CN109037326B - 一种具有p型埋层结构的增强型hemt器件及其制备方法 - Google Patents
一种具有p型埋层结构的增强型hemt器件及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109037326B CN109037326B CN201810789995.2A CN201810789995A CN109037326B CN 109037326 B CN109037326 B CN 109037326B CN 201810789995 A CN201810789995 A CN 201810789995A CN 109037326 B CN109037326 B CN 109037326B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- gan
- type buried
- buried layer
- growing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 62
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 47
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 23
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 18
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 28
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 26
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims description 20
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 19
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 12
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 12
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 claims description 12
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 12
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 claims description 11
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 11
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 10
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 9
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 claims description 9
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 8
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 6
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 claims description 6
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 4
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 4
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 3
- AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N digallium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Ga+3] AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910001195 gallium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims 1
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000779 depleting effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000013589 supplement Substances 0.000 abstract description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 24
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- -1 fluorine ions Chemical class 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 3
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 229910015844 BCl3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
- H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
- H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
- H01L29/66409—Unipolar field-effect transistors
- H01L29/66446—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET]
- H01L29/66462—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET] with a heterojunction interface channel or gate, e.g. HFET, HIGFET, SISFET, HJFET, HEMT
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/0603—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions
- H01L29/0607—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
一种具有P型埋层结构的增强型HEMT器件及其制备方法，属于半导体晶体管器件制作领域。技术要点包括：在半导体衬底上依次生长缓冲层、i‑GaN漂移层、势垒层和栅极钝化层，所述i‑GaN漂移层上设置有源电极和漏电极，所述栅极钝化层上设置有栅电极，所述i‑GaN漂移层中内嵌P型埋层。该结构利用P型埋层形成PN结内建电场，从而耗尽栅极下方的二维电子气达到增强型的目的。有益效果是:本发明所述的具有P型埋层结构的增强型HEMT器件及其制备方法能够实现在二维电子气沟道导电性能不发生退化的情况下同时提高器件稳定而均匀的正向阈值电压，对该领域是个重要的技术补充。
Description
技术领域
本发明属于半导体晶体管器件制作领域，尤其涉及一种具有P型埋层结构的增强型HEMT器件及其制备方法。
背景技术
二十世纪末以来，在以Si为代表的第一代半导体和以GaAs为代表的第二代半导体之后，第三代半导体材料迅猛发展。第三代半导体材料具有优秀的物理和化学特性，近年来已被广泛地应用于无线通信、卫星、照明等领域。其中比较具有代表性的材料有GaN和SiC等。第三代半导体也称宽禁带半导体，具有较宽的禁带宽度，一般大于2eV，具有较高的击穿场强，较高的热导率和较高的电子饱和速率，因此具有更为优异的功率特性，适合应用于大功率器件中，可以实现高击穿电压和低导通电阻，因此可以工作于更高的电压、电流以及更高的温度下。特别地，由于带阶差、极化效应和表面态的作用，GaN基异质结(典型如AlGaN/GaN)的界面处可以在非故意掺杂的情况下产生高密度的二维电子气(2-DEG)(＞1013cm-2)，其电子迁移率可稳定达到2000cm2V-1s-1以上。以2-DEG为导电沟道的高电子迁移率晶体管(HEMT)器件在导通电阻和饱和电流上有很大优势，因此在新型功率开关器件中脱颖而出。
由于2-DEG可以在不施加偏压及故意掺杂的情况下稳定存在于AlGaN/GaN异质结界面处，目前研究者们已经可以基于AlGaN/GaN异质结制作出满足控制电路基本要求的耗尽型HEMT器件。相比于耗尽型器件，增强型功率器件的使用不仅能够简化电路,还能大幅减少电路功率损耗，然而，由于结构创新的局限和工艺复杂程度带来的新不确定因素，增强型HEMT器件的结构设计与制作工艺仍然难以达到其在控制电路中的理想要求。
