶结构，并在各台阶面上制作欧姆接触和金属接触。

2.根据权利要求书1所述的GaN器件，其特征在于AlN帽层(6)的台面上制作栅极金属接触8，AlGaN组份渐变层(5)两端的台面上分别制作漏极欧姆接触(7)和源极欧姆接触(9)。

3.根据权利要求书1所述的GaN器件，其特征在于AlGaN层在靠近AlN帽层一侧的Al组份高于靠近AlN隔离层一侧的Al组份，以降低晶格失配造成的高应力和制作欧姆接触的难度。

4.一种制作权利要求1所述的GaN器件方法，包括如下过程：

在蓝宝石衬底上外延一层GaN缓冲层；

在该缓冲层上分别淀积一层GaN本征材料层作为器件的工作区；

在所述的GaN本征层上淀积一层AlN材料作为隔离层；

在AlN隔离层上淀积AlGaN组份渐变层；

在AlGaN组份渐变层上淀积AlN帽层；

在AlGaN组份渐变层和AlN帽层上制作掩膜，刻蚀出用于淀积栅极金属接触、漏极和源极欧姆接触的台阶，分别在台阶的不同位置淀积金属，制作源极和漏极的欧姆接触与栅极的金属接触。

5.一种制作权利要求1所述的GaN器件方法，包括如下过程：

在SiC材料衬底上外延一层AlN缓冲层；

在该缓冲层上分别淀积一层GaN本征材料层作为器件的工作区；

在所述的GaN本征层上淀积一层AlN材料作为隔离层；

在AlN隔离层上淀积AlGaN组份渐变层；

在AlGaN组份渐变层上淀积AlN帽层；

在AlGaN组份渐变层和AlN帽层上制作掩膜，刻蚀出用于淀积栅极金属接触、漏极和源极欧姆接触的台阶，分别在台阶的不同位置淀积金属，制作源极和漏极的欧姆接触与栅极的金属接触。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在AlN隔离层上淀积AlGaN组份渐变层的压力为20Torr，温度为1000度～1020度，Al组份为从10％渐变到50％，随着Al组份的增加，温度从1000度逐渐增加到1 020度。

7.根据权利要4、5所述的方法，其特征在于在AlGaN组份渐变层上淀积AlN帽层的温度为1000度～1020度，压力为20Torr。

8.根据权利要5所述的方法，其特征在于在AlN隔离层上淀积AlGaN组份渐变层的温度为1000度～1020度，压力为20Torr，Al组份为从10％渐变到60％，随着Al组份的增加，温度从1000度逐渐增加到1020度。

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