CN117855263A - 一种氮化镓hemt器件及制作方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓HEMT器件及制作方法和应用，其HEMT结构包括衬底、外延层、源极、漏极和栅极，所述源极、漏极和栅极设于所述外延层上；所述外延层设于所述衬底上，按序包括GaN沟道层和势垒层，其中栅极下方的势垒层具有曲面结构，并与沟道层形成曲面型沟道。在栅控区域具有曲面型沟道，使栅极靠近漏极一侧附近的电场峰值分布更均匀，而非以尖峰形式出现在栅极漏侧，能够耐受更大漏极电压，产生更高的功率密度及效率，提高GaN器件的耐压能力、动态及可靠性表现。
Description
技术领域
本发明属于半导体的技术领域，具体涉及一种氮化镓HEMT器件及制作方法和应用。
背景技术
随着在无线通信领域对频率和功率的不断增加，氮化镓(GaN)材料在射频器件领域起到的作用日益重要。其高电子迁移率、高功率密度、高工作温度等优势，使他成为射频和微波应用中的主要材料之一。在第五代移动通信技术(5G)这一全球范围内的新一轮通信技术迭代的背景下，需要提高原有4G网络的速度、容量、可靠性和效率，支持不同应用场景的多种连接方式，实现超高速、可靠、低延迟、大容量和广覆盖的无线通信。
传统GaN射频器件为横向平面器件，通过在势垒层与沟道层之间的量子阱形成二维电子气(2DEG)，实现载流子的高速传输、射频信号放大。这一水平分布的沟道形状，容易使得器件在高功率的工作状况中，栅极靠近漏测一端，及栅极和漏极之间的区域有高电场分布，减弱器件的耐压能力，降低器件的动态性能及长时间工作的可靠性。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种氮化镓HEMT器件及制作方法和应用。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种氮化镓HEMT器件，包括衬底、外延层、源极、漏极和栅极，所述源极、漏极和栅极设于所述外延层上；所述外延层设于衬底上，按序包括GaN沟道层和势垒层，其中栅极下方的势垒层具有曲面结构，并与沟道层形成曲面型沟道。
可选的，所述势垒层为n型掺杂的AlGaN、AlN、InGaN、InAlGaN或ScAlN。
可选的，所述n型掺杂的掺杂浓度为1E12～5E13 cm-3。
可选的，所述势垒层的厚度为2～30nm。
可选的，所述沟道层的厚度为3～300nm。
可选的，所述外延层还包括设置于所述衬底与沟道层之间的缓冲层；所述缓冲层为铁元素掺杂的GaN层，掺杂浓度为1E17～1E19 cm-3。
可选的，所述沟道层表面具有曲面凹槽，所述势垒层设于所述沟道层上并相应形成曲面型沟道。
可选的，所述缓冲层表面具有曲面凹槽，所述沟道层和势垒层按序设于所述缓冲层上并相应形成曲面型沟道。
可选的，所述外延层包括所述沟道层和势垒层相间堆叠的多沟道结构，其中至少最顶层的势垒层/沟道层形成所述曲面型沟道。
可选的，所述曲面结构为向背离所述栅极的方向凹陷的弧形曲面，弧形的曲率为1e-7～1e-5m-1，深度为1nm～30nm。栅极下方的曲面结构为完全曲面，栅下沟道电子浓度低，阈值电压更正，适用于增强型器件。
可选的，所述栅极下方的外延层表面具有曲面凹槽，所述曲面凹槽与所述外延层表面的平面平滑过渡，所述栅极覆盖所述曲面凹槽。
可选的，所述曲面结构包括两段向背离所述栅极的方向凹陷的弧形曲面，以及连接两段弧形曲面的底部平面。栅极下方的曲面结构具有底部的平面区段，栅下沟道电子浓度高，阈值电压更负，适用于耗尽型器件。
一种氮化镓HEMT器件的制作方法，包括以下步骤：
1)于衬底上形成外延层，所述外延层按序包括GaN沟道层和n型掺杂的势垒层，其中栅控区域的势垒层形成曲面结构，并与沟道层形成曲面型沟道；
2)于外延层上形成源极、漏极和栅极，其中栅极位于栅控区域上。
可选的，所述外延层还包括设于衬底和沟道层之间的缓冲层，在所述外延层的形成过程中，以所述缓冲层作为图形层，蚀刻所述图形层表面，形成曲面凹槽；然后于图形化的缓冲层上进行至少一组沟道层和势垒层的外延生长工艺。