目前实现增强型HEMT器件的方法都是对沟道上方的栅极势垒层进行设计调整，主要有栅极势垒层刻蚀、栅极势垒层氟离子注入和采用具有P-GaN帽层的栅电极结构三种。然而这些方法都有一些难以避免的缺陷：势垒层刻蚀带来的表面不平整会增强沟道内电子的杂质散射，从而导致沟道电子迁移率降低，引起开态电阻退化；注入势垒层的氟离子具有温度不稳定性，因此导致阈值电压随温度漂移，降低了器件的可靠性；P-GaN帽层的插入使栅极与沟道间的距离增大，削弱了器件的栅控能力，导致器件跨导的退化，从而降低了器件的开关速率。由于以上三种方法均在沟道上方的栅极势垒层进行附加工艺步骤，由此引入额外缺陷和杂质，因此二维电子气沟道导电性能发生退化，器件导通电阻增加。因此，如何在不增加器件导通电阻的前提下，提高并形成稳定而均匀的正向阈值电压，是目前需要解决的难题之一。
发明内容
为了解决上述现有技术中的问题，本发明提出一种具有P型埋层结构的增强型HEMT器件及其制备方法，该增强型HEMT器件能够实现在不向栅极上方势垒层引入新的杂质和缺陷的情况下实现稳定而均匀的正向阈值电压。
技术方案如下：
一种具有P型埋层结构的增强型HEMT器件，在半导体衬底上依次生长缓冲层、i-GaN漂移层、势垒层和栅极钝化层，所述i-GaN漂移层上设置有源电极和漏电极，所述栅极钝化层上设置有栅电极，所述i-GaN漂移层中内嵌P型埋层。
一种具有P型埋层结构的增强型HEMT器件，在半导体衬底上依次生长缓冲层、i-GaN漂移层、势垒层和栅极钝化层，所述i-GaN漂移层上设置有源电极和漏电极，所述栅极钝化层上设置有栅电极，所述i-GaN漂移层中内嵌P型埋层，所述P型埋层设置在所述栅电极下方，所述P型埋层和所述栅电极之间的i-GaN漂移层、势垒层和栅极钝化层顺势向上凸出。
进一步的，所述半导体衬底为Si、蓝宝石、SiC、GaN、金刚石、石墨烯中的任意一种。
进一步的，所述缓冲层由AlN超晶格结构或者AlGaN超晶格结构构成。
进一步的，所述i-GaN漂移层的厚度为0.5～10μm，所述势垒层是Al组分比例为0.1～0.35的AlGaN。
进一步的，所述P型埋层为P-GaN。
本发明还包括一种具有P型埋层结构的增强型HEMT器件制备方法，步骤如下：
S1、采用金属有机物化学气相沉积、分子束外延半导体材料生长方法在衬底上依次生长AlN超晶格结构缓冲层或者AlGaN超晶格结构缓冲层、非故意掺杂的i-GaN层；
S2、采用等离子体增强化学的气相沉积法或者电子束蒸发法沉积SiO2、Si3N4或者Ni金属作为硬掩膜层，并利用半导体光刻法刻出1～3μm的掩膜开口；
S3、对P型埋层进行生长；
S4、采用金属有机物化学气相沉积、分子束外延半导体材料生长方法在样品表面生长5～100nm的i-GaN层和10～30nm的AlGaN层，Al组分比例为0.1～0.35，形成异质结；生长10-50nm的钝化层，钝化层采用氮化硅、氧化铝、氧化镓的任意一种；
S5、采用半导体光刻方法定义出源、漏电极所需区域，通过ICP刻蚀方法，将源、漏区域表面钝化层及AlGaN层刻蚀掉，采用磁控溅射法、电子束蒸发法或者热蒸发法沉积复合金属结构，利用高温退火形成合金，制作源、漏电极欧姆接触；通过半导体光刻方法定义出栅电极区域，通过磁控溅射法、电子束蒸发法或者热蒸发法沉积栅电极金属，形成栅区金属-绝缘层-半导体结构。
进一步的，步骤S3中对P型埋层进行生长方法步骤如下：
S3.1、利用半导体刻蚀方法制作出生长埋层所需的凹槽，通过基于Cl基气体的反应耦合等离子体半导体刻蚀法，刻蚀100～500nm深度凹槽；
S3.2、采用金属有机物化学气相沉积、分子束外延半导体材料生长方法在样品表面生长100～500nm的P型埋层，然后采用缓冲氢氟酸BOE溶液腐蚀除去硬掩膜，获得平整的GaN表面。
进一步的，步骤S3中对P型埋层进行生长方法步骤如下：采用离子注入法在样品表面注入Mg或Fe或Mg/Al复合杂质，然后用缓冲氢氟酸BOE溶液去除硬掩膜，获得平整的GaN表面，并采用热退火法进行杂质激活，完成P-GaN埋层制作。
进一步的，采用金属有机物化学气相沉积、分子束外延半导体材料生长方法在样品表面生长100～500nm的P-GaN层，并用缓冲氢氟酸BOE溶液去除硬掩膜。
本发明的有益效果是：
本发明所述的具有P型埋层结构的增强型HEMT器件及其制备方法能够实现在不向栅极上方势垒层引入新的杂质和缺陷的情况下实现稳定而均匀的正向阈值电压。
附图说明
图1是本发明提出的具有P型埋层的增强型HEMT器件结构示意图①；
图2是本发明提出的具有P型埋层的增强型HEMT器件结构示意图②；
图3是本发明实施例2步骤①所述的晶圆生长后的结构示意图；
图4是本发明实施例2步骤②所述的硬掩膜生长后的结构示意图；
图5是本发明实施例2步骤③所述的埋层凹槽刻蚀后的结构示意图；
图6是本发明实施例2步骤④所述的P-GaN埋层生长后的结构示意图；
图7是本发明实施例2步骤⑤所述的极化结和钝化层生长后的结构示意图；
图8是本发明实施例2步骤⑥所述的源、漏、栅电极制作后的结构示意图；
图9是本发明实施例3步骤③所述的离子注入后的结构示意图；
图10是本发明实施例4步骤③所述的P-GaN埋层生长后的结构示意图；
图11是本发明实施例4步骤④所述的异质结和钝化层生长后的结构示意图；
