CN116137286A - 一种增强型GaN HEMT器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种增强型GaN HEMT器件及其制备方法,属于半导体器件技术领域。本发明制备的增强型GaN HEMT器件在相同器件面积下,相对于传统p‑GaN栅HEMT器件,输出电流提高50%~200%,栅漏电降低1~4个数量级,阈值电压可以在1~5V范围调整。驱动电压可以工作在10V,最大可以工作在30V,p‑GaN栅HEMT器件工作在6V,最大不能超过7V。本发明的增强型GaN HEMT器件电流密度更大,驱动电压范围较宽,可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域,尤其涉及一种增强型GaN HEMT器件及其制备方法。
背景技术
相对于Si材料,GaN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率高等一系列性能优势,GaN基功率器件受到了越来越多的关注。由于GaN材料的特点,GaN基功率器件是天然的耗尽型器件,这种耗尽型器件对器件在电路中的应用造成了障碍,人们必须用一颗Si MOS器件与耗尽型GaN器件级联,才能实现在电路上的应用。
而对于增强型GaN器件,不需要级联Si MOS器件,单个器件就能实现在电路中的开关作用。增强型器件开发的难度较高,人们研究了各种各样的技术手段,来实现增强型器件。目前主流的增强型GaN器件是采用p型栅帽层技术---在AlGaN表面生长一层P型GaN层,通过P-GaN对栅极下方的二维电子气耗尽,实现增强型(如图1)。但由于p-GaN的耗尽能力是有限的,需要牺牲AlGaN势垒层厚度降低二维电子气浓度来实现,导致传统p型栅帽层技术实现增强型存在以下缺点:电流密度相对于耗尽型器件小,同时可实现的阈值电压比较低,驱动电压范围比较窄(最大不能超过7V),存在可靠性风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增强型GaN HEMT器件及其制备方法,本发明的增强型GaN HEMT器件电流密度更大,驱动电压范围较宽,可靠性高。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种增强型GaN HEMT器件,从下到上依次包括:衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层和AlGaN势垒层;在所述AlGaN势垒层上方设有源电极、栅电极和漏电极;在栅下区域所述GaN沟道层中设有AlGaN背势垒。
优选的,在所述源电极和漏电极之间、栅电极下方、AlGaN势垒层上方,还包括栅介质层。
优选的,所述AlGaN背势垒的厚度为10~50nm。
优选的,所述AlGaN背势垒的化学式为AlxGa1-xN,其中,X=0.1~0.3。
优选的,所述GaN沟道层的厚度为100~500nm。
优选的,所述栅介质层的厚度为5~50nm;所述栅介质层的组成为SiN、SiO2、Al2O3或AlN。
本发明提供了上述方案所述增强型GaN HEMT器件的制备方法,包括以下步骤:在衬底上依次外延生长GaN缓冲层、下层GaN沟道层和AlGaN背势垒层,除去栅下区域之外的AlGaN背势垒层,形成AlGaN背势垒;二次外延生长上层GaN沟道层及AlGaN势垒层,制作源电极、栅电极和漏电极,得到所述增强型GaN HEMT器件。
本发明提供了上述方案所述增强型GaN HEMT器件的另一种制备方法,包括以下步骤:在衬底上依次外延生长GaN缓冲层和下层GaN沟道层;在所述下层GaN沟道层表面栅下区域外延生长AlGaN背势垒,继续外延上层GaN沟道层及AlGaN势垒层,制作源电极、栅电极和漏电极,得到所述增强型GaN HEMT器件。
优选的,形成AlGaN势垒层后,还包括制备栅介质层。
优选的,所述栅介质层通过低压力化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积制备得到。
本发明提供了一种增强型GaN HEMT器件,从下到上依次包括:衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层和AlGaN势垒层;在所述AlGaN势垒层上方设有源电极、栅电极和漏电极;在栅下区域所述GaN沟道层中设有AlGaN背势垒。
本发明在栅下区域GaN沟道层中设有AlGaN背势垒,实现耗尽栅下二维电子气(2DEG)达成增强型的目的。本发明不牺牲AlGaN势垒层厚度,电流密度更大;驱动电压范围比较宽(最大可以达到30V)。
此外,本发明可以通过调节AlGaN背势垒的厚度和其中Al组分含量,调整增强型器件的阈值电压。
