CN114582972B - 一种gaafet器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种GAAFET器件及其制备方法，本发明的GAAFET器件在现有的增强型和耗尽型GaN HEMT的结构上采用金刚石隔离且与衬底下面金刚石相连，其优势是：由于现有的增强型和耗尽型GaN HEMT集成散热晶体管导通时，两个MOS管之间采用金刚石接触，且金刚石从衬底下直到顶层电极，与传统增强型和耗尽型GaN HEMT的结构相比，更有效地散热，更长时间的正常工作，更高的输出电流密度。由于器件两侧采用离子注入，与采用刻蚀工艺结构相比，应力损伤小，形成的器件缺陷小，电学性能更好且更稳定。本发明的GAAFET器件的制备方法在提升了器件性能，提升了器件集成度，降低能耗的同时采用的都是没有任何门槛的技术手段，因此适合大规模推广和应用。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术中的器件制造领域，具体的涉及一种GAAFET器件及其制备方法。
背景技术
GaN基材料具有禁带宽度大、击穿场强高、极化系数高、电子迁移率和电子饱和漂移速度高等一系列材料性能优势,是制备新一代高性能电力电子器件的优选材料,具有重要的应用前景。GaN 基材料对于光电子器件和微电子器件都有着极大的吸引力。GaN 基材料具有禁带宽、击穿电压高、电子饱和漂移速度高以及热稳定性好等特点, 而且同AlGaN合金材料能构成理想的异质结, 其异质界面上大的导带偏移以及GaN基材料自身高的压电极化和自发极化强度可产生高密度的二维电子气，电子气密度比AlGaAs/GaAs异质结高约一个数量级，因而适于制作高温、高频、大功率电子器件。
近年来宽禁带GaN（GaN）以其优越的材料性能，已成为功率和射频器件应用领域的著名半导体。具有三维结构的增强型和耗尽型GaN HEMT晶体管，具有优异性能和集成度，引起了人们高度重视并应用广泛。现有的增强型和耗尽型GaN HEMT晶体管有突出的特点：（1）实现了在同一衬底上集成两个MOS管。（2）单一电源，易于设计，可以大幅简化电路。
现有的增强型和耗尽型GaN HEMT晶体管同样存在明显的缺陷：而GaN沟道不能有效进行散热，造成沟道内部温度升高，导致电流密度极高，导致器件性能变差（自热效应）。
产生了很高的热量，而GaN沟道不能有效进行散热，造成沟道内部温度升高，导致器件性能变差（自热效应）。因此合理的设计一种GAAFET器件以及配套的可实施的制备方法来克服现有技术的不足是十分有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种GAAFET器件，以解决现有的GAAFET器件体散热不足，输出电流密度不够的技术问题。
本发明另一目的是提供一种GAAFET器件的制备方法，以补充一种GAAFET器件的制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明的一方面，提供了一种GAAFET器件，包括：
金刚石散热层；
金刚石隔离层，所述金刚石隔离层设置于所述金刚石散热层一表面；
衬底层，所述衬底层设置于所述金刚石散热层的金刚石隔离层同侧表面，并被所述金刚石隔离层分隔成紧贴所述金刚石隔离层侧面的两部分；
AlN缓冲层，所述AlN缓冲层设置于所述衬底层背离所述金刚石散热层表面，并被所述金刚石隔离层分隔成紧贴所述金刚石隔离层侧面的两部分；
GaN缓冲层，所述GaN缓冲层设置于所述AlN缓冲层背离所述金刚石散热层表面，并被所述金刚石隔离层分隔成紧贴所述金刚石隔离层侧面的两部分；
AlN插入层，所述AlN插入层设置于所述GaN缓冲层背离所述金刚石散热层表面，并被所述金刚石隔离层分隔成紧贴所述金刚石隔离层侧面的两部分；
AlGaN势垒层，所述AlGaN势垒层设置于所述AlN插入层背离所述金刚石散热层表面，并被所述金刚石隔离层分隔成紧贴所述金刚石隔离层侧面的两部分；