可选的，所述外延层包括一组或叠设的多组沟道层和势垒层；在所述外延层的形成过程中，以任一沟道层作为图形层，蚀刻所述图形层表面形成曲面凹槽；然后通于图形化的沟道层上进行至少包括一势垒层的后续外延生长工艺。
可选的，于所述图形层表面形成光刻胶层，通过纳米压印技术于光刻胶层表面形成曲面凹槽图形，采用蚀刻工艺将图形转移至所述图形层，然后去除所述光刻胶层，以于所述图形层表面形成所述曲面凹槽。
可选的，所述蚀刻工艺采用湿法蚀刻工艺或干法蚀刻+湿法蚀刻工艺。
一种射频模组，包括上述的氮化镓HEMT器件。
本发明的有益效果为：
在栅控区域具有曲面型沟道，使栅极靠近漏极一侧附近的电场峰值分布更均匀，而非以尖峰形式出现在栅极漏侧，能够耐受更大漏极电压，产生更高的功率密度及效率，提高GaN器件的耐压能力、动态及可靠性表现。
附图说明
图1为实施例1的氮化镓HEMT器件的结构示意图；
图2为实施例1的氮化镓HEMT器件的制作方法的工艺示意图，图中显示各步骤得到的结构；
图3为实施例2的氮化镓HEMT器件的结构示意图；
图4为实施例3的氮化镓HEMT器件的结构示意图；
图5为实施例4的氮化镓HEMT器件的结构示意图；
图6为实施例5的氮化镓HEMT器件的结构示意图；
图7为实施例6的氮化镓HEMT器件的结构示意图；
图8A和图8B分别为对比例1和对比例2的氮化镓HEMT器件的结构示意图；
图9为对比例1(A)、对比例2(B)和实施例6(C)的氮化镓HEMT器件的的TCAD仿真示意图；
图10为图9中①～④位置的电场强度曲线示意图，图中传统沟道对应对比例1，沟槽沟道对应对比例2，曲面沟道对应实施例6。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
实施例1
参考图1，实施例1的氮化镓HEMT器件，包括外延层100、源极S、漏极D和栅极G。外延层100按序包括衬底110、成核层120、缓冲层130、沟道层140和势垒层150，其中沟道层140表面具有曲面凹槽140a；势垒层150于曲面凹槽140a处具有相应的曲面结构，表面形成了曲面凹槽150a。源极S、漏极D和栅极G设于外延层100上，且栅极G位于曲面凹槽150a上方并覆盖曲面凹槽150a。从而，在栅极G下方的外延层的栅控区域，势垒层150和沟道层140形成曲面型沟道。
衬底110采用硅或碳化硅衬底。成核层120采用AlN，厚度为50～150nm。缓冲层130采用铁元素掺杂的GaN，厚度为50nm～3μm，掺杂浓度是1E17～5E18 cm-3，目的是为了提高此缓冲层的电阻率，减小缓冲层漏电及射频损耗。沟道层140为GaN沟道层，厚度为20nm～300nm；沟道层140表面形成的曲面凹槽140a为弧形曲面凹槽，深度范围5nm～30nm，曲率为1e-7～1e-5m-1。势垒层150采用Si掺杂的AlGaN、AlN、InGaN、InAlGaN或ScAlN等，厚度为2～30nm，外延形成的势垒层150具有均一的厚度，从而表面的曲面凹槽150a与曲面凹槽140a具有相同的形貌。源极S和漏极D设于势垒层150上，例如是钛/铝/镍/金的金属合金，并形成欧姆接触。栅极G设于势垒层150上并覆盖了曲面凹槽150a，例如是镍/金的金属合金并形成肖特基接触。
沟道层140/势垒层150的异质结结构，接触界面产生二维电子气(2DEG)，形成二维电子气沟道。在栅下区域的沟道形貌为曲面型沟道，在经历高电压时，相较于折线形结构，电势的变化更缓慢，无钝角处的突变，由于电势的变化率等于电场，故电场峰值可更小，从而使栅极靠近漏极一侧附近的电场峰值分布更均匀，而非以尖峰形式出现在栅极漏侧，器件能够耐受更大漏极电压，产生更高的功率密度及效率。通过大幅度的均匀化高场区域的电场分布，缓解高压下器件的电学性能退化。
以下结合图2说明上述氮化镓HEMT器件的制作方法。
参考图2(a)，在硅或碳化硅衬底110上使用MOCVD依次生长AlN成核层120、GaN缓冲层130和GaN沟道层140。
参考图2(b)，于沟道层140上形成光刻胶层R，采用纳米压印技术，通过接触式压印于光刻胶层R上形成曲面凹槽图形a；可以理解，光刻胶R的厚度应大于曲面凹槽的最大深度。