进一步的,本发明还能实现MIS-HEMT结构(如图3所示),可以在栅电极下方设有栅介质层,起到减小漏电、提高可靠性的作用。
附图说明
图1为传统p-GaN栅HEMT器件的结构示意图;
图2为本发明增强型GaN HEMT器件的结构示意图;
图3为本发明增强型GaN HEMT器件的另一结构示意图;
图4为本发明增强型GaN HEMT器件的一种制备方法示意图;
图5为本发明增强型GaN HEMT器件的另一种制备方法示意图;
图1-图5中:S为源电极,G为栅电极,D为漏电极。
具体实施方式
如图2所示,本发明提供了一种增强型GaN HEMT器件,从下到上依次包括:衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层和AlGaN势垒层;在所述AlGaN势垒层上方设有源电极、栅电极和漏电极;在栅下区域所述GaN沟道层中设有AlGaN背势垒。
本发明提供的增强型GaN HEMT器件包括衬底。本发明对所述衬底没有特殊的限定,本领域熟知的衬底均可,具体的如硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底。
本发明提供的增强型GaN HEMT器件包括位于衬底上表面的GaN缓冲层。本发明对所述GaN缓冲层没有特殊的限定,采用本领域熟知的GaN缓冲层即可。
本发明提供的增强型GaN HEMT器件包括位于GaN缓冲层上表面的GaN沟道层。在本发明中,所述GaN沟道层的厚度优选为100~500nm,具体可以为100nm、103nm、115nm、200nm、300nm、400nm或500nm,这里不再穷举。
本发明提供的增强型GaN HEMT器件包括位于所述GaN沟道层上表面的AlGaN势垒层。本发明对所述AlGaN势垒层没有特殊的要求,采用本领域熟知的AlGaN势垒层即可。
本发明提供的增强型GaN HEMT器件包括位于AlGaN势垒层上方的源电极、栅电极和漏电极。本发明对所述源电极、栅电极和漏电极没有特殊的要求,采用本领域熟知的源电极、栅电极和漏电极即可。
在本发明中,在栅下区域所述GaN沟道层中设有AlGaN背势垒;本发明在栅下区域GaN沟道层中设有AlGaN背势垒,实现耗尽栅下2DEG达成增强型的目的。在本发明中,所述AlGaN背势垒的厚度优选为10~50nm,具体可以为10nm、13nm、20nm、25nm、30nm、40nm或50nm,这里不再穷举。在本发明中,所述AlGaN背势垒的化学式优选为AlxGa1-xN,其中,X=0.1~0.3,优选为0.15~0.25。本发明可以通过调节AlGaN背势垒的厚度和其中Al组分含量,调整增强型器件的阈值电压。当所述AlGaN背势垒的厚度和Al组分含量在上述范围时,得到的增强型GaN HEMT器件的阈值电压可以在1~5V范围调整。
在本发明中,在所述源电极和漏电极之间、栅电极下方、AlGaN势垒层上方,优选还包括栅介质层(如图3所示)。在本发明中,所述栅介质层的厚度优选为5~50nm,更优选为10~40nm,进一步优选为20~30nm;所述栅介质层的组成优选为SiN、SiO2、Al2O3或AlN。在本发明中,所述栅介质层起到减小漏电、提高增强型GaN HEMT器件可靠性的作用。
本发明提供了上述方案所述增强型GaN HEMT器件的制备方法,包括以下步骤:在衬底上依次外延生长GaN缓冲层、下层GaN沟道层和AlGaN背势垒层,除去栅下区域之外的AlGaN背势垒层,形成AlGaN背势垒;二次外延生长上层GaN沟道层及AlGaN势垒层,制作源电极、栅电极和漏电极,得到所述增强型GaN HEMT器件。
本发明对外延生长GaN缓冲层、下层GaN沟道层和AlGaN背势垒层的条件没有特殊要求,采用本领域熟知的生长条件即可。
如图4所示,生长完AlGaN背势垒层后,本发明除去栅下区域之外的AlGaN背势垒层,形成AlGaN背势垒。本发明优选通过ICP(电感耦合等离子体)刻蚀去除。
形成AlGaN背势垒后,本发明二次外延生长上层GaN沟道层和AlGaN势垒层。在本发明中,上层GaN沟道层与下层GaN沟道层构成完整的GaN沟道层。
当所述增强型GaN HEMT器件包括栅介质层时,形成AlGaN势垒层后,本发明优选还包括在AlGaN势垒层上表面部分区域制备栅介质层。在本发明中,所述栅介质层优选通过低压力化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或原子层沉积(ALD)制备得到。
最后,本发明在目标区域制作源电极、栅电极和漏电极,得到所述增强型GaN HEMT器件。
如图5所示,本发明还提供了上述方案所述增强型GaN HEMT器件的另一种制备方法,包括以下步骤:在衬底上依次外延生长GaN缓冲层和下层GaN沟道层;在所述下层GaN沟道层表面栅下区域外延生长AlGaN背势垒,继续外延上层GaN沟道层及AlGaN势垒层,制作源电极、栅电极和漏电极,得到所述增强型GaN HEMT器件。
当还包括栅介质层时,本发明优选在形成AlGaN势垒层之后制备栅介质层,制备方法同上,这里不再赘述。
下面结合实施例对本发明提供的增强型GaN HEMT器件及其制备方法进行详细的说明,但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
如图4所示,MOCVD在硅衬底上生长GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN背势垒层,通过ICP刻蚀除去栅下区域之外的AlGaN背势垒层,形成AlGaN背势垒,然后二次外延上层GaN沟道层及AlGaN势垒层,制备源电极、漏电极、栅电极,得到结构如图2所示的增强型GaN HEMT器件。
实施例2
如图4所示,MOCVD在硅衬底上生长GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN背势垒层,通过ICP刻蚀除去栅下区域之外的AlGaN背势垒层,形成AlGaN背势垒,然后二次外延上层GaN沟道层及AlGaN势垒层,制备栅介质层,最后制备源电极、漏电极、栅电极,得到结构如图3所示的增强型GaN HEMT器件。
实施例3
如图5所示,MOCVD在硅衬底上生长GaN缓冲层、GaN沟道层,采用选区外延的方式,在下层GaN沟道层栅下区域处选区外延生长AlGaN背势垒,继续外延上层GaN沟道层及AlGaN势垒层,制备源电极、漏电极、栅电极,得到结构如图2所示的增强型GaN HEMT器件。
实施例4
如图5所示,MOCVD在硅衬底上生长GaN缓冲层、GaN沟道层,采用选区外延的方式,在下层GaN沟道层栅下区域处选区外延生长AlGaN背势垒,继续外延上层GaN沟道层及AlGaN势垒层,制备栅介质层,最后制备源电极、漏电极、栅电极,得到结构如图3所示的增强型GaNHEMT器件。
上述实施例制备的增强型GaN HEMT器件,在相同器件面积下,相对于传统p-GaN栅HEMT器件,输出电流提高50%~200%,栅漏电降低1~4个数量级,阈值电压可以调整在1~5V范围。驱动电压可以工作在10V,最大可以工作在30V,p-GaN栅HEMT器件工作在6V,最大不能超过7V。
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)
1.一种增强型GaN HEMT器件,其特征在于,从下到上依次包括:衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层和AlGaN势垒层;在所述AlGaN势垒层上方设有源电极、栅电极和漏电极;在栅下区域所述GaN沟道层中设有AlGaN背势垒。
2.根据权利要求1所述的增强型GaN HEMT器件,其特征在于,在所述源电极和漏电极之间、栅电极下方、AlGaN势垒层上方,还包括栅介质层。
3.根据权利要求1或2所述的增强型GaN HEMT器件,其特征在于,所述AlGaN背势垒的厚度为10~50nm。
4.根据权利要求1或2所述的增强型GaN HEMT器件,其特征在于,所述AlGaN背势垒的化学式为AlxGa1-xN,其中,X=0.1~0.3。
5.根据权利要求1或2所述的增强型GaN HEMT器件,其特征在于,所述GaN沟道层的厚度为100~500nm。
6.根据权利要求2所述的增强型GaN HEMT器件,其特征在于,所述栅介质层的厚度为5~50nm;所述栅介质层的组成为SiN、SiO2、Al2O3或AlN。
7.权利要求1~6任一项所述增强型GaN HEMT器件的制备方法,包括以下步骤:在衬底上依次外延生长GaN缓冲层、下层GaN沟道层和AlGaN背势垒层,除去栅下区域之外的AlGaN背势垒层,形成AlGaN背势垒;二次外延生长上层GaN沟道层及AlGaN势垒层,制作源电极、栅电极和漏电极,得到所述增强型GaN HEMT器件。
8.权利要求1~6任一项所述增强型GaN HEMT器件的制备方法,包括以下步骤:在衬底上依次外延生长GaN缓冲层和下层GaN沟道层;在所述下层GaN沟道层表面栅下区域外延生长AlGaN背势垒,继续外延上层GaN沟道层及AlGaN势垒层,制作源电极、栅电极和漏电极,得到所述增强型GaN HEMT器件。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法,其特征在于,形成AlGaN势垒层后,还包括制备栅介质层。
10.根据权利要求9所述的制备方法,其特征在于,所述栅介质层通过低压力化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积制备得到。
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