CN109841676A - 辅助掺杂实现常关型GaN HEMT器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了辅助掺杂实现常关型GaN HEMT器件及其制备方法。该方法包括以下步骤：（1）在AlGaN势垒层上光刻栅电极接触窗口；（2）对栅电极接触窗口进行微刻蚀处理；（3）在光刻区域蒸镀金属镁；（4）剥离未曝光的光刻胶；（5）进行热掺杂处理；（6）沉积SiN钝化保护层；（7）采用光刻技术制备源漏栅电极；（8）制备欧姆接触电极、肖特基接触电极，得到GaN HEMT器件。本发明利用感应耦合等离子体刻蚀机对栅电极接触窗口区域进行微刻蚀处理辅助掺杂来实现常关型GaN HEMT器件。该制备方法有辅助掺杂效率高、器件性能稳定可重复的优点，对于实现高阈值电压大饱和电流常关型GaN HEMT器件有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种辅助掺杂实现常关型GaN HEMT器件及其制备方法。
背景技术
随着高压开关和高速射频电路的发展，增强型GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)成为该领域内的研究热点。
目前进行半导体掺杂的主要有两种标准手段。第一种是固态扩散技术，其主要利用热扩散原理，将掺杂杂质材料置于半导体的表面区域，并通过将半导体加热到高温而扩散到材料中。而第二种技术，离子注入则是将掺杂杂质电离并加上数百千电子伏特的能量，并直接将其在半导体材料中激发，使它们在被激发处成为直接掺杂的杂质。热扩散技术以及离子注入技术由于能够在所选区域中引入事先确定的杂质浓度因而制造与III-V化合物和p型GaN相关的器件因此在技术方面十分被看好。扩散掺杂是十分综合的传统工业手段。对于GaN材料来说，几乎没有掺杂成功的样品的详细资料被刊登。
在半导体掺杂工艺中，AlGaN的p型掺杂远比GaN要困难的多，随着Al组分的增加，AlGaN的P型掺杂效率急剧下降，导致器件的空穴注入低。掺杂在半导体中具有重要的地位，大多数半导体器件都需要人为的在结构材料中引入杂质，以控制器件的电学性能。和其他宽禁带半导体一样，III族氮化物也面临着掺杂不对称的问题，它的n型掺杂相对容易，而p型掺杂则十分困难。GaN的P型掺杂难题曾经一度阻碍了其材料和器件的发展。在III族氮化物研究初期，非有益掺杂GaN大都呈n型，且其本底电子浓度达1019-1020㎝-3，使得p型掺杂难以实现。为了获得高的空穴浓度，Mg杂质的溶解度理应比较高。理论上，半径相互接近的原子互相替代，形成能低，而Mg的共价半径比Ga和Al的大，替代时要克服所产生的应变能，导致形成能大。另外掺入半导体中的杂质只有被激活了产生自由载流子才会对导电有贡献。
然而随着Al组分的增加，AlGaN的p型掺杂效率越来越低，外延层的电导率极速下降，导致空穴注入效率低，成为AlGaN基紫外光电器件发展及其功率射频器件的主要障碍之一。科研工作者曾尝试过Zn、Cd、Be、C等不同杂质作为III族氮化物的p型掺杂剂。不过，截至目前为止，能够形成稳定可靠p型掺杂的仍只有Mg杂质，但是其p型电导率依然比n型低数个量级。因此，如何提高Mg在AlGaN中的掺杂效率一直是研究的难点和热点。
发明内容
为了克服现有技术上的不足与缺点，本发明的目的在于提供一种辅助镁掺杂实现常关型GaN HEMT器件及其制备方法。通过ICP对栅极区域AlGaN势垒层表面进行微刻蚀处理来产生大量的表面态及引入大量的悬挂键，有利于提高掺杂系数，增大掺杂的速率与效率，实现常关型GaN HEMT器件的制备。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明提供的一种辅助掺杂实现常关型GaN HEMT器件的制备方法，通过感应耦合等离子体刻蚀机（ICP）对栅电极接触窗口区域进行微刻蚀处理来引入大量的表面态及悬挂键等缺陷，增大镁原子在AlGaN材料中的扩散系数，提高其扩散速率及效率，有利于提高掺杂的速率与效率，有利于常关型GaN HEMT器件的制备。