图12是本发明实施例4步骤⑤所述的源、漏、栅电极制作后的结构示意图；
图13是基于实施例5参数获得的器件性能结果(ID-VG曲线)示意图；
图14是基于实施例5参数获得的器件性能结果(ID-VD曲线)示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-14对具有P型埋层结构的增强型HEMT器件及其制备方法做进一步说明。
实施例1
一种具有P型埋层结构的增强型HEMT器件，器件结构基本组成由下至上分别为：
(1)Si、蓝宝石、SiC、GaN、金刚石或石墨烯等材料衬底，由于不同材料的晶格常数、热膨胀系数和热导率不同，可根据成本以及对外延片的质量要求进行选择；
(2)由AlN或者AlGaN超晶格结构构成的缓冲层；
(3)0.5～10μm的非故意掺杂的i-GaN漂移层；
(4)位于i-GaN漂移层内的P-GaN埋层，用以在零偏栅压下耗尽栅极下方2-DEG沟道中的电子实现增强型操作；
(5)i-GaN沟道层上方Al组分为0.1～0.35的AlGaN势垒层，使其在i-GaN沟道层内形成导电2-DEG；
(6)栅极钝化层用以防止栅极漏电并调制阈值电压；
(7)源(source)、栅(gate)、漏(drain)金属电极。
其基本工作原理是：由于大的带阶差和极化效应，AlGaN/i-GaN异质结界面下方的沟道层内产生高密度的导电2-DEG，由于P型埋层的插入，在零偏栅压下，栅极下方沟道内的2-DEG被耗尽，器件导电沟道夹断，器件因此处于关断状态；当在栅极施加大于器件阈值电压的栅极电压后，栅极下方沟道内电子积累，源漏之间形成连续的导电沟道，器件处于开启状态。
实施例2
步骤①：晶圆生长。采用如金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等半导体材料生长技术依次在Si、蓝宝石或者GaN衬底上依次生长AlN或者AlGaN超晶格结构缓冲层、0.5～10μm的非故意掺杂的i-GaN层，如图3所示；
步骤②：硬掩膜生长。采用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)或者电子束蒸发法沉积SiO2、Si3N4或者Ni金属作为硬掩膜层，并利用半导体光刻技术实现1～3μm的掩膜开口，如图4所示。其中半导体光刻技术包含一整套的匀胶、软烘、曝光、显影、坚膜等步骤；
步骤③：埋层凹槽刻蚀。利用半导体刻蚀技术制作出生长埋层所需的凹槽，通过如基于Cl基气体的反应耦合等离子体(ICP)等半导体刻蚀技术，刻蚀100～500nm深度凹槽，如图5所示；
步骤④：P型埋层生长。采用如金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等半导体材料生长技术在样品表面生长100～500nm的P型埋层(典型的P型埋层为P-GaN)，然后采用缓冲氢氟酸BOE溶液腐蚀除去硬掩膜，获得平整的GaN表面，如图6所示；
步骤⑤：异质结和钝化层生长。采用如金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等半导体材料生长技术在样品表面生长5～100nm的i-GaN层和10～30nm的AlGaN层，Al组分为0.1～0.35，形成异质结；生长10-50nm的钝化层，钝化层可为氮化硅、氧化铝或者氧化镓等，如图7所示；
步骤⑥：源、漏、栅电极制作。采用半导体光刻技术定义出源、漏电极所需区域，通过如基于Cl基气体的ICP刻蚀技术，将源、漏区域表面钝化层及AlGaN层刻蚀掉，采用磁控溅射、电子束蒸发或者热蒸发等金属沉积技术沉积复合金属结构，利用高温退火形成合金，制作良好的源、漏电极欧姆接触；通过半导体光刻技术定义出栅电极区域，通过如磁控溅射、电子束蒸发或者热蒸发等金属沉积技术沉积栅电极金属，形成栅区金属-绝缘层-半导体(MIS)结构，器件制作完成，如图8所示。
实施例3
步骤①：晶圆生长。与实施例2步骤①相似；
步骤②：硬掩膜生长。与实施例2步骤②相似；
步骤③：离子注入。采用离子注入技术在样品表面注入Mg或Fe或Mg/Al复合杂质，然后用缓冲氢氟酸BOE溶液去除硬掩膜，获得平整的GaN表面，并采用热退火技术进行杂质激活，完成P-GaN埋层制作，如图9所示；
步骤④：异质结和钝化层生长。与实施例2步骤⑤相似；
步骤⑤：源、漏、栅电极制作。与实施例2步骤⑥相似。
实施例4
步骤①：晶圆生长。与实施例2步骤①相似；
步骤②：硬掩膜生长。与实施例2步骤②相似；
步骤③：P-GaN埋层生长。采用如金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等半导体材料生长技术在样品表面生长100～500nm的P-GaN层，并用缓冲氢氟酸BOE溶液去除硬掩膜，如图10所示；
步骤④：异质结和钝化层生长。与实施例2步骤⑤相似，如图11所示；
步骤⑤：源、漏、栅电极制作。与实施例2步骤⑥相似，如图12所示。
实施例5
