CN103745992B - 基于复合漏极的AlGaN/GaN MISHEMT高压器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于复合漏极的AlGaN/GaN？MISHEMT高压器件及其制作方法，器件的结构从下至上依次包括：衬底、GaN缓冲层、本征GaN沟道层、AlN隔离层和AlGaN势垒层，AlGaN势垒层上设置有：源极、栅极和复合漏极，栅极与AlGaN势垒层之间设置有绝缘介质层；在栅极与复合漏极之间的AlGaN势垒层上方依次外延有线性AlGaN层、P型GaN外延层、基极。本发明的有益之处在于：器件导通时，栅漏间第一区域和第二区域的2DEG浓度增加，电阻减小；器件截止时，第一区域的2DEG减小，第二区域的2DEG与器件导通时相同，器件耗尽区的宽度增加，电场分布改变，器件击穿电压提高；复合漏极结构防止了漏极边缘出现电场峰值，提高了器件的击穿电压；绝缘栅结构避免了栅极泄漏电流，提高了器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压器件及其制作方法，具体涉及一种基于复合漏极的AlGaN/GaN高压、低导通电阻的高压器件及其制作方法，可用于制作高压低导通电阻的AlGaN/GaNMISHEMT高电子迁移率晶体管，属于微电子技术领域。
背景技术
近年来以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带隙半导体以其禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、饱和电子速度大和异质结界面二维电子气浓度高等特性，受到广泛关注。在理论上，利用这些材料制作的高电子迁移率晶体管HEMT、发光二极管LED、激光二极管LD等器件比现有器件具有明显的优越特性，因此近些年来国内外研究者对其进行了广泛而深入的研究，并取得了令人瞩目的研究成果。
AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管HEMT在高温器件及大功率微波器件方面已显示出了得天独厚的优势，追求器件高频率、高压、高功率吸引了众多的研究。近年来，制作更高频率高压AlGaN/GaNHEMT成为关注的又一研究热点。由于AlGaN/GaN异质结生长完成后，异质结界面就存在大量二维电子气2DEG，并且其迁移率很高，因此我们能够获得较高的器件频率特性。在提高AlGaN/GaN异质结电子迁移率晶体管击穿电压方面，人们进行了大量的研究，发现AlGaN/GaNHEMT器件的击穿主要发生在栅靠漏端，因此要提高器件的击穿电压，必须使栅漏区域的电场重新分布，尤其
是降低栅靠漏端的电场，为此，人们提出了采用场板结构的方法：
1.采用场板结构。参见YujiAndo,AkioWakejima,YasuhiroOkamoto等的NovelAlGaN/GaNdual-field-plateFETwithhighgain,increasedlinearityandstability,IEDM2005,pp.576-579,2005（一种具有高增益、高线性度和稳定性的双场板场效应晶体管）。在AlGaN/GaNHEMT器件中同时采用栅场板和源场板结构，将器件的击穿电压从单独采用栅场板的125V提高到采用双场板后的250V，并且降低了栅漏电容，提高了器件的线性度和稳定性。
2.采用超级结结构。参见AkiraNakajima,YasunobuSumida,MaheshH的GaNbasedsuperheterojunctionfieldeffecttransistorsusingthepolarizationjunctionconcept（一种利用极化结的基于GaN的超结场效应晶体管）。在该器件结构中同时拥有2DEG和2DEH，当栅极正向偏置时，2DEG的浓度不发生任何变化，因此器件的导通电阻不会增加，当栅极反向偏置时，沟道中的2DEG会由于放电而耗尽，从而提高了器件的击穿电压（从110V提高至560V），而导通电阻为6.1mΩ·cm2。