本发明提供的一种辅助掺杂实现常关型的GaN HEMT器件，包括硅衬底、GaN外延层、AlGaN势垒层、P型AlGaN掺杂层、SiN钝化保护层、源电极、漏电极以及栅电极；所述GaN外延层在硅衬底上，所述AlGaN势垒层在GaN外延层上；所述P型AlGaN掺杂层为金属镁在AlGaN层的上表面向下扩散形成的；所述SiN钝化保护层沉积在P型AlGaN掺杂层上表面以及AlGaN势垒层的上表面；所述源电极和漏电极分别与AlGaN势垒层的上表面两端接触；所述栅电极与沉积在P型AlGaN掺杂层上表面的SiN钝化保护层接触。本发明利用ICP微刻蚀对AlGaN表面进行微刻蚀处理使镁原子的掺杂效率有所提高。
本发明提供的一种制备上述辅助掺杂实现常关型的GaN HEMT器件的方法，包括以下步骤：
（1）在硅基GaN外延片的AlGaN势垒层上光刻，制备出栅电极接触窗口区域，得到含栅电极接触窗口的器件；
（2）采用感应耦合等离子体刻蚀机（ICP）对步骤（1）所述栅电极接触窗口区域进行微刻蚀处理，制备出微刻蚀处理的光刻接触窗口区域，得到微刻蚀处理后的器件；
（3）在步骤（2）所述微刻蚀处理的光刻接触窗口区域蒸镀一层金属镁，得到含金属镁的器件；
（4）采用剥离工艺对步骤（3）所述含金属镁的器件上未曝光的光刻胶进行剥离处理，得到剥离处理后的器件；
（5）对步骤（4）所述剥离处理后的器件进行热掺杂处理，制备出P型AlGaN掺杂层，得到热掺杂处理后的器件；
（6）在步骤（5）所述热掺杂处理后的器件上沉积SiN钝化保护层，得到沉积后的器件；
（7）在步骤（6）所述沉积后的器件中的AlGaN势垒层上光刻，然后采用湿法腐蚀工艺、电子束蒸发工艺、剥离工艺及热退火等方法制备源电极（欧姆接触电极）、漏电极（欧姆接触电极）以及栅电极（肖特基接触电极），得到所述辅助掺杂实现常关型的GaN HEMT器件。
进一步地，步骤（1）所述硅基为硅衬底；所述GaN外延片为GaN/AlGaN外延层。
进一步地，步骤（2）所述微刻蚀为ICP微刻蚀；微刻蚀的时间为1-30 s。
进一步地，步骤（3）所述金属镁的厚度为3-100nm；步骤（3）所述蒸镀的方式包括电子束蒸发。
进一步地，步骤（5）所述热掺杂的温度为200-1000℃。所述热掺杂处理是为了金属镁通过加热扩散到其他层中形成P型AlGaN掺杂层。
进一步地，步骤（5）所述热掺杂的时间为0.5-100min。
进一步地，步骤（5）所述热掺杂的气氛包括真空气氛和氮气气氛；所述真空气氛的真空度为0-10Pa；所述氮气气氛的压强为0-1个大气压强。
进一步地，步骤（6）所述SiN钝化保护层的厚度为10-100nm。
进一步地，步骤（6）所述沉积的方式包括等离子体增强化学气相沉积。
本发明提供一种由上述的制备方法制得的辅助掺杂实现常关型GaN HEMT器件。
本发明提供的一种辅助掺杂实现常关型GaN HEMT器件的制备方法，首先通过感应耦合等离子体刻蚀机（ICP）对光刻栅极区域AlGaN势垒层表面进行微刻蚀处理，在AlGaN势垒层栅极光刻区域的表面引入大量的表面态缺陷及悬挂键，通过电子束蒸发沉积一层金属镁，在真空或者氮气气氛下热退火使AlGaN势垒层表面的金属镁在高温以及浓度梯度的作用下向AlGaN势垒层晶体结构中扩散，并在高温下镁原子置换出AlGaN中的Al原子或者Ga原子从而被激活，在扩散区域形成一层P型AlGaN掺杂层；由于该区域表面态与悬挂键的存在能够提高镁原子的置换能力，增强镁原子的扩散系数，辅助镁P型掺杂进一步提升导带起到耗尽栅电极下方2DEG的目的，从而形成增强型GaN基HEMT器件。