步骤①：晶圆生长。采用MOCVD技术依次在p型Si衬底上依次生长200nmAlGaN超晶格缓冲层、3μm的本征i-GaN层；
步骤②：硬掩膜生长。采用PECVD技术沉积350nm的SiO2层，利用光刻技术定义2μm的掩膜开口区域，过程为：
(1)将样品以4000r/min的速率持续30s均匀旋涂AZ5214光刻胶；
(2)将样品放置在100℃的热板上加热软烘90s；
(3)把样品放置在光强为7mW/cm2的左右曝光机中持续曝光20s；
(4)在显影液中显影45s；
(5)在100℃的热板上加热坚膜60s。然后用缓冲氢氟酸BOE去除开口处掩膜；
步骤③：埋层凹槽刻蚀。利用ICP刻蚀技术，采用BCl3反应气体,在200W功率下刻蚀埋层凹槽，刻蚀深度为170nm，后通过丙酮溶液清洗去胶；
步骤④：P型埋层生长。采用MOCVD技术在样品表面生长170nm的P-GaN层，并用BOE溶液去除硬掩膜，获得平整干净的GaN表面；
步骤⑤：异质结和钝化层生长。采用MOCVD技术在样品表面生长5nm的i-GaN层，20nm的Al0.25Ga0.75N层以及50nm的氮化硅层；
步骤⑥：源、漏电极制作。通过步骤②所述的半导体光刻技术定义出源、漏电极所需区域，利用ICP刻蚀技术，采用BCl3反应气体和50W功率的低损伤刻蚀工艺，实现源、漏电极区域AlGaN势垒层刻蚀；通过电子束蒸发技术沉积Ti/Al/Ni/Au(20/100/45/55nm)复合金属结构，然后金属剥离、清洗去胶；在875℃高温和氮气环境中退火30s，使复合金属结构变为合金，形成良好的欧姆接触；
步骤⑦：栅电极制作。通过步骤②所述的半导体光刻技术定义出栅电极所需区域，栅长为1μm，栅宽为300μm，通过电子束蒸发技术沉积Ni/Au(100/50nm)复合金属结构，后金属剥离、清洗去胶，完成栅电极制作。
图13和图14为基于本实施例结构和工艺参数获得的器件性能结构，其中图13器件开关转移特性曲线，图14输出特性曲线。由图中可以看出，基于本专利申请方案的HEMT器件阈值电压约为3V，为典型的增强型HEMT器件类型，在器件结构参数和工艺条件进一步优化后，将获得更优的器件整体性能。
本发明技术方案对现有的异质结HEMT器件制作是个重要的技术补充，本发明方案可用于微波射频器件，也可用于功率开关器件制作过程。本发明所述的实施例，并非对本发明内容进行限定，其他具有2-DEG的异质结HEMT器件都适用于本发明提案涉及范围。任何其他钝化层生长(包括不同的生长技术、不同的钝化层组合或者也可直接省略钝化工艺步骤)、欧姆接触电极制作工艺(包括不同的金属选择、沉积方法、退火条件)或者台面刻蚀工艺，在基于实现本发明所述增强型器件基本功能目的下，都适用于本发明提案涉及范围。P型埋层为P-GaN，也可采用其他P型材料，或者采用氟离子、氧离子等其他类型离子注入技术形成区域埋层，任何修饰和改动，在基于实现器件栅区下方沟道载流子耗尽从而使器件达到增强型类型特点的目的下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。同样地，材料结构参数、电极的尺寸和P型埋层形状的改变，或等同替换等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有P型埋层结构的增强型HEMT器件，其特征在于，在半导体衬底上依次生长缓冲层、i-GaN漂移层、势垒层和栅极钝化层，所述i-GaN漂移层上设置有源电极和漏电极，所述栅极钝化层上设置有栅电极，所述i-GaN漂移层中内嵌P型埋层；制备步骤如下：
S1、采用金属有机物化学气相沉积、分子束外延半导体材料生长方法在衬底上依次生长AlN超晶格结构缓冲层或者AlGaN超晶格结构缓冲层、非故意掺杂的i-GaN层；
S2、采用等离子体增强化学的气相沉积法或者电子束蒸发法沉积SiO2、Si3N4或者Ni金属作为硬掩膜层，并利用半导体光刻法刻出1～3μm的掩膜开口；
S3、对P型埋层进行生长：采用离子注入法在样品表面注入Mg或Fe或Mg/Al复合杂质，然后用缓冲氢氟酸BOE溶液去除硬掩膜，获得平整的GaN表面，并采用热退火法进行杂质激活，完成P-GaN埋层制作；
S4、采用金属有机物化学气相沉积、分子束外延半导体材料生长方法在样品表面生长5～100nm的i-GaN层和10～30nm的AlGaN层，Al组分比例为0.1～0.35，形成异质结；生长10-50nm的钝化层，钝化层采用氮化硅、氧化铝、氧化镓的任意一种；
S5、采用半导体光刻方法定义出源、漏电极所需区域，通过ICP刻蚀方法，将源、漏区域表面钝化层及AlGaN层刻蚀掉，采用磁控溅射法、电子束蒸发法或者热蒸发法沉积复合金属结构，利用高温退火形成合金，制作源、漏电极欧姆接触；通过半导体光刻方法定义出栅电极区域，通过磁控溅射法、电子束蒸发法或者热蒸发法沉积栅电极金属，形成栅区金属-绝缘层-半导体结构。
2.如权利要求1所述的具有P型埋层结构的增强型HEMT器件，其特征在于，所述P型埋层设置在所述栅电极下方，所述P型埋层和所述栅电极之间的i-GaN漂移层、势垒层和栅极钝化层顺势向上凸出。
