CN112510087A - p型栅增强型GaN基HEMT器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种p型栅增强型GaN基HEMT器件及其制备方法，其中，HEMT器件从下至上依次包括衬底层、缓冲层、耐压层、沟道层及势垒层，还包括形成于势垒层表面的源极和漏极，及形成于势垒层表面的P型GaN/InGaN超晶格层和栅极，其中，P型GaN/InGaN超晶格层中，P型GaN层掺Mg，空穴浓度为5E17‑5E18；InGaN层不掺Mg。其使用p型GaN/InGaN超晶格结构代替传统的p型GaN层，通过GaN/InGaN超晶格的极化电场增加Mg的离化效率，从而降低p型栅中的掺Mg浓度，提高p型栅材料的质量。同时，低浓度掺Mg也减少了Mg向势垒和沟道层中的扩散。

Description

p型栅增强型GaN基HEMT器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种p型栅增强型GaN基HEMT器件及其制备方法。
背景技术
基于pGaN栅结构的GaN基增强型HEMT有驱动设计简单、失效保护、高频性能突出、与器件一致性较好等特点，已经成为GaN基HEMT器件的主流设计。但是，在pGaN栅HEMT结构中，栅极上的pGaN通常在50nm厚度左右。GaN中Mg杂质的激活能高达120meV-250meV之间(基于不同测试方法)，且在GaN生长中Mg和H(氢原子)容易形成Mg-H络合物使得Mg的离化更加困难，导致pGaN中Mg的有效活化率只有实际掺Mg浓度的1％-2％。
为了有效耗尽HEMT异质结沟道二维电子气，pGaN中实际掺Mg浓度一般要求高于5E18cm-3，且栅下AlGaN势垒层厚度需要从通常的25nm左右减薄至10nm-15nm。在GaN中高浓度的Mg原子掺杂可能会导致出现反相畴、点缺陷、表面Mg突起等问题。根据Stockman和Posthuma等人的研究(On the origin of the leakage current in p-gate AlGaN/GaNHEMTs,Arno Stockman et al.,2018IEEE IRPS Conference；Impact of Mg out-diffusion and activation on the p-GaN gate HEMT device performance,N.E.Posthuma et al.,2016 28th ISPSD conference)，pGaN高浓度的Mg会向AlGaN势垒层和GaN沟道层扩散，形成载流子陷阱和漏电通道，劣化HEMT器件性能和可靠性。
发明内容
为了克服以上不足，本发明提供了一种p型栅增强型GaN基HEMT器件及其制备方法，有效解决现有HEMT器件中由pGaN高浓度的Mg向AlGaN势垒层和GaN沟道层扩散导致劣化器件性能和可靠性的技术问题。
本发明提供的技术方案为：
一种p型栅增强型GaN基HEMT器件，所述HEMT器件从下至上依次包括衬底层、缓冲层、耐压层、沟道层及势垒层，还包括形成于势垒层表面的源极和漏极，及形成于势垒层表面的P型GaN/InGaN超晶格层和栅极，其中，所述P型GaN/InGaN超晶格层中，P型GaN层掺Mg，空穴浓度为5E17-5E18；InGaN层不掺Mg。
一种p型栅增强型GaN基HEMT器件制备方法，包括：
依次在衬底层表面生长缓冲层、耐压层、沟道层及势垒层；
在所述势垒层表面生长P型GaN/InGaN超晶格层；所述P型GaN/InGaN超晶格层中，P型GaN层掺Mg，空穴浓度为5E17-5E18；InGaN层不掺Mg；
对所述P型GaN/InGaN超晶格层进行光刻，保留栅极区域；
分别在势垒层表面形成源极和漏极，在P型GaN/InGaN超晶格层表面形成栅极，完成HEMT器件的制备。
本发明提供的p型栅增强型GaN基HEMT器件及其制备方法，至少能够带来以下有益效果：
1.使用p型GaN/InGaN超晶格结构代替传统的p型GaN层，通过GaN/InGaN超晶格的极化电场增加Mg的离化效率，从而降低p型栅中的掺Mg浓度，提高p型栅材料的质量。同时，低浓度掺Mg也减少了Mg向势垒和沟道层中的扩散。
2.在势垒层和p型GaN/InGaN超晶格层之间插入1-2nm厚度的薄层uid-AlN层，进一步阻止Mg向势垒层和沟道层中的扩散，减少形成载流子陷阱和漏电通道，提升HEMT器件的性能和可靠性。
附图说明
图1为本发明p型栅增强型GaN基HEMT器件一实施例结构示意图；
图2为本发明p型栅增强型GaN基HEMT器件另一实施例结构示意图。
附图标记：
101/201-衬底层，102/202-缓冲层，103/203-耐压层，104/204-沟道层，105/205-势垒层，106/207-P型GaN/InGaN超晶格层，206-AlN层。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施案例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
本发明的一种实施例，如图1所示，一种p型栅增强型GaN基HEMT器件，从图中可以看出，该HEMT器件从下至上依次包括衬底层、缓冲层、耐压层、沟道层及势垒层，还包括形成于势垒层表面的源极S和漏极D，及形成于势垒层表面的P型GaN/InGaN超晶格层和栅极G，其中，P型GaN/InGaN超晶格层中，P型GaN层掺Mg，空穴浓度为5E17-5E18；InGaN层不掺Mg。
在该HEMT器件器件中，衬底层可以为硅衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底等半导体常用衬底。缓冲层中包括GaN、AlN、AlN/AlGaN等结构，以释放应力并过渡到之后的耐压层。耐压层为掺碳(包括内掺和外掺)或掺铁的GaN层，厚度为1000～10000nm。沟道层为非故意掺杂高质量GaN层(uid-GaN层)，厚度为100～1000nm。势垒层为AlxGa1-xN层，0.1<x<0.4，且厚度为10～30nm。P型GaN/InGaN超晶格层的厚度为10～100nm，其中，P型GaN层的厚度为0.1～10nm，InGaN层的厚度为0.1～10nm。
在生长过程中，首先依次在衬底层表面生长缓冲层、耐压层、沟道层及势垒层；之后，在势垒层表面生长P型GaN/InGaN超晶格层；接着，对P型GaN/InGaN超晶格层进行光刻，保留栅极区域；最后，分别在势垒层表面形成源极和漏极，在P型GaN/InGaN超晶格层表面形成栅极，完成HEMT器件的制备。应当清楚，本实施例中对各层结构的生长条件和方法不做具体限定，在实际应用中可以采用任意的符合外延生长的环境和条件加以实现，只要能够得到满足上述条件的结构即可。
在该实施例中，在PGaN栅结构中，使用p型GaN/InGaN超晶格结构代替传统的p型GaN层，通过GaN/InGaN超晶格的极化电场增加Mg的离化效率，从而降低p型栅中的掺Mg浓度，提高p型栅材料的质量，同时减少了Mg向势垒和沟道层中的扩散。解决传统PGaN栅结构中pGaN高掺Mg导致pGaN层材料缺陷增加和表面劣化、增加栅漏电风险、加剧阈值电压偏移，及高掺Mg导致Mg杂质向势垒层和沟道层中扩散，导致劣化HEMT器件性能和可靠性等技术问题。
在另一实施例中，如图2所示，该HEMT器件中包括从下至上依次包括衬底层、缓冲层、耐压层、沟道层及势垒层，还包括形成于势垒层表面的源极S和漏极D，及形成于势垒层表面的AlN层、P型GaN/InGaN超晶格层和栅极G，其中，P型GaN/InGaN超晶格层中，P型GaN层掺Mg，空穴浓度为5E17-5E18；InGaN层不掺Mg；AlN层的厚度为1-2nm。
在该HEMT器件器件中，衬底层可以为硅衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底等半导体常用衬底。缓冲层中包括GaN、AlN、AlN/AlGaN等结构，以释放应力并过渡到之后的耐压层。耐压层为掺碳(包括内掺和外掺)或掺铁的GaN层，厚度为1000～10000nm。沟道层为非故意掺杂高质量GaN层(uid-GaN层)，厚度为100～1000nm。势垒层为AlxGa1-xN层，0.1<x<0.4，且厚度为10～30nm。P型GaN/InGaN超晶格层的厚度为10～100nm，其中，P型GaN层的厚度为0.1～10nm，InGaN层的厚度为0.1～10nm。
在生长过程中，首先依次在衬底层表面生长缓冲层、耐压层、沟道层及势垒层；之后，在势垒层表面生长AlN层，在AlN层表面生长P型GaN/InGaN超晶格层；接着，对AlN层和P型GaN/InGaN超晶格层进行光刻，保留栅极区域；最后，分别在势垒层表面形成源极和漏极，在P型GaN/InGaN超晶格层表面形成栅极，完成HEMT器件的制备。应当清楚，本实施例中对各层结构的生长条件和方法不做具体限定，在实际应用中可以采用任意的符合外延生长的环境和条件加以实现，只要能够得到满足上述条件的结构即可。
在该实施例中，在PGaN栅结构中，使用p型GaN/InGaN超晶格结构代替传统的p型GaN层的同时，在势垒层和p型GaN/InGaN超晶格层之间插入1-2nm厚度的薄层uid-AlN层，进一步阻止Mg向势垒层和沟道层中的扩散，减少形成载流子陷阱和漏电通道，提升HEMT器件的性能和可靠性。
实施例一
通过以下步骤制备如图1所示的p型栅增强型GaN基HEMT器件：
首先，将SiC衬底101放入MOCVD反应室中；之后，在70torr压力、1000℃的温度下生长一层200nm的AlN缓冲层102；改变至75torr压力、1000℃的高阻GaN生长条件，生长3000nm的内掺碳高阻氮化镓耐压薄膜层103；再次改变生长条件至200torr压力、1050℃的GaN生长条件，生长300nm UGaN沟道层104；进一步改变条件至100torr压力、1030℃的AlGaN生长条件，生长15nm的25％Al组分的AlGaN势垒层105；之后，在AlGaN势垒层105上生长p型GaN/InGaN超晶格层106，周期数为15loop，每个周期内p型GaN层和InGaN层的厚度都为2nm，且p型GaN层的空穴浓度为2E18，生长条件为200torr GaN生长气流，温度950℃。最后，通过光刻显影的方法形成源极S、漏极D及栅极G。
实施例二
通过以下步骤制备如图2所示的p型栅增强型GaN基HEMT器件：
首先，将(111)晶向的硅衬底201放入MOCVD反应室中，在70torr压力、1050℃的温度条件下高温H2处理，去除表面氧化物；然后，在70torr压力、1000℃的温度下生长一层1000nm的AlN/AlGaN多层缓冲层202，其中，AlN层的厚度为300nm，AlGaN层的厚度为700nm；改变气氛至70torr压力、1000℃的GaN生长条件，生长3000nm的内掺碳高阻氮化镓耐压薄膜层203；再次改变生长条件至200torr压力、1050℃的GaN生长条件，生长300nm UGaN沟道层204；改变条件至100torr压力、1030℃的AlGaN生长条件，生长15nm的25％Al组分AlGaN势垒层205；进一步改变条件生长至70torr压力、1000℃的温度下生长2nm的AlN层206；之后在AlN层206上面生长p型GaN/InGaN超晶格207，周期数为7loop，每个周期内p型GaN和InGaN都为5nm，且p型GaN的空穴浓度为2E18，生长条件为200torr GaN生长气流，温度950℃。最后，通过光刻显影的方法形成源极S、漏极D，栅极G。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种p型栅增强型GaN基HEMT器件，其特征在于，所述HEMT器件从下至上依次包括衬底层、缓冲层、耐压层、沟道层及势垒层，还包括形成于势垒层表面的源极和漏极，及形成于势垒层表面的P型GaN/InGaN超晶格层和栅极，其中，所述P型GaN/InGaN超晶格层中，P型GaN层掺Mg，空穴浓度为5E17-5E18；InGaN层不掺Mg。
2.如权利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述势垒层和P型GaN/InGaN超晶格层之间还包括厚度为1-2nm的AlN层。
3.如权利要求1或2所述的HEMT器件，其特征在于，所述P型GaN/InGaN超晶格层的厚度为10～100nm，其中，P型GaN层的厚度为0.1～10nm，InGaN层的厚度为0.1～10nm。
4.如权利要求1或2所述的HEMT器件，其特征在于，
所述耐压层为掺碳或掺铁的GaN层，厚度为1000～10000nm；和/或，
所述沟道层为非故意掺杂GaN层，厚度为100～1000nm；和/或，
所述势垒层为AlxGa1-xN层，0.1<x<0.4，且厚度为10～30nm。
5.一种p型栅增强型GaN基HEMT器件制备方法，其特征在于，包括：
依次在衬底层表面生长缓冲层、耐压层、沟道层及势垒层；
在所述势垒层表面生长P型GaN/InGaN超晶格层；所述P型GaN/InGaN超晶格层中，P型GaN层掺Mg，空穴浓度为5E17-5E18；InGaN层不掺Mg；
对所述P型GaN/InGaN超晶格层进行光刻，保留栅极区域；
分别在势垒层表面形成源极和漏极，在P型GaN/InGaN超晶格层表面形成栅极，完成HEMT器件的制备。
6.如权利要求5所述的HEMT器件制备方法，其特征在于，在依次在衬底层表面生长缓冲层、耐压层、沟道层及势垒层之后，还包括：
在所述势垒层表面生长AlN层；
在所述势垒层表面生长P型GaN/InGaN超晶格层中，包括：在所述AlN层表面生长P型GaN/InGaN超晶格层；
对所述P型GaN/InGaN超晶格层进行光刻，保留栅极区域中，包括：对所述AlN层和P型GaN/InGaN超晶格层进行光刻，保留栅极区域。
7.如权利要求5或6所述的HEMT器件制备方法，其特征在于，在所述AlN层表面生长P型GaN/InGaN超晶格层中，包括：在所述AlN层表面循环生长预设周期数量的P型GaN层和InGaN层，其中，P型GaN层掺Mg，厚度为0.1～10nm，空穴浓度为5E17-5E18；InGaN层不掺Mg，厚度为0.1～10nm。
8.如权利要求7所述的HEMT器件制备方法，其特征在于，所述P型GaN/InGaN超晶格层的厚度为10～100nm。
9.如权利要求6-8任意一项所述的HEMT器件制备方法，其特征在于，所述AlN层的厚度为1-2nm。
10.如权利要求6-8任意一项所述的HEMT器件制备方法，其特征在于，
所述耐压层为掺碳或掺铁的GaN层，厚度为1000～10000nm；和/或，
所述沟道层为非故意掺杂GaN层，厚度为100～1000nm；和/或，
所述势垒层为AlxGa1-xN层，0.1<x<0.4，且厚度为10～30nm。
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