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明利用感应耦合等离子体刻蚀机（ICP）对光刻栅极区域AlGaN势垒层表面进行微刻蚀处理，在AlGaN势垒层栅极光刻区域的表面引入大量的表面态缺陷及悬挂键，提高镁原子的置换能力，增强镁原子在AlGaN势垒层的扩散系数，辅助镁更加容易实现AlGaN势垒层的P型掺杂，达到耗尽栅电极下方的2DEG的目的，该方法具有辅助掺杂效率高、器件性能稳定可重复的优点，对于实现高阈值电压大饱和电流常关型GaN HEMT器件具有重要意义。
附图说明
图1为本发明提供的一种辅助掺杂实现常关型GaN HEMT器件的制备方法的流程图。
图2为本发明提供的所述辅助掺杂实现常关型GaN HEMT器件的结构示意图；
其中， 1为硅衬底、2为GaN外延层、3为AlGaN势垒层、4为P型AlGaN掺杂层、5为SiN钝化保护层、6为源电极7为栅电极及8为漏电极。
图3为本发明实施例1辅助掺杂后测得的器件转移特性曲线图。
图4为本发明实施例1辅助掺杂后测得的器件输出特性曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
实施例1
实施例1所述辅助掺杂实现常关型的GaN HEMT器件制备流程可参照图1。
（1）在硅基GaN外延片的AlGaN势垒层上光刻，制备出栅电极接触窗口区域，得到含栅电极接触窗口的器件；
（2）采用感应耦合等离子体刻蚀机（ICP）对步骤（1）所述栅电极接触窗口区域进行微刻蚀处理1 s，制备出微刻蚀处理的光刻区域，得到微刻蚀处理后的器件；
（3）在步骤（2）所述微刻蚀处理的光刻区域蒸镀一层金属镁，所述金属镁的厚度为100nm，得到含金属镁的器件；
（4）对步骤（3）所述含金属镁的器件上未曝光的光刻胶进行剥离处理，得到剥离处理后的器件；
（5）对步骤（4）所述剥离处理后的器件进行热掺杂处理，所述热掺杂的温度为200 ℃，时间为100 min，得到热掺杂处理后的器件；
（6）在步骤（5）所述热掺杂处理后的器件上沉积一层SiN钝化保护层，所述SiN钝化保护层的厚度为10 nm，得到沉积后的器件；
（7）在AlGaN势垒层上方光刻，然后采用湿法腐蚀工艺、电子束蒸发和剥离工艺及热退火的方法制备源电极（欧姆接触电极）、漏电极（欧姆接触电极）以及栅电极（肖特基接触电极），得到所述辅助掺杂实现常关型的GaN HEMT器件。
实施例1得到的一种辅助掺杂制备常关型GaN HEMT器件的结构，如图2所示。实施例1制得的一种辅助掺杂实现常关型的GaN HEMT器件，包括硅衬底、GaN外延层、AlGaN势垒层、P型AlGaN掺杂层、SiN钝化保护层、源电极、漏电极以及栅电极；所述GaN外延层在硅衬底上，所述AlGaN势垒层在GaN外延层上；所述P型AlGaN掺杂层为金属镁在AlGaN层的上表面向下扩散形成的；所述SiN钝化保护层沉积在P型AlGaN掺杂层上表面以及AlGaN势垒层的上表面；所述源电极和漏电极分别与AlGaN势垒层的上表面两端接触；所述栅电极与沉积在P型AlGaN掺杂层上表面的SiN钝化保护层接触。
图3为实施例1辅助掺杂后测得的器件转移特性曲线，由曲线可得器件的阈值电压为0.8 V，最大跨导为4.3 mS（图3中从上到下的三个箭头，其中，最上方的箭头表示的是跨导，中间箭头表示的是源漏电流，最底下的斜下箭头表示的是阈值电压）。
图4为实施例1辅助掺杂后测得的器件输出特性曲线，由曲线可得器件在栅极电压为4 V时，饱和电流为9.5 mA。
实施例2
实施例2所述辅助掺杂实现常关型的GaN HEMT器件制备流程可参照图1。
