CN107611107A - 一种背面场板结构hemt器件及其制备方法 - Google Patents

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赵维
何晨光
张康
贺龙飞
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Abstract

一种背面场板结构HEMT器件及其制备方法，包括从下往上依次设置的背面场板、衬底、缓冲层、第一半导体层和第二半导体层，第二半导体层上设置有漏极和源极，第一半导体层与第二半导体层为异质结构且在两者的界面处形成有二维电子气沟道，漏极和源极与第二半导体层形成欧姆接触并通过所述二维电子气沟道相连接；当HEMT器件为MIS结构HEMT器件时，第二半导体层位于漏极与源极之间的表面上设置有一层栅极氧化层，栅极氧化层上设置有栅极；当HEMT器件为增强型HEMT器件时，第二半导体层位于漏极与源极之间的表面上设置有栅极，且栅极与第二半导体层形成肖特基接触。本发明通过设置于衬底背面的高导热性场板电极能改善器件内的电场分布、增强衬底的散热能力，从而提高HEMT器件的耐压特性与高温工作性能。

Description

一种背面场板结构HEMT器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种HEMT器件，具体是涉及一种背面场板结构HEMT器件及其制备方法。
背景技术
为了便于与当前成熟的硅工艺兼容与集成，当前的HEMT（High ElectronMobility Transistor，高电子迁移率晶体管）器件大多是基于硅（Si）衬底制备的。但是受限于巨大的热失配与晶格失配，Si衬底氮化镓（GaN）材料无可避免地面临着容易发生龟裂、缺陷密度高等问题。而且，由于Si材料的禁带宽度相对较窄，绝缘性较差，当电子器件在高场下工作时容易发生从衬底端击穿的现象，极大地限制了GaN基HEMT在高压下的应用。相对地，蓝宝石衬底上生长GaN材料具有晶格失配与热失配相对较小，制备得到的GaN材料结晶质量较高，而且蓝宝石衬底对于上层GaN施以压应力，能避免GaN材料发生龟裂。同时，蓝宝石衬底的绝缘性能远优于Si衬底。以上的优势使得蓝宝石衬底GaN材料在电子器件，特别是在高场下工作的电子器件方面有着更为宽广的应用前景。但是相比最高能达到2KV击穿电压的Si衬底GaN HEMT器件，目前在蓝宝石衬底上制备的器件的击穿电压相对较低（～900V）。其中一个重要的原因是Si衬底作为一种可导电材料，起到背面场板的作用。追溯Si衬底GaN基电子器件的发展历程，场板结构的提出大幅提高了其耐压能力。在正反两面场板的作用下，击穿电压有了3倍的提高。由此可见，场板结构确实能显著提高器件的耐压特性。而生长于蓝宝石等绝缘衬底上的电子器件，由于缺少背面场板的作用，其击穿电压较低，制约了其在高压下的应用。为了提高HEMT器件的耐压特性，授权公告号为CN103730360B、CN103730492B与CN103715235B的专利提出了剥离衬底后在半导体层背面制备一层金属场板的技术方法。但是剥离衬底后在背面半导体镀上电极的HEMT器件，当工作于高电压下，容易发生从背面场板处击穿的现象，反而得不偿失。因此，我们需要寻找一种更为行之有效的提高HEMT器件耐压的方法。
此外，蓝宝石衬底作为一种绝缘材料虽然能避免在衬底端发生击穿的现象，但是蓝宝石衬底的热导率较低（～45 W/(m·K)），当器件工作于高电压或者高温环境下，散热成为一个重要的问题。因此，在利用蓝宝石等衬底绝缘优势的同时，需要解决其散热问题，以扩大蓝宝石等衬底HEMT器件的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种能有效改善电场分布，提高耐压特性，散热能力强，不会出现背面击穿现象的背面场板结构HEMT器件及其制备方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的背面场板结构HEMT器件，该HEMT器件为MIS结构HEMT器件或增强型HEMT器件，其特点是：该HEMT器件包括从下往上依次设置的背面场板、衬底、缓冲层、第一半导体层和第二半导体层，所述第二半导体层上设置有漏极和源极，所述第一半导体层与第二半导体层为异质结构且在两者的界面处形成有二维电子气沟道，所述漏极和源极与第二半导体层形成欧姆接触并通过所述二维电子气沟道相连接；其中，
当HEMT器件为MIS结构HEMT器件时，所述第二半导体层位于漏极与源极之间的表面上设置有一层栅极氧化层，所述栅极氧化层上设置有栅极；
当HEMT器件为增强型HEMT器件时，所述第二半导体层位于漏极与源极之间的表面上设置有栅极，且所述栅极与第二半导体层形成肖特基接触。
进一步的，所述背面场板为单层导热性较好的金属材料；或者，所述背面场板为双层或多层的高导热性金属材料。而且，所述双层或多层的高导热性金属材料的导热率往远离衬底方向递增。
进一步的，所述缓冲层为AlN缓冲层、GaN缓冲层或AlGaN缓冲层。所述第一半导体层为GaN层或AlGaN层。所述第二半导体层为AlGaN层、AlN层、AlInN层或AlInGaN层。