N+GaN帽层，所述N+GaN帽层设置于所述AlGaN势垒层背离所述金刚石散热层表面，并被所述金刚石隔离层分隔成紧贴所述金刚石隔离层侧面的两部分，所述N+GaN帽层其中一部分被一嵌入所述AlGaN势垒层的凹槽分割成彼此间隔的两部分；
离子注入区，所述离子注入区嵌入设置于所述GaN缓冲层背离所述金刚石散热层表面，并被所述GaN缓冲层部分侧面，AlN插入层侧面，AlGaN势垒层侧面，N+GaN帽层侧面共同形成的背离所述金刚石隔离层的共侧面分割成紧贴所述共侧面的两部分；
第一电极，第二电极，第三电极，所述第一电极和第二电极分别设置于所述N+GaN帽层彼此间隔的两部分背离所述金刚石散热层表面，所述第三电极设置于所述N+GaN帽层与所述金刚石隔离层背离所述金刚石散热层表面形成的平面，且所述第一电极，第二电极，第三电极彼此间隔设置；
栅介质层，所述栅介质层包覆于所述离子注入层，N+GaN帽层，金刚石隔离层，凹槽，第一电极，第二电极，第三电极形成的表面；
第一栅电极，第二栅电极，所述第一栅电极填充于所述凹槽并突出于所述N+GaN帽层表面，所述第二栅电极设置于所述N+GaN帽层未设置凹槽部分表面，且所述第二栅电极与所述第三电极通过金属丝连接。
优选地，所述衬底的材料为SiC或GaN中的至少一种。
优选地，所述GaN缓冲层可替换为C。
优选地，所述第一电极、第二电极、第三电极的材料为Cr、Ti和Al中的任意一种。
优选地，所述栅介质层的材料为Al2O3，HfO2中的任意一种。
优选地，所述衬底层的厚度1nm；
所述AlN缓冲层，厚度为4μm：
所述GaN缓冲层的厚度为150nm；
所述AlN插入层的厚度为1nm；
所述AlGaN势垒层的厚度为0.3μm；
所述N+GaN帽层厚度为2nm；
所述金刚石隔离层厚度为15um；
所述金刚石散热层厚度为20um；
所述栅介质层厚度为25nm。
本发明另一方面提供了一种GAAFET器件的制备方法，包括如下步骤：
在所述衬底层一表面生长金刚石散热层；
在所述衬底层背离所述金刚石散热层表面依次生长AlN缓冲层，GaN缓冲层，AlN插入层， AlGaN势垒层，N+GaN帽层；
在所述衬底层，AlN缓冲层，GaN缓冲层，AlN插入层， AlGaN势垒层，N+GaN帽层中间刻蚀一个凹槽，并在所述凹槽中填充金刚石隔离层；
刻蚀所述GaN缓冲层一部分，AlN插入层，AlGaN势垒层，N+GaN帽层的背离所述金刚石隔离层的两侧面形成离子注入区；
从N+GaN帽层的彼此分隔的一部分表面开始往下刻蚀至所述AlGaN势垒层部分深度形成凹槽；
在所述N+GaN帽层背离所述金刚石散热层表面与所述金刚石隔离层背离所述金刚石散热层表面形成平面生长金属层，并剥离形成第一电极，第二电极和第三电极；
在器件背离所述金刚石散热层表面生长栅介质层；
在所述栅介质层背离所述金刚石散热层表面生长金属层，并剥离形成第一栅电极，第二栅电极。
优选地，所述AlN缓冲层，AlN插入层，AlGaN势垒层的制备方法为机化学气相沉积(MOCVD)法中的任意一种。
优选地，所述电极的制备方法为热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发中的任意一种。
优选地，所述GaN缓冲层，N+GaN帽层的制备方法为氢化物气相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)或金属有机化合物化学气相沉淀 法(MOCVD)中的任意一种。
与现有技术相比，本发明的GAAFET器件在现有的增强型和耗尽型GaN HEMT的结构上采用金刚石隔离且与衬底下面金刚石相连，其优势是：由于现有的增强型和耗尽型GaNHEMT集成散热晶体管导通时，两个MOS管之间采用金刚石接触，且金刚石从衬底下直到顶层电极，与传统增强型和耗尽型GaN HEMT的结构相比，更有效地散热，更长时间的正常工作，更高的输出电流密度。由于器件两侧采用离子注入，与采用刻蚀工艺结构相比，应力损伤小，形成的器件缺陷小，电学性能更好且更稳定。
本发明的GAAFET器件的制备方法在提升了器件性能，提升了器件集成度，降低能耗的同时采用的都是没有任何门槛的技术手段，因此适合大规模推广和应用。
附图说明
图1为本发明实施例所述GAAFET器件的结构示意图
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，对下文名词作出如下说明。
MOCVD法：MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V主族、Ⅱ-Ⅵ副族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。
本发明的一方面，提供了一种GAAFET器件，包括：
金刚石散热层21；在一优选实施例中，所述金刚石散热层21厚度为20um。
金刚石隔离层19，所述金刚石隔离层19设置于所述金刚石散热层21一表面；在一优选实施例中，所述金刚石隔离层19厚度为15um。
衬底层9，所述衬底层设置于所述金刚石散热层21的金刚石隔离层19同侧表面，并被所述金刚石隔离层19分隔成紧贴所述金刚石隔离层19侧面的两部分；在一优选实施例中，所述衬底层9的材料为GaN或SiC中的至少一种。在一优选实施例中，所述衬底层9的厚度1nm；在一优选实施例中，所述衬底层9使用硅作为掺杂剂，掺杂浓度为8×1018cm-3。
AlN缓冲层8，所述AlN缓冲层8设置于所述衬底层9背离所述金刚石散热层21表面，并被所述金刚石隔离层19分隔成紧贴所述金刚石隔离层19侧面的两部分；在一优选实施例中，所述GaN缓冲层8的材料可替换为C。在一优选实施例中，所述AlN缓冲层8厚度为4μm；在一优选实施例中，所述AlN缓冲层8使用Fe作为掺杂剂，掺杂浓度为2×1018cm-3。
GaN缓冲层7，所述GaN缓冲层7设置于所述AlN缓冲层8背离所述金刚石散热层21表面，并被所述金刚石隔离层19分隔成紧贴所述金刚石隔离层19侧面的两部分；在一优选实施例中，GaN缓冲层7厚度为150nm；在一优选实施例中，GaN缓冲层7使用He作为掺杂剂，掺杂浓度为1018cm-3
AlN插入层5，所述AlN插入层5设置于所述GaN7缓冲层背离所述金刚石散热层21表面，并被所述金刚石隔离层19分隔成紧贴所述金刚石隔离层19侧面的两部分；在一优选实施例中，所述AlN插入层5厚度为1nm；在一优选实施例中，所述AlN插入层5使用硅作为掺杂剂，掺杂浓度为1×1015cm-3
AlGaN势垒层4，所述AlGaN势垒层4设置于所述AlN插入层5背离所述金刚石散热层21表面，并被所述金刚石隔离层19分隔成紧贴所述金刚石隔离层19侧面的两部分；在一优选实施例中，所述lGaN势垒层4厚度为21.5nm；在一优选实施例中，所述AlGaN势垒层4使用硅作为掺杂剂，掺杂浓度为3×1015cm-3
N+GaN帽层3，所述N+GaN帽层3设置于所述AlGaN势垒层4背离所述金刚石散热层21表面，并被所述金刚石隔离层19分隔成紧贴所述金刚石隔离层19侧面的两部分，所述N+GaN帽层3其中一部分被一嵌入所述AlGaN势垒层4的凹槽分割成彼此间隔的两部分；在一优选实施例中，所述N+GaN帽层3厚度为2nm；在一优选实施例中，所述N+GaN帽层3使用硅作为掺杂剂，掺杂浓度为2×1018cm-3
离子注入区6和16，所述离子注入区6和16嵌入设置于所述GaN缓冲层7背离所述金刚石散热层21表面，并被所述GaN缓冲层7部分侧面，AlN插入层5侧面，AlGaN势垒层4侧面，N+GaN帽层3侧面共同形成的背离所述金刚石隔离层19的共侧面分割成紧贴所述共侧面的两部分；所述离子注入区6和16长度为0.01μm；所述离子注入区6和16的注入离子为H、He、N、F、Mg、Ar、Zn、Si或O，掺杂浓度为2×1016cm-3。
第一电极2，第二电极12，第三电极10，所述第一电极2和第二电极12分别设置于所述N+GaN帽层3彼此间隔的两部分背离所述金刚石散热层21表面，所述第三电极10设置于所述N+GaN帽层3与所述金刚石隔离层19背离所述金刚石散热层21表面形成的平面，且所述第一电极2，第二电极12，第三电极10彼此间隔设置；在一优选实施例中，所述第一电极2、第二电极12、第三电极10的材料为Cr、Ti和Al中的任意一种。
栅介质层20，所述栅介质层20包覆于所述离子注入区6和16，N+GaN帽层3，金刚石隔离层19，凹槽，第一电极2，第二电极12，第三电极10形成的表面；在一优选实施例中，所述栅介质层20的材料为Al2O3，HfO2中的任意一种。在一优选实施例中，所述栅介质层20厚度为25nm，使用硅作为掺杂剂，掺杂浓度为2×1018cm-3
第一栅电极11，第二栅电极1，所述第一栅电极11填充于所述凹槽并突出于所述N+GaN帽层3表面，所述第二栅电极1设置于所述N+GaN帽层3未设置凹槽部分表面，且所述第二栅电极1与所述第三电极10通过金属丝连接。在一优选实施例中，第一栅电极11，第二栅电极1的材料为Cr、Ti和Al中的任意一种。
本发明创新性的提出了一种增强型和耗尽型GaN HEMT集成散热晶体管，比传统GaN HEMT集成器件可以实现更有效地散热，更长时间的正常工作，更高的输出电流密度，任何基于类似增强型和耗尽型GaN HEMT集成散热晶体管结构的器件都在受保护之列。
本发明另一方面提供了一种GAAFET器件的制备方法，包括如下步骤：
S01：在所述衬底层一表面生长金刚石散热层；
S02：在所述衬底层背离所述金刚石散热层表面依次生长AlN缓冲层，GaN缓冲层，AlN插入层，AlGaN势垒层，N+GaN帽层；
S03：在所述衬底层，AlN缓冲层，GaN缓冲层，AlN插入层， AlGaN势垒层，N+GaN帽层中间刻蚀一个凹槽，并在所述凹槽中填充金刚石隔离层；
S04：刻蚀所述GaN缓冲层一部分，AlN插入层， AlGaN势垒层，N+GaN帽层的背离所述金刚石隔离层的两侧面形成离子注入区；
S05：从N+GaN帽层的彼此分隔的一部分表面开始往下刻蚀至所述AlGaN势垒层部分深度形成凹槽；
S06：在所述N+GaN帽层背离所述金刚石散热层表面与所述金刚石隔离层背离所述金刚石散热层表面形成平面生长金属层，并剥离形成第一电极，第二电极和第三电极；
S07：在器件背离所述金刚石散热层表面生长栅介质层；
S08：在所述栅介质层背离所述金刚石散热层表面生长金属层，并剥离形成第一栅电极，第二栅电极。
在一优选实施例中，所述AlN缓冲层，AlN插入层，AlGaN势垒层的制备方法为有机化学气相沉积(MOCVD)法。有机化学气相沉积(MOCVD)法所生长的化合物晶体的各成分元素以及掺杂剂都以气体形式导入反应炉,因此生长层的特性(如化合物晶体的成分、导电类型、载流子浓度、膜厚等因素),可以用气体混合器的阀门及流量计控制,因此很适合用于生长薄层器件。
在一优选实施例中，所述电极的制备方法为热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发中的任意一种。在进一步优选地实施例中选择磁控溅射来镀膜，具备更均一可控性更好的优势。
在一优选实施例中，所述GaN缓冲层，N+GaN帽层的制备方法为氢化物气相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)或金属有机化合物化学气相沉淀 法(MOCVD)中的任意一种。其中化学气相沉淀法为最常用方法。
Claims (10)
1.一种GAAFET器件，其特征在于，包括：
金刚石散热层；
金刚石隔离层，所述金刚石隔离层设置于所述金刚石散热层一表面；
衬底层，所述衬底层设置于所述金刚石散热层的金刚石隔离层同侧表面，并被所述金刚石隔离层分隔成紧贴所述金刚石隔离层侧面的两部分；
AlN缓冲层，所述AlN缓冲层设置于所述衬底层背离所述金刚石散热层表面，并被所述金刚石隔离层分隔成紧贴所述金刚石隔离层侧面的两部分；
GaN缓冲层，所述GaN缓冲层设置于所述AlN缓冲层背离所述金刚石散热层表面，并被所述金刚石隔离层分隔成紧贴所述金刚石隔离层侧面的两部分；
AlN插入层，所述AlN插入层设置于所述GaN缓冲层背离所述金刚石散热层表面，并被所述金刚石隔离层分隔成紧贴所述金刚石隔离层侧面的两部分；
AlGaN势垒层，所述AlGaN势垒层设置于所述AlN插入层背离所述金刚石散热层表面，并被所述金刚石隔离层分隔成紧贴所述金刚石隔离层侧面的两部分；
N+GaN帽层，所述N+GaN帽层设置于所述AlGaN势垒层背离所述金刚石散热层表面，并被所述金刚石隔离层分隔成紧贴所述金刚石隔离层侧面的两部分，所述N+GaN帽层其中一部分被一嵌入所述AlGaN势垒层的凹槽分割成彼此间隔的两部分；
离子注入区，所述离子注入区嵌入设置于所述GaN缓冲层背离所述金刚石散热层表面，并被所述GaN缓冲层部分侧面，AlN插入层侧面，AlGaN势垒层侧面，N+GaN帽层侧面共同形成的背离所述金刚石隔离层的共侧面分割成紧贴所述共侧面的两部分；
第一电极，第二电极，第三电极，所述第一电极和第二电极分别设置于所述N+GaN帽层的所述被所述金刚石隔离层分隔成紧贴所述金刚石隔离层侧面的两部分背离所述金刚石散热层的表面，所述第三电极设置于所述N+GaN帽层与所述金刚石隔离层背离所述金刚石散热层表面形成的平面，且所述第一电极，第二电极，第三电极彼此间隔设置；
栅介质层，所述栅介质层包覆于所述离子注入区，N+GaN帽层，金刚石隔离层，凹槽，第一电极，第二电极，第三电极形成的表面；
第一栅电极，第二栅电极，所述第一栅电极填充于所述凹槽并突出于所述N+GaN帽层表面，所述第二栅电极设置于所述N+GaN帽层未设置凹槽部分表面，且所述第二栅电极与所述第三电极通过金属丝连接。
2.如权利要求1所述的GAAFET器件，其特征在于：所述衬底层的材料为SiC或GaN中的至少一种。
3.如权利要求1所述的GAAFET器件，其特征在于：所述GaN缓冲层替换为C。
4.如权利要求1所述的GAAFET器件，其特征在于：所述第一电极、第二电极、第三电极的材料为Cr、Ti和Al中的任意一种。
5.如权利要求1所述的GAAFET器件，其特征在于：所述栅介质层的材料为Al2O3，HfO2中的任意一种。
6.如权利要求1所述的GAAFET器件，其特征在于：
所述衬底层的厚度为1nm；
所述AlN缓冲层，厚度为4μm：
所述GaN缓冲层的厚度为150nm；
所述AlN插入层的厚度为1nm；
所述AlGaN势垒层的厚度为0.3μm；
所述N+GaN帽层厚度为2nm；
所述金刚石隔离层厚度为15um；
所述金刚石散热层厚度为20um；
所述栅介质层厚度为25nm。
7.如其权利要求1-6任一所述的GAAFET器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在所述衬底层一表面生长金刚石散热层；
在所述衬底层背离所述金刚石散热层表面依次生长AlN缓冲层，GaN缓冲层，AlN插入层， AlGaN势垒层，N+GaN帽层；
在所述衬底层，AlN缓冲层，GaN缓冲层，AlN插入层， AlGaN势垒层，N+GaN帽层中间刻蚀一个凹槽，并在所述凹槽中填充金刚石隔离层；
刻蚀所述GaN缓冲层一部分，AlN插入层，AlGaN势垒层，N+GaN帽层的背离所述金刚石隔离层的两侧面形成离子注入区；
从N+GaN帽层的彼此分隔的一部分表面开始往下刻蚀至所述AlGaN势垒层部分深度形成凹槽；
在所述N+GaN帽层背离所述金刚石散热层表面与所述金刚石隔离层背离所述金刚石散热层表面形成平面生长金属层，并剥离形成第一电极，第二电极和第三电极；
在器件背离所述金刚石散热层表面生长栅介质层；
在所述栅介质层背离所述金刚石散热层表面生长金属层，并剥离形成第一栅电极，第二栅电极。
8.如权利要求6所述的GAAFET器件的制备方法，其特征在于：所述AlN缓冲层，AlN插入层，AlGaN势垒层的制备方法为金属有机化合物化学气相沉淀法(MOCVD)中的任意一种。
9.如权利要求6所述的GAAFET器件的制备方法，其特征在于：所述电极的制备方法为热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发中的任意一种。
10.如权利要求6所述的GAAFET器件的制备方法，其特征在于：所述GaN缓冲层，N+GaN帽层的制备方法为氢化物气相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)或金属有机化合物化学气相沉淀法(MOCVD)中的任意一种。
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