CN106549038B - 一种垂直结构的氮化镓异质结hemt - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直结构的氮化镓异质结HEMT，其包括从下至上依序设置的Si衬底层、N型重掺杂的GaN层、N型掺杂的N‑GaN层、介质钝化层和欧姆金属电极，N型掺杂的N‑GaN层刻蚀有GaN沟槽，GaN沟槽内生长AlGaN层，AlGaN层上刻蚀有AlGaN沟槽，AlGaN沟槽内从下至上依序生长未掺杂的i‑GaN层、P型轻掺杂的P‑GaN层和重掺杂的多晶硅层；欧姆金属电极包括源极、漏极和栅极，源极和栅极同在器件的正面，并以介质钝化层隔开，漏极在器件背面。本发明通过AlGaN层和N‑GaN层形成二维电子气，二维电子气通过源/漏极垂直传输，P‑GaN层和N‑GaN层形成PN结。
Description
技术领域
本发明涉及分立器件芯片制造技术，尤其涉及一种垂直结构的氮化镓异质结HEMT。
背景技术
HEMT是一种异质结场效应晶体管，根据半导体物理特性，异质结接触的两种半导体由于禁带宽度的不同，电子会从宽禁带的半导体流向窄禁带的半导体中，从而在半导体截面的窄禁带半导体一侧形成量子阱。限制于量子阱中的自由电子在垂直异质结接触面方向移动，故称这个量子阱为二维电子气。由于沟道中的自由移动电子远离宽禁带半导体中的杂质的库伦散射，故载流子能获得很高的电子迁移率。
氮化镓异质结HEMT由于具有禁带宽度大，电子饱和速度高和击穿场强大等优点，非常适合于高频、大功率与高温应用。在高温器件以及大功率微波器件方面已显示出得天独厚的优势。目前市场上流行的氮化镓异质结HEMT是平面型结构。通过在蓝宝石衬底上依次生长GaN层、AlGaN层，形成平面型的二维电子气。在器件的正面上刻蚀出源极、漏极和栅极。为了发挥氮化镓异质结HEMT的优势，需要将氮化镓异质结HEMT和其他元器件集成在一起。但是在很多情况下，平面型氮化镓异质结HEMT由于结构上的原因不是很容易就能达到要求。本文提出一种垂直结构的氮化镓异质结HEMT，将HEMT的源极和栅极设计在器件的正面，漏极设计在器件的背面，从而解决集成工艺方面的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种垂直结构的氮化镓异质结HEMT及其制备方法，其解决了平面氮化镓异质结HEMT由于结构上的原因而不能和其他元件一起集成的问题，其将HEMT的源极和栅极设计在器件的正面，漏极设计在器件的背面，从而有效地解决了将氮化镓异质结HEMT和其他元件一起集成的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种垂直结构的氮化镓异质结HEMT，包括从下至上依序设置的Si衬底层、N型重掺杂的GaN层、N型掺杂的N-GaN层和介质钝化层，所述N型掺杂的N-GaN层刻蚀有上下贯通的GaN沟槽，所述GaN沟槽内生长AlGaN层，所述AlGaN层内刻蚀有上下贯通的AlGaN沟槽， 以使所述GaN沟槽侧壁上形成厚度为30nm无底部的AlGaN层，所述AlGaN沟槽内从下至上依序生长未掺杂的i-GaN层、P型轻掺杂的P-GaN层和N型重掺杂的多晶硅层；还包括欧姆金属电极，所述欧姆金属电极包括源极、漏极和栅极，所述源极和所述栅极同在器件的正面，并以所述介质钝化层隔开，所述漏极在器件背面。其中所述的AlGaN层生长在GaN沟槽的侧壁上，厚度大约为30nm。
本发明有益效果为：
本发明所述的垂直结构的氮化镓异质结HEMT，将HEMT的源极和栅极设计在器件的正面，漏极设计在器件的背面，从而有效地解决了将氮化镓异质结HEMT和其他元件一起集成的问题，本发明通过AlGaN层和N型轻掺杂的GaN层形成二维电子气，二维电子气通过所述源/漏极垂直传输，所述的P型轻掺杂的P-GaN层和所述的N型掺杂的N-GaN层形成PN结，在零电压情况下，PN结内建电场隔断了二维电子气，阻止了源/漏极的导通；当给所述的P型轻掺杂的P-GaN层施加正电压时，二维电子气重新形成，源/漏极导通。
附图说明
图1是本发明实施例中垂直结构的氮化镓异质结HEMT。
图2是在硅衬底层上生长N型重掺杂的GaN层。
图3是在N型重掺杂的GaN层上生长N型掺杂的N-GaN层。
图4是在N型掺杂的N-GaN层上刻蚀GaN沟槽。
图5是在GaN沟槽内生长AlGaN层。
图6是在AlGaN层上刻蚀AlGaN沟槽。
图7是在AlGaN沟槽内第一层生长未掺杂的i-GaN层。
图8是在AlGaN沟槽内第二层生长P型轻掺杂的P-GaN层。
图9是在AlGaN沟槽内第三层生长N型重掺杂的多晶硅。
图10是在N型掺杂的N-GaN层上生长介质钝化层。
图11是在器件正面引出源极和栅极。
图12是在器件背面，氧化硅衬底，并刻蚀引出漏极。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合附图说明，对本发明的内容作进一步说明。首先申明本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应为此作为本发明的限定。
图1为本发明实施例中一种垂直结构的氮化镓异质结HEMT示意图。如图1所示，本发明提供一种垂直结构的氮化镓异质结HEMT，包括从下至上依序设置的Si衬底层、N型重掺杂的GaN层、N型掺杂的N-GaN层和介质钝化层，所述N型掺杂的N-GaN层刻蚀有上下贯通的GaN沟槽，所述GaN沟槽内生长AlGaN层，所述AlGaN层上刻蚀有上下贯通的AlGaN沟槽，以使所述GaN沟槽侧壁上形成厚度为30nm无底部的AlGaN层，所述AlGaN沟槽内从下至上依序生长未掺杂的i-GaN层、P型轻掺杂的P-GaN层和重掺杂的多晶硅层；还包括欧姆金属电极，所述欧姆金属电极包括源极、漏极和栅极，所述源极和所述栅极同在器件的正面，并以所述介质钝化层隔开，所述漏极在器件背面。
其中，所述的AlGaN层生长在GaN沟槽的侧壁上，厚度大约为30nm。
进一步的，所述AlGaN层和所述N型掺杂的N-GaN层形成异质结结构，产生二维电子气，用于二维电子气通过源/漏极垂直传输。所述P型轻掺杂的P-GaN层和所述N型掺杂的N-GaN层形成PN结，在零电压情况下，PN结的内建电场隔断二维电子气，从而隔断源/漏极之间的电流传输。当P型轻掺杂的P-GaN层施加正向电压时，所述PN结的内建电场削弱，二维电子气重新形成，源/漏极之间的电流开始传输。
进一步的，所述源极和所述漏极分别为多金属层次结构的电极，通过电子束蒸发镀膜将Ti/Al/Ni/Au金属依次沉积到GaN材料的表面，并退火，Ti/Al/Ni/Au金属层的厚度为：350埃/900埃/600埃/1000埃。所述栅极通过电子束蒸发镀膜将Al金属直接沉积到所述N型重掺杂的多晶硅层的表面，并退火，Al金属层的厚度为2000埃。
图2-12为本发明实施例中垂直结构氮化镓异质结HEMT的制作过程的结构示意图。以下将结合图1所示，详细说明本发明的制作过程。其中：