为了消除背部金属与栅极形成的电容效应，所述背面场板接入与栅极相同的控制信号。
本发明所述的背面场板结构HEMT器件的制备方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一：在选定的衬底的正面由下往上依次制备缓冲层、第一半导体层和第二半导体层，且制备的第一半导体层与第二半导体层为异质结构且在两者的界面处产生二维电子气沟道；
步骤二：在选定的衬底的背面制备背面场板；
步骤三：在第二半导体层上制备漏极和源极，且制备的漏极和源极与第二半导体层形成欧姆接触并通过所述二维电子气沟道相连接；
步骤四：当HEMT器件为MIS结构HEMT器件时，先在第二半导体层位于漏极与源极之间的表面上制备一层栅极氧化层，再在栅极氧化层上制备栅极；当HEMT器件为增强型HEMT器件时，直接在第二半导体层位于漏极与源极之间的表面上制备栅极，且制备的栅极与第二半导体层形成肖特基接触。
其中，所述步骤二，可先采用现有半导体减薄技术，对选定的衬底进行减薄处理，然后在减薄后的衬底的背面制备背面场板。
所述背面场板采用电镀法、电子束蒸发法、溅射法、气相沉积法或原子层沉积技术制备。
本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：
本发明通过在HEMT器件的绝缘衬底背面设置场板电极，能有效改善器件内部的电场分布，提高器件的耐压特性。同时，采用具有良好导热性能的背面场板材料，能有效提高衬底的散热能力，扩大了导热性较差衬底上制备的HEMT器件的应用范围。此外，当应用于高频开关领域时，通过在背面场板上施加于栅极相同的电信号，有利于消除背面金属场板的电容效应带来的影响。而且，本发明有效地解决了现有技术中由于去除衬底后设置背面场板而带来的背面击穿问题。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明一种背面场板MIS结构HEMT器件示意图。
图2是本发明一种背面场板增强型HEMT器件示意图。
图3是本发明背面场板与栅极接入相同控制信号的HEMT器件示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1：
本发明结构如图1所示，从下往上分别为背面场板1、衬底2、缓冲层3、第一半导体层4、第二半导体层5和栅极氧化层9。其中，在第二半导体层5上设有漏极6和源极7，第一半导体层4与第二半导体层5为异质结构且在两者的界面处形成有二维电子气沟道，漏极6和源极7与第二半导体层5形成欧姆接触并通过所述二维电子气沟道相连接。同时，在栅极氧化层9上设有栅极8。
本实施例中各层材料分别如下：背面场板1为单层金属材料Cu，衬底2为单面抛光的（0001）面蓝宝石衬底，缓冲层3为AlN缓冲层，第一半导体层4为GaN层，第二半导体层5为Al0.2Ga0.8N层，漏极6与源极7均为Ti/Al/Ni/Au合金，栅极氧化层9为Al2O3层，栅极8为Ni/Au合金。“Ti/Al/Ni/Au合金”的含义是从下往上依次蒸镀上一层Ti、一层Al、一层Ni和一层Au，由这四层金属的复合层（即合金）作为电极。Ni/Au合金的含义同上。
上述各层材料的具体参数为：金属材料Cu的厚度为50～200μm，AlN缓冲层的厚度为10～50nm，GaN层的厚度为0.5～2μm，Al0.2Ga0.8N层的厚度为15～40nm，漏极6与源极7的Ti/Al/Ni/Au合金厚度分别为15/80/20/60nm，Al2O3层的厚度为10～50nm，栅极8的Ni/Au合金厚度分别为20/60nm，栅极8与漏极6的距离为漏极6与源极7距离的2/3～4/5。
上述具有背面场板结构的HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）或者分子束外延（MBE）方式在（001）面蓝宝石衬底上依次沉积AlN缓冲层、GaN层和Al0.2Ga0.8N层；
步骤二：采用现有的减薄工艺，将蓝宝石衬底减薄至合适的厚度，并在蓝宝石衬底的背面制备单层金属材料Cu，制备方法可采用电镀法、溅射法等；
步骤三：采用光刻技术制作掩膜层，使得掩膜层覆盖住预备制作源极与漏极的区域，采用介质膜沉积法在Al0.2Ga0.8N层的表面沉积Al2O3层；
步骤四：采用光刻图形技术在Al0.2Ga0.8N层的表面制作出源极与漏极区域，沉积源极与漏极金属Ti/Al/Ni/Au合金，在氮气环境中合金以形成欧姆接触；
步骤五：采用光刻图形技术在Al2O3层的表面制作出栅极区域，沉积栅极金属Ni/Au合金。
在实际工作中，根据使用环境，当用作高速开关器件时，可在背面场板1处接入与栅极8相同的控制信号。
实施例2：
本发明结构如图2所示，从下往上分别为背面场板1、衬底2、缓冲层3、第一半导体层4和第二半导体层5。其中，在第二半导体层5上设有漏极6、源极7和栅极8，第一半导体层4与第二半导体层5为异质结构且在两者的界面处形成有二维电子气沟道，漏极6和源极7与第二半导体层5形成欧姆接触并通过所述二维电子气沟道相连接。