3.如权利要求1或2所述的具有P型埋层结构的增强型HEMT器件，其特征在于，所述半导体衬底为Si、蓝宝石、SiC、GaN、金刚石的任意一种。
4.如权利要求1或2所述的具有P型埋层结构的增强型HEMT器件，其特征在于，所述缓冲层由AlN超晶格结构或者AlGaN超晶格结构构成。
5.如权利要求1或2所述的具有P型埋层结构的增强型HEMT器件，其特征在于，所述i-GaN漂移层的厚度为0.5～10μm，所述势垒层是Al组分比例为0.1～0.35的AlGaN。
6.如权利要求1或2所述的具有P型埋层结构的增强型HEMT器件，其特征在于，所述P型埋层为P-GaN。
7.如权利要求1所述的具有P型埋层结构的增强型HEMT器件，其特征在于，步骤S3中对P型埋层进行生长方法步骤如下：
S3.1、利用半导体刻蚀方法制作出生长埋层所需的凹槽，通过基于Cl基气体的反应耦合等离子体半导体刻蚀法，刻蚀100～500nm深度凹槽；
S3.2、采用金属有机物化学气相沉积、分子束外延半导体材料生长方法在样品表面生长100～500nm的P型埋层，然后采用缓冲氢氟酸BOE溶液腐蚀除去硬掩膜，获得平整的GaN表面。
8.如权利要求1所述的具有P型埋层结构的增强型HEMT器件，其特征在于，采用金属有机物化学气相沉积、分子束外延半导体材料生长方法在样品表面生长100～500nm的P-GaN层，并用缓冲氢氟酸BOE溶液去除硬掩膜。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810789995.2A CN109037326B (zh) | 2018-07-18 | 2018-07-18 | 一种具有p型埋层结构的增强型hemt器件及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810789995.2A CN109037326B (zh) | 2018-07-18 | 2018-07-18 | 一种具有p型埋层结构的增强型hemt器件及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109037326A CN109037326A (zh) | 2018-12-18 |
| CN109037326B true CN109037326B (zh) | 2021-09-14 |
Family
ID=64643268
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810789995.2A Active CN109037326B (zh) | 2018-07-18 | 2018-07-18 | 一种具有p型埋层结构的增强型hemt器件及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109037326B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112018176A (zh) * | 2019-05-30 | 2020-12-01 | 苏州捷芯威半导体有限公司 | 一种半导体器件及其制造方法 |
| CN110379857B (zh) * | 2019-07-02 | 2022-01-25 | 深圳第三代半导体研究院 | 一种包含p型氧化镓薄层的开关器件及其制备方法 |
| CN110556431B (zh) * | 2019-09-29 | 2024-03-08 | 宁波铼微半导体有限公司 | 一种垂直导通氮化镓功率二极管及其制备方法 |
| CN113113469B (zh) * | 2021-03-10 | 2023-08-29 | 华南师范大学 | 一种高耐压双栅极横向hemt器件及其制备方法 |
| US20240030327A1 (en) * | 2021-08-13 | 2024-01-25 | Innoscience (Suzhou) Technology Co., Ltd. | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103715235A (zh) * | 2014-01-09 | 2014-04-09 | 苏州能屋电子科技有限公司 | 具有背面场板结构的增强型mis-hemt器件及其制备方法 |
| CN107623032A (zh) * | 2017-10-24 | 2018-01-23 | 电子科技大学 | 一种新型的GaN异质结场效应晶体管 |