参考图2(c)，使用湿法刻蚀或干法与湿法刻蚀结合的方法进行蚀刻，优选的，可先采用干法蚀刻将曲面凹槽图形a转移至沟道层140获得曲面凹槽140a，然后以湿法蚀刻收尾，用于修复蚀刻界面的粗糙度，以获得平滑得表面，有利于后续外延层的生长。由于侧向刻蚀的作用，曲面凹槽140a与外围沟道层140表面的平面之间平滑过渡。
参考图2(d)，剥离剩余的光刻胶层R，使用MOCVD生长n型掺杂的势垒层150，势垒层150在曲面凹槽140a处形成了曲面结构，表面同样具有曲面凹槽150a。其中，n型掺杂的掺杂浓度为1E12～5E13 cm-3。低于1E12cm-3，对2DEG沟道的形成无法提供有效帮助。高于5E13cm-3，降低势垒层晶格质量，增加其中缺陷密度。
参考图2(e)，使用电子束沉积钛/铝/镍/金的金属合金，配合剥离的方法形成欧姆接触电极，并使用快速退火炉在850℃的惰性气体氛围中退火，形成欧姆接触的源极S和漏极D；在栅极区域使用电子束沉积镍/金的金属合金，配合剥离的方法形成肖特基电极，即形成了覆盖曲面凹槽150a的栅极G。
后续还包括生长氮化硅钝化层等常规工艺，用于降低器件电流崩塌效应，隔绝器件收外接环境变化的影响。
得到的氮化镓HEMT器件应用于射频模组，使栅极靠近漏侧及栅漏之间的电场分布更均匀，提高GaN射频器件耐压能力、动态及可靠性表现。
实施例2
参考图3，实施例2的曲面型沟道的氮化镓HEMT器件，包括外延层200、源极S、漏极D和栅极G。外延层200按序包括衬底210、成核层220、缓冲层230、沟道层240和势垒层250。与实施例1的区别在于，缓冲层230表面具有曲面凹槽230a，沟道层240和势垒层250按序形成于图形化的缓冲层230上，于曲面凹槽230a处均具有相应的曲面结构，势垒层表面形成了曲面凹槽250a。源极S、漏极D和栅极G设于外延层200上，且栅极G位于曲面凹槽250a上方并覆盖曲面凹槽250a。从而，栅极G下方的外延层的势垒层、沟道层及形成的电子气沟道均为曲面结构。本实施例中，势垒层和沟道层均具有均一的厚度，沟道层240的厚度为5～100nm，势垒层250的厚度为2～30nm。
应当理解，源极S、漏极D设于外延层200上，常规的，可以形成于势垒层250的平面表面上，也可以使源极S、漏极D形成于蚀刻去除部分深度后的势垒层上，不加以限定。
本实施例的制作方法，可以参考实施例1的凹槽形成工艺于缓冲层230形成曲面凹槽230a之后，再进行沟道层和势垒层的外延生长，不加以赘述。
实施例3
参考图4，实施例3的氮化镓HEMT器件，包括外延层300、源极S、漏极D和栅极G。外延层300按序包括衬底310、成核层320、缓冲层330、沟道层340、势垒层350，与实施例1的区别在于，还包括设于势垒层350上的另外至少一组沟道层/势垒层，本实施例以增加两组为例，按序包括沟道层341、势垒层351、沟道层342和势垒层352，形成了沟道层和势垒层相间堆叠的多沟道结构。其中沟道层340表面具有曲面凹槽340a；势垒层350、沟道层341、势垒层351、沟道层342和势垒层352于曲面凹槽340a处具有相应的曲面结构，表面形成了曲面凹槽352a。源极S、漏极D和栅极G设于外延层300上，且栅极G位于曲面凹槽352a上方并覆盖曲面凹槽352a。从而，在栅极G下方的外延层的栅控区域，形成多个曲面型沟道。其中沟道层340的厚度为20nm～50nm，沟道层341、342的厚度为3～50nm，势垒层350、351和352的厚度均为2～30nm。多条曲面沟道大幅度的均匀化高场区域的电场分布，缓解高压下器件的电学性能退化。
在多条沟道的结构中，为提高栅控能力，各个沟道层的厚度不宜过厚，并且可以配合设置于已知的三围栅结构，通过蚀刻外延层形成若干沿源极、漏极之间方向延伸的鳍部，环形栅电极横跨若干鳍部并从顶面和两侧面包裹沟道，以解决远离栅极的沟道栅控不足的问题，进一步提高栅控性能，提高器件的性能和稳定性。
当大量的载流子集聚在很薄的量子阱内，导致载流子在大电场作用下，散射现象严重，即载流子迁移率会有加大程度降低，从而引入了GaN射频器件的非线性度，成为信号失真的源头之一。本实施例中使用多条曲面型量子阱，产生了多条沟道，降低了单条沟道内的电子浓度，在大电流工作条件下，产生的散射效应减弱，迁移率下降情况得到缓解，信号失真情况降低，线性度得到提高。
本实施例的制作方法，可以参考实施例1的凹槽形成工艺，并在后续进行多个沟道层和势垒层的交替生长，形成多量子阱结构。