（1）在硅基GaN外延片的AlGaN势垒层上光刻，制备出栅电极接触窗口区域，得到含栅电极接触窗口的器件；
（2）采用感应耦合等离子体刻蚀机（ICP）对步骤（1）所述栅电极接触窗口区域进行微刻蚀处理15s，制备出微刻蚀处理的光刻区域，得到微刻蚀处理的器件；
（3）在步骤（2）所述微刻蚀处理的光刻区域蒸镀一层金属镁，所述金属镁的厚度为50nm，得到含金属镁的器件；
（4）对步骤（3）所述含金属镁的器件上未曝光的光刻胶进行剥离处理，得到剥离处理后的器件；
（5）对步骤（4）所述剥离处理后的器件进行热掺杂处理，所述热掺杂的温度为600 ℃，时间为50 min，得到热掺杂处理后的器件；
（6）在步骤（5）所述热掺杂处理后的器件上沉积一层SiN钝化保护层，所述SiN钝化保护层的厚度为50 nm，得到沉积后的器件；
（7）在AlGaN势垒层上方光刻，然后采用湿法腐蚀工艺、电子束蒸发和剥离工艺及热退火的方法制备源电极（欧姆接触电极）、漏电极（欧姆接触电极）以及栅电极（肖特基接触电极），得到所述辅助掺杂实现常关型的GaN HEMT器件。
实施例2得到的一种辅助掺杂制备常关型GaN HEMT器件的结构，参照图2所示。实施例2制得的一种辅助掺杂实现常关型的GaN HEMT器件，包括硅衬底、GaN外延层、AlGaN势垒层、P型AlGaN掺杂层、SiN钝化保护层、源电极、漏电极以及栅电极；所述GaN外延层在硅衬底上，所述AlGaN势垒层在GaN外延层上；所述P型AlGaN掺杂层为金属镁在AlGaN层的上表面向下扩散形成的；所述SiN钝化保护层沉积在P型AlGaN掺杂层上表面以及AlGaN势垒层的上表面；所述源电极和漏电极分别与AlGaN势垒层的上表面两端接触；所述栅电极与沉积在P型AlGaN掺杂层上表面的SiN钝化保护层接触。
实施例2制备得到的一种辅助掺杂制备常关型GaN HEMT器件的转移和输出特性结果与实施例1类似，证明依照该实施例所制得的器件性能稳定，可参照图3与图4。
实施例3
实施例3所述辅助掺杂实现常关型的GaN HEMT器件制备流程可参照图1。
（1）在硅基GaN外延片的AlGaN势垒层上光刻，制备出栅电极接触窗口区域，得到含栅电极接触窗口的器件；
（2）采用感应耦合等离子体刻蚀机（ICP）对步骤（1）所述栅电极接触窗口区域进行微刻蚀处理30 s，制备出微刻蚀处理的光刻区域，得到微刻蚀处理的器件；
（3）在步骤（2）所述微刻蚀处理的光刻区域蒸镀一层金属镁，所述金属镁的厚度为3nm，得到含金属镁的器件；
（4）对步骤（3）所述含金属镁的器件上未曝光的光刻胶进行剥离处理，得到剥离处理后的器件；
（5）对步骤（4）所述剥离处理后的器件进行热掺杂处理，所述热掺杂的温度为1000 ℃，时间为0.5 min，得到热掺杂处理后的器件；
（6）在步骤（5）所述热掺杂处理后的器件上沉积一层SiN钝化保护层，所述SiN钝化保护层的厚度为100nm，得到沉积后的器件；
（7）在AlGaN势垒层上方光刻，然后采用湿法腐蚀工艺、电子束蒸发和剥离工艺及热退火的方法制备源电极（欧姆接触电极）、漏电极（欧姆接触电极）以及栅电极（肖特基接触电极），得到所述辅助掺杂实现常关型的GaN HEMT器件。
实施例3得到的一种辅助掺杂制备常关型GaN HEMT器件的结构，参照图2所示。实施例3制得的一种辅助掺杂实现常关型的GaN HEMT器件，包括硅衬底、GaN外延层、AlGaN势垒层、P型AlGaN掺杂层、SiN钝化保护层、源电极、漏电极以及栅电极；所述GaN外延层在硅衬底上，所述AlGaN势垒层在GaN外延层上；所述P型AlGaN掺杂层为金属镁在AlGaN层的上表面向下扩散形成的；所述SiN钝化保护层沉积在P型AlGaN掺杂层上表面以及AlGaN势垒层的上表面；所述源电极和漏电极分别与AlGaN势垒层的上表面两端接触；所述栅电极与沉积在P型AlGaN掺杂层上表面的SiN钝化保护层接触。
实施例3制备得到的一种辅助掺杂制备常关型GaN HEMT器件的转移和输出特性结果与实施例1类似，证明依照该实施例所制得的器件性能稳定，可参照图3与图4。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种辅助掺杂实现常关型的GaN HEMT器件，其特征在于，包括硅衬底、GaN外延层、AlGaN势垒层、P型AlGaN掺杂层、SiN钝化保护层、源电极、漏电极以及栅电极；所述GaN外延层在硅衬底上，所述AlGaN势垒层在GaN外延层上；所述P型AlGaN掺杂层为金属镁在AlGaN层的上表面向下扩散形成的；所述SiN钝化保护层沉积在P型AlGaN掺杂层上表面以及AlGaN势垒层的上表面；所述源电极和漏电极分别与AlGaN势垒层的上表面两端接触；所述栅电极与沉积在P型AlGaN掺杂层上表面的SiN钝化保护层接触。
2.一种制备权利要求1所述辅助掺杂实现常关型的GaN HEMT器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在硅基GaN外延片的AlGaN势垒层上光刻，制备出栅电极接触窗口区域，得到含栅电极接触窗口的器件；
（2）对步骤（1）所述栅电极接触窗口区域进行微刻蚀处理，制备出微刻蚀处理的光刻接触窗口区域，得到微刻蚀处理的器件；
（3）在步骤（2）所述微刻蚀处理的光刻接触窗口区域蒸镀金属镁，得到含金属镁的器件；
（4）对步骤（3）所述含金属镁的器件上未曝光的光刻胶进行剥离处理，得到剥离处理后的器件；
（5）对步骤（4）所述剥离处理后的器件进行热掺杂处理，制备出P型AlGaN掺杂层，得到热掺杂处理后的器件；
（6）在步骤（5）所述热掺杂处理后的器件上沉积SiN钝化保护层，得到沉积后的器件；
（7）在步骤（6）所述沉积后的器件中的AlGaN势垒层上光刻，然后制备源电极、漏电极以及栅电极，得到所述辅助掺杂实现常关型的GaN HEMT器件。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述硅基为硅衬底；所述GaN外延片为GaN/AlGaN外延层。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述微刻蚀为ICP微刻蚀；微刻蚀的时间为1-30 s。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述金属镁的厚度为3-100nm；所述蒸镀的方式包括电子束蒸发。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述热掺杂的温度为200-1000℃。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述热掺杂的时间为0.5-100min。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述热掺杂的气氛包括真空气氛和氮气气氛；所述真空气氛的真空度为0-10Pa；所述氮气气氛的压强为0-1个大气压强。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（6）所述SiN钝化保护层的厚度为10-100nm。
10.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（6）所述沉积的方式包括等离子体增强化学气相沉积。
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