然而，具有上述两种结构的高压器件均存在导通电阻较大的不足之处。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可满足对高压、低导通电阻的应用要求的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件的结构，以及具有良好的可控性和重复性的制作该基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件的方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件，其特征在于，从下至上依次包括：衬底、GaN缓冲层、本征GaN或AlGaN沟道层、AlN隔离层和AlGaN势垒层，AlGaN势垒层上沿水平方向依次有：源极、栅极和复合漏极，前述栅极与AlGaN势垒层之间还设置有绝缘介质层，前述复合漏极包括：漏极、由前述漏极同时向上和向栅极方向延伸形成的漏极场板，在栅极与复合漏极之间的AlGaN势垒层上方的部分区域外延有线性AlGaN层，线性AlGaN层上的部分区域外延有P型GaN或InGaN外延层，且P型GaN或InGaN外延层上制备有与栅极电连接的基极，线性AlGaN层、P型GaN或InGaN外延层的宽度依次减小，漏极场板在线性AlGaN层的上方且与P型GaN或InGaN外延层之间留有缝隙，前述AlGaN势垒层由下层的i型AlGaN层和上层的n型AlGaN层组成；前述源极、栅极、复合漏极和基极的上表面还形成有加厚电极，加厚电极的两侧均形成有钝化层。
前述的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件，其特征在于，前述底衬为蓝宝石、碳化硅、GaN或MgO。
前述的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件，其特征在于，前述AlGaN势垒层中，Al与Ga的组分比能够调节，Al、Ga、N的组分分别为x、1-x、1，0<x<1。
前述的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件，其特征在于，前述线性AlGaN层中，Al的组分由x线性增加到y，且Al与Ga的组分比能够调节，Al、Ga、N的组分分别为y、1-y、1，1>y>x>0。
前述的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件，其特征在于，前述绝缘介质层为SiN、Al2O3或HfO2。
前述的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件，其特征在于，前述钝化层为SiN、Al2O3或HfO2。
前述的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件，其特征在于，前述漏极场板在线性AlGaN层上的宽度<1μm。
制作前述的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）对外延生长的p-GaN/线性AlGaN/AlGaN/GaN材料进行有机清洗，用流动的去离子水清洗并放入HCl:H2O=1:1的溶液中进行腐蚀30-60s，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干；
（2）对清洗干净的AlGaN/GaN异质结材料进行光刻和干法刻蚀，形成有源区台面；
（3）对制备好台面的AlGaN/GaN异质结材料进行光刻，形成P型GaN和线性AlGaN层的刻蚀区，放入ICP干法刻蚀反应室中刻蚀，将栅源之间全部区域以及栅极、源极和漏极上方的P型GaN外延层、线性AlGaN层均刻蚀掉；
（4）对器件进行光刻，然后放入电子束蒸发台中淀积欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au=20/120/45/50nm并进行剥离,最后在氮气环境中进行850℃35s的快速热退火，形成欧姆接触；
（5）将制备好欧姆接触的器件进行光刻，形成P型GaN外延层的刻蚀区，放入ICP干法刻蚀反应室中刻蚀,将栅漏之间部分区域的P型GaN外延层刻蚀掉，形成栅漏间第一区域和第二区域；
（6）将制备好的器件放入原子层淀积设备中，淀积5-10nm厚的Al2O3介质；
（7）对完成淀积的器件进行光刻，形成Al2O3介质的腐蚀区，然后放入HF:H2O=1:10的溶液中30s，去除栅极以外的Al2O3；
（8）将制备好的器件进行光刻，形成基极区域，然后放入电子束蒸发台中淀积Ni/Au=20/20nm并进行剥离，最后在大气环境中进行550℃10min的退火，形成基极欧姆接触；
（9）对完成基极制备的器件进行光刻，形成栅极金属和漏极场板区域，然后放入电子束蒸发台中淀积Ni/Au=20/200nm并进行剥离，完成栅极和漏极场板的制备；
（10）将完成栅极和漏极场板制备的器件放入PECVD反应室淀积SiN钝化膜，钝化膜的淀积厚度为200nm-300nm；