实施例4
参考图5，实施例4的曲面型沟道的氮化镓HEMT器件，包括外延层400、源极S、漏极D和栅极G。外延层400按序包括衬底410、成核层420、缓冲层430、缓冲层430表面具有曲面凹槽430a，于实施例2的区别在于，缓冲层430上形成了沟道层和势垒层相间堆叠的多沟道结构，以三组沟道层/势垒层为例，按序包括沟道层440、势垒层450、沟道层441、势垒层451、沟道层442和势垒层452，于曲面凹槽430a处均具有相应的曲面结构。势垒层452表面相应具有曲面凹槽452a。源极S、漏极D和栅极G设于外延层400上，且栅极G位于曲面凹槽452a上方并覆盖曲面凹槽452a。从而，栅极G下方的外延层的势垒层、沟道层及形成的电子气沟道均为曲面结构，形成了多个曲面型沟道。本实施例中，势垒层和沟道层均具有均一的厚度，沟道层的厚度为5～50nm，势垒层的厚度为2～30nm。
实施例5
参考图6，实施例5的曲面型沟道的氮化镓HEMT器件，包括外延层500、源极S、漏极D和栅极G。外延层500按序包括衬底510、成核层520、缓冲层530，缓冲层530上形成了沟道层和势垒层相间堆叠的多沟道结构，以三组沟道层/势垒层为例，按序包括沟道层540、势垒层550、沟道层541、势垒层551、沟道层542和势垒层552。其中沟道层542表面具有曲面凹槽542a，势垒层552于曲面凹槽542a处具有相应的曲面结构，且表面相应具有曲面凹槽552a。源极S、漏极D和栅极G设于外延层500上，且栅极G位于曲面凹槽552a上方并覆盖曲面凹槽552a。本实施例中同样形成了二维电子气的多个沟道，其中，栅极G下方具有平面沟道和曲面沟道的组合，在实现对电场分布的均匀化的同时维持了较大的电流。
实施例6
参考图7，实施例6的曲面型沟道的氮化镓HEMT器件包括外延层600、源极S、漏极D和栅极G。外延层600按序包括衬底610、成核层620、缓冲层630、沟道层640和势垒层650，其中沟道层640表面具有曲面凹槽640a；势垒层650于曲面凹槽640a处具有相应的曲面结构，表面形成了曲面凹槽650a。源极S、漏极D和栅极G设于外延层100上，且栅极G位于曲面凹槽650a上方并覆盖曲面凹槽650a。从而，在栅极G下方的外延层的栅控区域，势垒层650和沟道层640形成曲面型沟道。
本实施例中，曲面凹槽640a具有底部平面，两侧通过弧形曲面与沟道层640的顶部平面相连，弧形曲面向沟道层640内部凹陷，并在底部平面和顶部平面之间实现了平滑过渡。底部平面沟道形成了2DEG，栅下沟道电子浓度高。
对比例1
参考图8A，对比例1的氮化镓HEMT器件同样包括衬底10、成核层20、缓冲层30、沟道层40和势垒层50，与实施例6的区别在于，沟道层40和势垒层50不设置凹槽，均为层状平面结构，栅极G设于平面的势垒层50上。
对比例2
参考图8B，对比例2的氮化镓HEMT器件同样包括衬底10、成核层20、缓冲层30、沟道层40和势垒层50，与实施例6的区别在于，沟道层40设置凹槽40a，该凹槽40a不具有曲面，侧壁和底面均为直线段，且侧壁与底部平面和顶部平面之间均形成折线形连接，形成尖角。
参考图9，对实施例6、对比例1和对比例2的结构分别采用TCAD进行仿真，并比较相同位置的电场强度，结果如图10所示，其中条件为：E-Field@Vd＝70V；Vg＝-8V。由图中可见，实施例6的曲面沟道可以使势垒层电场峰值降低，且降低效果优于对比例2的直角凹槽。
如对比例1的传统GaN HEMT工作在高功率场景下，电场峰值出现在栅极靠近漏极侧的边缘位置。这一位置的较高峰值电场成为器件容易击穿失效的原因。因此在栅极漏侧边缘处调制电场分布，是提高器件工作电压和耐受功率的重要手段。相较于对比例2的直角凹槽结构的形状，曲面型沟道这一结构，在电场峰值出现的区域，避免所有尖角出现，均呈现圆滑过渡，使得此位置的电势变化无较大突变，即更大程度的均匀化电场分布，降低电场峰值，增强器件功率等级。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种氮化镓HEMT器件及制作方法和应用，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (17)