本实施例中各层材料分别如下：背面场板1为Ni/Au合金，衬底2为单面抛光的（001）面AlN衬底，缓冲层3为AlGaN缓冲层，第一半导体层4为GaN层，第二半导体层5为Al0.82In0.18N层，漏极6与源极7均为Cr/Pd/Au合金，栅极8为Ni/Au合金。
上述各层的参数与实施例1相似，区别在于：Ni/Au合金的厚度为20～40nm/80～200nm，AlGaN缓冲层的厚度为50～500nm，Cr/Pd/Au合金的厚度为20/40/200nm。
本实施例中的具有背面场板结构HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）或者分子束外延（MBE）方式在（001）面AlN衬底上依次沉积GaN缓冲层、GaN层、Al0.82In0.18N层；
步骤二：采用现有的减薄工艺，将AlN衬底减薄至合适的厚度，并在AlN衬底背面制备Ni/Au合金，制备方法可采用电子束蒸发法、溅射法等；
步骤三：采用光刻图形技术在Al0.82In0.18N层的表面制作出源极与漏极区域，沉积源极与漏极金属Cr/Pd/Au合金，在氮气环境中合金以形成欧姆接触；
步骤四：采用光刻图形技术在Al0.82In0.18N层的表面制作出栅极区域，沉积栅极金属Ni/Au合金，以形成肖特基接触，本步骤无需进行退火操作。
同样的，在实际工作中，也可根据使用环境，如图3所示，在背面场板1处接入与栅极8相同的控制信号，以消除背部金属与栅极形成的电容效应。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种背面场板结构HEMT器件，该HEMT器件为MIS结构HEMT器件或增强型HEMT器件，其特征在于：该HEMT器件包括从下往上依次设置的背面场板（1）、衬底（2）、缓冲层（3）、第一半导体层（4）和第二半导体层（5），所述第二半导体层（5）上设置有漏极（6）和源极（7），所述第一半导体层（4）与第二半导体层（5）为异质结构且在两者的界面处形成有二维电子气沟道，所述漏极（6）和源极（7）与第二半导体层（5）形成欧姆接触并通过所述二维电子气沟道相连接；其中，
当HEMT器件为MIS结构HEMT器件时，所述第二半导体层（5）位于漏极（6）与源极（7）之间的表面上设置有一层栅极氧化层（9），所述栅极氧化层（9）上设置有栅极（8）；
当HEMT器件为增强型HEMT器件时，所述第二半导体层（5）位于漏极（6）与源极（7）之间的表面上设置有栅极（8），且所述栅极（8）与第二半导体层（5）形成肖特基接触。
2.根据权利要求1所述的背面场板结构HEMT器件，其特征在于：所述背面场板（1）为单层导热性较好的金属材料；或者，所述背面场板（1）为双层或多层的高导热性金属材料。
3.根据权利要求2所述的背面场板结构HEMT器件，其特征在于：所述双层或多层的高导热性金属材料的导热率往远离衬底方向递增。
4.根据权利要求1所述的背面场板结构HEMT器件，其特征在于：所述缓冲层（3）为AlN缓冲层、GaN缓冲层或AlGaN缓冲层。
5.根据权利要求1所述的背面场板结构HEMT器件，其特征在于：所述第一半导体层（4）为GaN层或AlGaN层。
6.根据权利要求1所述的背面场板结构HEMT器件，其特征在于：所述第二半导体层（5）为AlGaN层、AlN层、AlInN层或AlInGaN层。
7.根据权利要求1所述的背面场板结构HEMT器件，其特征在于：所述背面场板（1）接入与栅极（8）相同的控制信号。
8.一种如上述权利要求1-7所述背面场板结构HEMT器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：在选定的衬底（2）的正面由下往上依次制备缓冲层（3）、第一半导体层（4）和第二半导体层（5），且制备的第一半导体层（4）与第二半导体层（5）为异质结构且在两者的界面处产生二维电子气沟道；
步骤二：在选定的衬底（2）的背面制备背面场板（1）；
步骤三：在第二半导体层（5）上制备漏极（6）和源极（7），且制备的漏极（6）和源极（7）与第二半导体层（5）形成欧姆接触并通过所述二维电子气沟道相连接；
步骤四：当HEMT器件为MIS结构HEMT器件时，先在第二半导体层（5）位于漏极（6）与源极（7）之间的表面上制备一层栅极氧化层（9），再在栅极氧化层（9）上制备栅极（8）；当HEMT器件为增强型HEMT器件时，直接在第二半导体层（5）位于漏极（6）与源极（7）之间的表面上制备栅极（8），且制备的栅极（8）与第二半导体层（5）形成肖特基接触。
9.根据权利要求8所述背面场板结构HEMT器件的制备方法，其特征在于：所述步骤二，可先采用现有半导体减薄技术，对选定的衬底（2）进行减薄处理，然后在减薄后的衬底（2）的背面制备背面场板（1）。
10.根据权利要求8所述背面场板结构HEMT器件的制备方法，其特征在于：所述背面场板（1）采用电镀法、电子束蒸发法、溅射法、气相沉积法或原子层沉积技术制备。
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