（11）将器件再次进行清洗、光刻显影，形成SiN薄膜的刻蚀区，并放入ICP干法刻蚀反应室中刻蚀，将源极、漏极和栅极上面覆盖的SiN薄膜刻蚀掉；
（12）将器件进行清洗、光刻显影，并放入电子束蒸发台中淀积Ti/Au=20/200nm的加厚电极，完成整体器件的制备。
本发明的有益之处在于：
1、栅漏间第一区域和第二区域的形成使得：
器件导通时，第一区域和第二区域的2DEG浓度增加，电阻得到减小，达到了降低器件导通电阻的目的；
器件截止时，第一区域的2DEG得到减小，第二区域的2DEG与器件导通时相同，增加了器件耗尽区的宽度，改变了电场分布，达到了提高器件击穿电压的目的；
2、本发明采用复合漏极结构，防止了漏极边缘出现电场峰值，提高了器件的击穿电压；
3、本发明采用绝缘栅结构（栅极和下方的绝缘介质层），避免了栅极泄漏电流，提高了器件性能；
4、本发明的方法，具有良好的可控性和重复性。
附图说明
图1是本发明的高压器件的一个具体实施例的剖面结构示意图；
图2是本发明的高压器件的制作工艺流程图。
图中附图标记的含义：1-衬底，2-GaN缓冲层，3-本征GaN沟道层，4-AlN隔离层，5-AlGaN势垒层，501-i型AlGaN层，502-n型AlGaN层，6-源极，7-栅极，8-漏极，9-漏极场板，10-绝缘介质层，11-线性AlGaN层，12-P型GaN外延层，13-基极，14-加厚电极，15-钝化层，D1表示第一区域，D2表示第二区域。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
首先，介绍本发明的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件的结构。
参照图1，本发明的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件，其结构从下至上依次包括：衬底1、GaN缓冲层2、本征GaN沟道层3（本征GaN沟道层3还可以用AlGaN沟道层替代）、AlN隔离层4和AlGaN势垒层5，AlGaN势垒层5由下层的i型AlGaN层501和上层的n型AlGaN层502组成，其中，AlGaN势垒层5上沿水平方向依次有：源极6、栅极7和复合漏极，并且栅极7与AlGaN势垒层5之间还设置有绝缘介质层10，绝缘介质层10优选采用SiN、Al2O3或HfO2等绝缘材料制成，复合漏极包括：漏极8、由漏极8同时向上和向栅极7方向延伸形成的漏极场板9。在栅极7与复合漏极之间的AlGaN势垒层5的上方的部分区域外延有线性AlGaN层11，线性AlGaN层11上的部分区域外延有P型GaN外延层12（P型GaN外延层12可以用InGaN外延层替代），P型GaN外延层12上制备有与栅极7电连接的基极13，其中，线性AlGaN层11、P型GaN外延层12的宽度依次减小。漏极场板9在线性AlGaN层11的上方，并且与P型GaN外延层12之间留有缝隙,漏极场板9在线性AlGaN层11上的宽度优选为<1μm。除此之外，源极6、栅极7、复合漏极和基极13的上表面还形成有加厚电极14，加厚电极14的两侧均形成有钝化层15，钝化层15优选采用SiN、Al2O3或HfO2等绝缘材料制成。
作为一种优选的方案，衬底为蓝宝石、碳化硅、GaN或MgO。
作为一种优选的方案，在AlGaN势垒层5中，Al与Ga的组分比能够调节，Al、Ga、N的组分分别为x、1-x、1，0<x<1，即AlxGa1-xN。
更为优选的是，在线性AlGaN层11中，Al的组分由x线性增加到y，且Al与Ga的组分比能够调节，Al、Ga、N的组分分别为y、1-y、1，1>y>x>0，即AlyGa1-yN。
假设，线性AlGaN层11的厚度为L，则距线性AlGaN层11的下表面的距离为L1处Al的重量含量为：(y-x)×L1/L。
如果线性AlGaN层11上外延的是InGaN层，In组分既可以恒定，也可以逐渐增加。
接下来，介绍制作上述基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件的方法。
参照图2，该制作方法包括以下步骤：
1、对外延生长的p-GaN/线性AlGaN/AlGaN/GaN材料进行有机清洗，用流动的去离子水清洗并放入HCl:H2O=1:1的溶液中进行腐蚀30-60s，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干。
2、对清洗干净的AlGaN/GaN异质结材料进行光刻和干法刻蚀，形成有源区台面。
3、对制备好台面的AlGaN/GaN异质结材料进行光刻，形成P型GaN（或InGaN）和线性AlGaN层的刻蚀区，放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为：上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，Cl2的流量为10sccm，N2的流量为10sccm，刻蚀时间为5min-8min，将栅源之间全部区域以及栅极、源极和漏极上方的P型GaN（或InGaN）外延层、线性AlGaN层均刻蚀掉。
4、对器件进行光刻，然后放入电子束蒸发台中淀积欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au=20/120/45/50nm并进行剥离,最后在氮气环境中进行850℃35s的快速热退火，形成欧姆接触。
5、将制备好欧姆接触的器件进行光刻，形成P型GaN（或InGaN）外延层的刻蚀区，放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为：上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，Cl2的流量为10sccm，N2的流量为10sccm，刻蚀时间为3min-5min，将栅漏之间部分区域的P型GaN（或InGaN）外延层刻蚀掉，形成栅漏间第一区域D1和第二区域D2。
6、将制备好的器件放入原子层淀积设备中，工艺条件为：生长温度为300℃,压力为2000Pa,H2O和TMAl的流量均为150sccm，淀积5-10nm厚的Al2O3介质。
7、对完成淀积的器件进行光刻，形成Al2O3介质的腐蚀区，然后放入HF:H2O=1:10的溶液中30s，去除栅极7以外的Al2O3。
8、将制备好的器件进行光刻，形成基极区域，然后放入电子束蒸发台中淀积Ni/Au=20/20nm并进行剥离，最后在大气环境中进行550℃10min的退火，形成基极欧姆接触。
9、对完成基极制备的器件进行光刻，形成栅极金属和漏极场板区域，然后放入电子束蒸发台中淀积Ni/Au=20/200nm并进行剥离，完成栅极和漏极场板的制备。
10、将完成栅极和漏极场板制备的器件放入PECVD反应室淀积SiN钝化膜，具体工艺条件为：SiH4的流量为40sccm，NH3的流量为10sccm，反应室压力为1-2Pa，射频功率为40W，钝化膜的淀积厚度为200nm-300nm。
11、将器件再次进行清洗、光刻显影，形成SiN薄膜的刻蚀区，并放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为：上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，CF4的流量为20sccm，Ar气的流量为10sccm，刻蚀时间为10min，将源极、漏极和栅极上面覆盖的SiN薄膜刻蚀掉。
12、将器件进行清洗、光刻显影，并放入电子束蒸发台中淀积Ti/Au=20/200nm的加厚电极，完成整体器件的制备。
由此可见，本发明的方法具有良好的可控性和重复性。
由于本发明的高压器件其形成有：栅漏间第一区域D1和第二区域D2，从而使得：
（1）器件导通时，第一区域D1正下方和第二区域D2正下方的AlGaN/GaN界面处2DEG浓度的增加几乎完全相同，均大于沟道中的2DEG浓度，因此两个区域的电阻均有所减小，达到了降低器件导通电阻的目的；
（2）器件截止时（即栅极7电压≤阈值电压时），栅极7正下方的沟道内的2DEG被耗尽，与此同时由于基极13与栅极7电连接，因此第一区域D1正下方的2DEG浓度有所减小（甚至减小为50%），使得器件的耗尽区的宽度有所增加，所能承担高电场的区域得到加宽，达到了提高器件击穿电压的目的；此外，第二区域D2正下方的2DEG浓度与器件导通时完全相同，有利于电场的重新分布。
另外，由于本发明的高压器件采用了复合漏极结构，防止了漏极8边缘出现电场峰值，进一步提高了器件的击穿电压；绝缘栅结构（栅极7和下方的绝缘介质层10）避免了栅极7泄漏电流，提高了器件性能。
需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件，其特征在于，从下至上依次包括：衬底、GaN缓冲层、本征GaN或AlGaN沟道层、AlN隔离层和AlGaN势垒层，AlGaN势垒层上沿水平方向依次有：源极、栅极和复合漏极，所述栅极与AlGaN势垒层之间还设置有绝缘介质层，所述复合漏极包括：漏极、由所述漏极同时向上和向栅极方向延伸形成的漏极场板，在栅极与复合漏极之间的AlGaN势垒层上方的部分区域外延有线性AlGaN层，线性AlGaN层上的部分区域外延有P型GaN或InGaN外延层，且P型GaN或InGaN外延层上制备有与栅极电连接的基极，线性AlGaN层、P型GaN或InGaN外延层的宽度依次减小，漏极场板在线性AlGaN层的上方且与P型GaN或InGaN外延层之间留有缝隙，所述AlGaN势垒层由下层的i型AlGaN层和上层的n型AlGaN层组成；所述源极、栅极、复合漏极和基极的上表面还形成有加厚电极，加厚电极的两侧均形成有钝化层。
2.根据权利要求1所述的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、GaN或MgO。
3.根据权利要求1所述的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件，其特征在于，所述AlGaN势垒层中，Al与Ga的组分比能够调节，Al、Ga、N的组分分别为x、1-x、1，0<x<1。
4.根据权利要求3所述的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件，其特征在于，所述线性AlGaN层中，Al的组分由x线性增加到y，且Al与Ga的组分比能够调节，Al、Ga、N的组分分别为y、1-y、1，1>y>x>0。
5.根据权利要求1所述的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件，其特征在于，所述绝缘介质层为SiN、Al2O3或HfO2。
6.根据权利要求1所述的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件，其特征在于，所述钝化层为SiN、Al2O3或HfO2。
7.根据权利要求1所述的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件，其特征在于，所述漏极场板在线性AlGaN层上的宽度<1μm。
8.制作权利要求1所述的基于复合漏极的AlGaN/GaNMISHEMT高压器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对外延生长的p型GaN/线性AlGaN/AlGaN/GaN材料进行有机清洗，用流动的去离子水清洗并放入HCl:H2O＝1:1的溶液中进行腐蚀30-60s，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干；
(2)对清洗干净的AlGaN/GaN异质结材料进行光刻和干法刻蚀，形成有源区台面；
(3)对制备好台面的AlGaN/GaN异质结材料进行光刻，形成P型GaN外延层和线性AlGaN层的刻蚀区，放入ICP干法刻蚀反应室中刻蚀，将栅源之间全部区域以及栅极、源极和漏极上方的P型GaN外延层、线性AlGaN层均刻蚀掉；
(4)对器件进行光刻，然后放入电子束蒸发台中淀积欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au＝20/120/45/50nm并进行剥离，最后在氮气环境中进行850℃35s的快速热退火，形成欧姆接触；
(5)将制备好欧姆接触的器件进行光刻，形成P型GaN外延层的刻蚀区，放入ICP干法刻蚀反应室中刻蚀,将栅漏之间部分区域的P型GaN外延层刻蚀掉，形成栅漏间第一区域和第二区域；
(6)将制备好的器件放入原子层淀积设备中，淀积5-10nm厚的Al2O3介质；
(7)对完成淀积的器件进行光刻，形成Al2O3介质的腐蚀区，然后放入HF:H2O＝1:10的溶液中30s，去除栅极以外的Al2O3；
(8)将制备好的器件进行光刻，形成基极区域，然后放入电子束蒸发台中淀积Ni/Au＝20/20nm并进行剥离，最后在大气环境中进行550℃10min的退火，形成基极欧姆接触；
(9)对完成基极制备的器件进行光刻，形成栅极金属和漏极场板区域，然后放入电子束蒸发台中淀积Ni/Au＝20/200nm并进行剥离，完成栅极和漏极场板的制备；
(10)将完成栅极和漏极场板制备的器件放入PECVD反应室淀积SiN钝化膜，钝化膜的淀积厚度为200nm-300nm；
(11)将器件再次进行清洗、光刻显影，形成SiN薄膜的刻蚀区，并放入ICP干法刻蚀反应室中刻蚀，将源极、漏极和栅极上面覆盖的SiN薄膜刻蚀掉；
(12)将器件进行清洗、光刻显影，并放入电子束蒸发台中淀积Ti/Au＝20/200nm的加厚电极，完成整体器件的制备。
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