1.一种氮化镓HEMT器件，其特征在于：包括衬底、外延层、源极、漏极和栅极，所述源极、漏极和栅极设于所述外延层上；所述外延层设于所述衬底上，按序包括GaN沟道层和势垒层，其中栅极下方的势垒层具有曲面结构，并与沟道层形成曲面型沟道。
2.根据权利要求1所述的氮化镓HEMT器件，其特征在于：所述势垒层为n型掺杂的AlGaN、AlN、InGaN、InAlGaN或ScAlN。
3.根据权利要求1或2所述的氮化镓HEMT器件，其特征在于：所述n型掺杂的掺杂浓度为1E12～5E13 cm-3。
4.根据权利要求1所述的氮化镓HEMT器件，其特征在于：所述势垒层的厚度为2～30nm。
5.根据权利要求1所述的氮化镓HEMT器件，其特征在于：所述沟道层的厚度为3～300nm。
6.根据权利要求1所述的氮化镓HEMT器件，其特征在于：所述沟道层表面具有曲面凹槽，所述势垒层设于所述沟道层上并相应形成曲面型沟道。
7.根据权利要求1所述的氮化镓HEMT器件，其特征在于：所述外延层还包括设置于所述衬底与沟道层之间的缓冲层；所述缓冲层为铁元素掺杂的GaN层，掺杂浓度为1E17～1E19cm-3。
8.根据权利要求7所述的氮化镓HEMT器件，其特征在于：所述缓冲层表面具有曲面凹槽，所述沟道层和势垒层按序设于所述缓冲层上并相应形成曲面型沟道。
9.根据权利要求1所述的氮化镓HEMT器件，其特征在于：所述外延层包括所述沟道层和势垒层相间堆叠的多沟道结构，其中至少最顶层的势垒层/沟道层形成所述曲面型沟道。
10.根据权利要求1所述的氮化镓HEMT器件，其特征在于：所述曲面结构为向背离所述栅极的方向凹陷的弧形曲面，弧形的曲率为1e-7～1e-5m-1，深度为1nm～30nm。
11.根据权利要求1所述的氮化镓HEMT器件，其特征在于：所述栅极下方的外延层表面具有曲面凹槽，所述曲面凹槽与所述外延层表面的平面平滑过渡，所述栅极覆盖所述曲面凹槽。
12.根据权利要求1所述的氮化镓HEMT器件，其特征在于：所述曲面结构包括两段向背离所述栅极的方向凹陷的弧形曲面，以及连接两段弧形曲面的底部平面。
13.一种氮化镓HEMT器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)于衬底上形成外延层，所述外延层按序包括GaN沟道层和n型掺杂的势垒层，使栅控区域的势垒层形成曲面结构，并与沟道层形成曲面型沟道；
2)于外延层上形成源极、漏极和栅极，其中栅极位于栅控区域上。
14.根据权利要求13所述的氮化镓HEMT器件的制作方法，其特征在于：所述外延层还包括设于衬底和沟道层之间的缓冲层，在所述外延层的形成过程中，以所述缓冲层作为图形层，蚀刻所述图形层表面，形成曲面凹槽；然后于图形化的缓冲层上进行至少一组沟道层和势垒层的外延生长工艺。
15.根据权利要求13所述的氮化镓HEMT器件的制作方法，其特征在于，所述外延层包括一组或叠设的多组沟道层和势垒层；在所述外延层的形成过程中，以任一沟道层作为图形层，蚀刻所述图形层表面形成曲面凹槽；然后通于图形化的沟道层上进行至少包括一势垒层的后续外延生长工艺。
16.根据权利要求14或15所述的氮化镓HEMT器件的制作方法，其特征在于：于所述图形层表面形成光刻胶层，通过纳米压印技术于光刻胶层表面形成曲面凹槽图形，采用蚀刻工艺将图形转移至所述图形层，然后去除所述光刻胶层，以于所述图形层表面形成所述曲面凹槽。
17.一种射频模组，其特征在于：包括权利要求1～12任一项所述的氮化镓HEMT器件。
Priority Applications (1)
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| CN202311621841.XA CN117855263A (zh) | 2023-11-29 | 2023-11-29 | 一种氮化镓hemt器件及制作方法和应用 |
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2023
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