本发明是在（111）面硅衬底上制备N型重掺杂的GaN层。以TEGa、TMAl和NH3为Ga源、Al源和N源，高纯H2为载气，生长压力为40托。
如图2所示，首先在硅衬底上生长一层约30nm厚的AlN成核层，紧接着生长一层约1250nm厚的重掺杂GaN层。掺杂元素为Si（以SiH4作为硅源），热处理后的Si的掺杂浓度为5*1018cm-3。
进一步地，如图3所示，在N型重掺杂GaN层的厚度达到约1250nm时，降低SiH4的输送速率继续生长GaN，得到厚度约为3um的N型掺杂的N-GaN层。热处理后Si的掺杂浓度为为1*1018cm-3。
进一步地，在N型掺杂的N-GaN层相应的位置进行刻蚀，经过涂胶、对准曝光、显影、竖膜、干法腐蚀和清洗等工艺步骤，得到长宽约为1um，深度约为3um的GaN沟槽。GaN沟槽的底部接触到N型重掺杂GaN层的表面。如图4所示，形成的GaN沟槽内表面需要光滑，不能有毛刺，为后续的材料生长提供良好的基台。
进一步地，如图5所示，在GaN沟槽内，控制TMAl的输送速率，开始生长AlGaN层，厚度约为3um时停止生长。
进一步地，如图6所示，在AlGaN层的相应位置进行刻蚀，经过涂胶、对准曝光、显影、竖膜、干法腐蚀和清洗等工艺步骤，得到长宽约为940nm，深度约为3um的AlGaN沟槽。AlGaN沟槽底部抵达到N型重掺杂GaN层的表面，形成的AlGaN沟槽内表面需要光滑，不能有毛刺，为后续的材料生长提供良好的基台。
进一步地，如图7所示，在AlGaN沟槽内，生长未掺杂的i-GaN层，然后进行涂胶、对准曝光、显影、竖膜、干法腐蚀和清洗等工艺步骤，得到厚度为1um的未掺杂的i-GaN层。未掺杂的i-GaN层提供绝缘作用，一方面隔断了与N型重掺杂的GaN层的形成PN结的可能，另一方面为接下来的P型氮化镓层的生长提供基台。
进一步地，如图8所示，在AlGaN沟槽内生长轻掺杂的P型GaN，掺杂的元素为Mg（以Cp2Mg为掺杂源）。然后进行涂胶、对准曝光、显影、竖膜、干法腐蚀和清洗等工艺步骤，得到厚度为1um的轻掺杂的P型P-GaN层。热处理后，掺杂浓度为2*1017cm-3。
进一步地，如图9所示，在AlGaN沟槽内生长多晶硅，然后通过离子注入技术掺入P元素，退火后形成N型重掺杂的多晶硅。然后进行涂胶、对准曝光、显影、竖膜、干法腐蚀和清洗等工艺步骤，得到厚度为1um的N型重掺杂的多晶硅层。N型重掺杂的多晶硅层具有良好的导电性，并且与P型GaN层接触电阻较低。
进一步地，如图10所示，在N型重掺杂的多晶硅表面和N型重掺杂的GaN层表面生长SiO2层作为介质钝化层，厚度约为1um。
进一步地，如图11所示，分别在器件的正面电子溅射法引出源极和栅极，SiO2介质防止源极和漏极导通。源极的欧姆金属Ti/Al/Ni/Au的厚度为：350埃/900埃/600埃/1000埃，栅极Al金属的厚度为2000埃。
进一步地，如图12所示，在器件的背面，氧化硅衬底形成介质钝化层。开孔引出器件的漏极，漏极的欧姆金属Ti/Al/Ni/Au的厚度为：350埃/900埃/600埃/1000埃。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (7)
1.一种垂直结构的氮化镓异质结HEMT，其特征在于：包括从下至上依序设置的Si衬底层、N型重掺杂的GaN层、N型掺杂的N-GaN层和介质钝化层，所述N型掺杂的N-GaN层刻蚀有上下贯通的GaN沟槽，所述GaN沟槽内生长AlGaN层，所述AlGaN层内刻蚀有上下贯通的AlGaN沟槽，以使所述GaN沟槽侧壁上形成厚度为30nm无底部的AlGaN层，所述AlGaN沟槽内从下至上依序生长未掺杂的i-GaN层、P型轻掺杂的P-GaN层和N型重掺杂的多晶硅层；还包括欧姆金属电极，所述欧姆金属电极包括源极、漏极和栅极，所述源极和所述栅极同在器件的正面，并以所述介质钝化层隔开，所述漏极在器件背面。
2.根据权利要求1所述的一种垂直结构的氮化镓异质结HEMT，其特征在于：所述AlGaN层和所述N型掺杂的N-GaN层形成异质结结构，产生二维电子气，用于二维电子气通过源/漏极垂直传输。
3.根据权利要求2所述的一种垂直结构的氮化镓异质结HEMT，其特征在于：P型轻掺杂的P-GaN层和所述N型掺杂的N-GaN层形成PN结，在零电压情况下，PN结的内建电场隔断二维电子气，从而隔断源/漏极之间的电流传输。
4.根据权利要求3所述的一种垂直结构的氮化镓异质结HEMT，其特征在于：当P型轻掺杂的P-GaN层施加正向电压时，所述PN结的内建电场削弱，二维电子气重新形成，源/漏极之间的电流开始传输。
5.根据权利要求1所述的一种垂直结构的氮化镓异质结HEMT，其特征在于：所述源极和所述漏极分别为多金属层次结构的电极，通过电子束蒸发镀膜将Ti/Al/Ni/Au金属依次沉积到GaN材料的表面，并退火，Ti/Al/Ni/Au金属层的厚度为：350埃/900埃/600埃/1000埃。
6.根据权利要求1所述的一种垂直结构的氮化镓异质结HEMT，其特征在于：所述栅极通过电子束蒸发镀膜将Al金属直接沉积到所述N型重掺杂的多晶硅层的表面，并退火，Al金属层的厚度为2000埃。
7.一种垂直结构的氮化镓异质结HEMT的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：在（111）面硅衬底上生长N型重掺杂的GaN层，生长厚度为1250nm，掺杂浓度为5*1018cm-3；
步骤2：在N型重掺杂的GaN层上生长N型掺杂的N-GaN层，生长厚度为3um，掺杂的浓度为1*1018cm-3；
步骤3：在N型掺杂的N-GaN层上刻蚀GaN沟槽，沟槽的长宽为1um，深度3um；
步骤4：在GaN沟槽内生长AlGaN层；
步骤5：在AlGaN层上刻蚀AlGaN沟槽，保留沟槽侧壁上的AlGaN层而完全清除沟槽底部的AlGaN层，厚度为30nm；
步骤6：在AlGaN沟槽内第一层生长未掺杂的i-GaN层，厚度为：1um；
步骤7：在AlGaN沟槽内第二层生长P型掺杂的P- GaN层，厚度为：1um；
步骤8：在AlGaN沟槽内第三层生长N型重掺杂的多晶硅层，厚度为：1um；
步骤9：在器件正面生长第一介质钝化层，厚度为2000埃；
步骤10：在第一介质钝化层上开孔，电子溅射镀膜法沉积欧姆金属，引出源极，欧姆金属Ti/Al/Ni/Au的厚度为350埃/900埃/600埃/1000埃，并生长第二介质钝化层；
步骤11：对第二介质钝化层开孔，电子溅射镀膜法沉积Al金属，引出栅极，Al的厚度2000埃，生长第三介质钝化层，并对其开孔，分别引出源极和漏极；
步骤12：在器件背面硅衬底，并开孔，孔内电子溅射法沉积欧姆金属，引出漏极，欧姆金属Ti/Al/Ni/Au的厚度为350埃/900埃/600埃/1000埃。
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