| CN107887435A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-04-06 | 中国科学院半导体研究所 | 增强型GaN HEMT的制备方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9425276B2 (en) * | 2013-01-21 | 2016-08-23 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | High electron mobility transistors |
| US9443969B2 (en) * | 2013-07-23 | 2016-09-13 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Transistor having metal diffusion barrier |
-
2018
- 2018-07-18 CN CN201810789995.2A patent/CN109037326B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103715235A (zh) * | 2014-01-09 | 2014-04-09 | 苏州能屋电子科技有限公司 | 具有背面场板结构的增强型mis-hemt器件及其制备方法 |
| CN107623032A (zh) * | 2017-10-24 | 2018-01-23 | 电子科技大学 | 一种新型的GaN异质结场效应晶体管 |
| CN107887435A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-04-06 | 中国科学院半导体研究所 | 增强型GaN HEMT的制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109037326A (zh) | 2018-12-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110190116B (zh) | 一种高阈值电压常关型高电子迁移率晶体管及其制备方法 | |
| CN109037326B (zh) | 一种具有p型埋层结构的增强型hemt器件及其制备方法 | |
| CN110112215B (zh) | 兼具栅介质与刻蚀阻挡功能结构的功率器件及制备方法 | |
| CN109004017B (zh) | 具有极化结纵向泄漏电流阻挡层结构的hemt器件及其制备方法 | |
| CN113380623A (zh) | 通过p型钝化实现增强型HEMT的方法 | |
| US20120091508A1 (en) | Compound semiconductor device | |
| CN112289858A (zh) | Ⅲ族氮化物增强型hemt器件及其制备方法 | |
| CN111900203A (zh) | 一种GaN基高空穴迁移率晶体管及其制备方法 | |
| CN107958939A (zh) | 一种氮化鎵基异质结肖特基二极管结构 | |
| CN109950323B (zh) | 极化超结的ⅲ族氮化物二极管器件及其制作方法 | |
| CN111081763B (zh) | 一种场板下方具有蜂窝凹槽势垒层结构的常关型hemt器件及其制备方法 | |
| CN114899227A (zh) | 一种增强型氮化镓基晶体管及其制备方法 | |
| WO2021072812A1 (zh) | 横向GaN基增强型结型场效应管器件及其制备方法 | |
| CN115799308A (zh) | 氮化镓基高电子迁移率晶体管及生长工艺方法 | |
| CN113555429B (zh) | 高击穿电压和低导通电阻的常开hfet器件及其制备方法 | |
| CN111682064B (zh) | 高性能MIS栅增强型GaN基高电子迁移率晶体管及其制备方法 | |
| CN111739801B (zh) | 一种SOI基p-GaN增强型GaN功率开关器件的制备方法 | |
| CN111863948B (zh) | 一种带栅源桥的GaN基P-GaN增强型HEMT器件及其制备方法 | |
| CN210429824U (zh) | 一种增强型AlN/AlGaN/GaN HEMT器件 | |
| CN111509042A (zh) | 一种MIS结构GaN高电子迁移率晶体管及其制备方法 | |
| CN106449406B (zh) | 一种垂直结构GaN基增强型场效应晶体管及其制造方法 | |
| CN111739800B (zh) | 一种SOI基凹栅增强型GaN功率开关器件的制备方法 | |
| CN111211176B (zh) | 一种氮化镓基异质结集成器件结构及制造方法 | |
| CN209766426U (zh) | 一种沉积多晶AlN的常关型HEMT器件 | |
| CN112838006B (zh) | 一种氮化镓pin二极管及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |