CN203118954U - 基于超级结的氮化镓hemt器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于超级结的氮化镓HEMT器件，其能够在低导通电阻的情况下提高器件击穿电压。所述基于超级结的氮化镓HEMT器件包括蓝宝石HEMT外延片、不掺杂AlN层、不掺杂GaN层、不掺杂AlGaN层、源极、栅极、漏极、栅漏极之间基于F离子处理技术形成的超级结区。所述方法采用干法ICP刻蚀出Mesa隔离结构，分别蒸发源漏极金属和栅极金属形成源、漏和栅极；采用基于F离子处理技术在栅极-漏极区域形成的超级结。本实用新型相对于常规的氮化镓HEMT器件具有导通电阻低、击穿电压高、开关反应速度快、功耗低和缓冲层漏电小的特点，可用于大功率电力电子开关、汽车电子、太阳能模块、电动车、雷达和制导等方面。

Description

基于超级结的氮化镓HEMT器件

技术领域

本实用新型属于微电子技术领域，具体涉及一种基于超级结的氮化镓HEMT（高电子迁移率晶体管）器件及制备方法。

背景技术

继硅（Si）、砷化镓（GaAs）之后，具有优良高温、高压及高频特性的被称为第三代半导体的氮化镓（GaN）材料成为目前国际上研究的热点。宽禁带半导体氮化镓(GaN)具有禁带宽度大、临界击穿电场高、饱和电子漂移速度高、热导率大、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，非常适合于制作抗辐射、高温、高频、大功率和高密度集成的电路，是电力电子、汽车电子、通讯、雷达、制导等现代化国防装备的核心部件。

随着微电子技术的发展，传统Si和GaAs半导体器件性能已接近其材料本身决定的理论极限,宽禁带半导体GaN材料其临界击穿电场比硅(Si)高近10倍，AlGaN/GaN HEMTs功率器件的导通电阻在耐压超过350V的应用中比Si器件低近三个数量级，因此其制作的功率器件突破了主流硅功率器件的理论极限，并可同步减小芯片面积和减轻驱动电路的重量。在工作温度高的（大于250℃）的功率电子应用中，GaN功率电子因无少数载流子存储效应、具有优良的高温可靠性等优点超越了硅基功率半导体工作的温度上限150℃，GaN基功率电子将成为Si基功率器件的理想替代者，并在未来的智能电网、混合动力汽车、航空航天以及高速铁路等新型产业中扮演着举足轻重的地位。

然而，作为一种功率器件，氮化镓HEMT在性能上仍然存在很大的问题。其中最关键的一个就是击穿电压和导通电子之间的制约关系，由于肖特基栅边缘下方存在强电场，导致漂移区电场分布不均匀，使实现高击穿电压和低导通电阻难以同时实现，因此器件在大电压下工作时会有很大的能量损耗。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于超级结的氮化镓HEMT器件，其能够在低导通电阻的情况下提高器件击穿电压。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种基于超级结的氮化镓HEMT器件，其主要由蓝宝石衬底、AlN层、GaN层、AlGaN层、源极、栅极和漏极组成；其中蓝宝石衬底、AlN层、GaN层和AlGaN层自下而上依次叠放，源极、栅极和漏极则分布位于AlGaN层的上方；此外，所述栅极和漏极之间设有至少一个F离子处理形成的超级结区，该超级结区从AlGaN层的上表面一直嵌入延伸至AlGaN层的下部或GaN层的上部。该超级结区能使栅-漏极区域表面电场最初漂移区的一维分布扩展为二维分布、电场分布更加均匀，并使HEMT器件的栅-漏间距和导通电阻得以缩短和降低，提高器件的击穿电压。

上述超级结区最好分布在靠近栅极的一侧。

上述超级结区的横向宽度最好介于1～3um之间。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

1、本实用新型利用F离子在外延层中能够捕获其中的自由电子的特性，使栅-漏极区域F离子处理区域和未进行F离子处理的区域形成超级结，解决GaN HEMT器件由于GaN材料特性的原因难以形成超级结的问题。

2、通过在栅-漏极区域形成超级结，使栅-漏极区域表面电场最初漂移区的一维分布扩展为二维分布、电场分布更加均匀，使HEMT器件的栅-漏间距和导通电阻得以缩短和降低，提高器件的击穿电压，为制备高压、高功率GaN基HEMT器件制备提供一个新的实现方式。

3、相比其他提供击穿电源的方法，本实用新型可以充分利用成熟的硅工艺，制作工艺简单，有利于GaN材料和硅工艺平台的功能和系统集成。

附图说明

图1a～图1j为一种基于超级结的氮化镓HEMT器件的制作流程图。

图2为一种基于超级结的氮化镓HEMT器件的结构示意图。

具体实施方式

一种基于超级结的氮化镓HEMT器件的制备方法，包括如下步骤：

步骤1.清洗已激活Mg元素的蓝宝石衬底1，并在蓝宝石衬底片1上按顺序外延生长不掺杂的AlN层2、不掺杂的GaN层3；不掺杂的AlGaN层4，如图1a所示。其中，AlN层的生长厚度为350～450nm，GaN层的生长厚度为2～2.5um，AlGaN层的生长厚度为30～40nm。

步骤2.淀积SiO₂层10作为刻蚀掩膜层，如图1b所示。在本实施中，采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积法）进行淀积，温度控制在275+10℃以内，高低频率13.56MHz/384KHz交替生长总厚度为400～500nm的SiO₂层10。

步骤3.刻蚀形成台阶9和器件有源区，如图1c和2d所示。

3.1.使用IPA（超声波）、丙酮和去离子水清洗外延片；

3.2.涂光刻胶11、曝光、显影出有源区图形；HF（氟化氢）酸溶液漂去有源区以外区域的SiO₂层10，如图1c；再去掉外延片上光刻胶11。

3.3.使用SiO₂层10作为掩蔽层，在Cl₂（氯气）和He（氦气）混合气体环境下，干法刻蚀AlGaN层4和部分GaN层3，并与蓝宝石衬底1形成陡直的台阶9，台阶9高度为200～250nm，如图1d。

3.4.HF酸溶液漂去有源区残余SiO₂层10。

步骤4.形成源漏基欧姆接触金属极，如图1e和2f所示。

4.1.清洗外延片，涂光刻胶11、曝光、显影出源漏基欧姆接触金属极图形，如图1e；

4.2.采用电子束蒸发设备蒸发欧姆接触金属，其电子束蒸发设备腔体中真空为1E-6Pa。其中欧姆接触金属为Ti/Al/Pt/Au，蒸发的金属厚度为200A/1500A/500A/800A，上述“/”代表不同金属层的顺序。剥离金属，形成源金属极5和漏金属极6。如图1f。在N2气氛中，退火温度750～800度，退火时间50～80秒，形成欧姆接触。

步骤5.形成金属栅极，如图1g和2h所示。

步骤5.1.清洗外延片，涂光刻胶11、曝光、显影出金属栅极图形，如图1g；

步骤5.2.采用电子束蒸发设备蒸发金属，其腔体中真空为1E-6Pa，栅极金属为Ni/Au，蒸发金属厚度为500A/3000A，上述“/”代表不同金属层的顺序。剥离金属，形成金属栅极7，如图1h。

步骤6.形成超级结，如图1i和1j所示。

步骤6.1.依次使用丙酮、超声波和去离子水清洗外延片，涂光刻胶11、曝光、显影出栅极和漏极之间超级结8图形，如图1i。在靠近栅极处F离子处理形成超级结8，可以根据器件性能的要求，在栅-漏极区域形成一个或几个超级结8。超级结8图形与金属栅极7宽度的方向平行。F离子处理技术采用RIE设备，所用气源为CF₄（氟化碳）和N₂，RIE设备的功率为200～350W，离子处理时间为120～200秒。栅-漏极之间F离子处理区域的宽度为1～3um，形成超级结8，如图1j。

步骤7.为了修复由于F离子处理引起的晶格损伤，通过快速退火修复（RTA），采用温度为400～450℃，修复时间为5～10min。

采用上述方法制备的基于超级结的氮化镓HEMT器件，如图2所示，其主要由蓝宝石衬底1、AlN层2、GaN层3、AlGaN层4、源极5、漏极6、栅极7和超级结区8组成。其中蓝宝石衬底1、AlN层2、GaN层3、AlGaN层4、源极5、漏极6、栅极7结构与现有技术大体相同，即蓝宝石衬底1、AlN层2、GaN层3和AlGaN层4自下而上依次叠放，源极5、漏极6和栅极7则分布位于AlGaN层4的上方。所述超级结区8位于漏极6和栅极7之间，并由F离子处理形成。该超级结区8从AlGaN层4的上表面一直嵌入延伸至AlGaN层4的下部或GaN层3的上部。根据器件性能的要求，在栅-漏极区域形成一个或几个超级结。超级结区8分布在靠近栅极7的一侧，且超级结区8的横向宽度为1～3um。相对于常规的氮化镓HEMT器件，本实用新型具有导通电阻低、击穿电压高、开关反应速度快、功耗低和缓冲层漏电小的特点，可用于大功率电力电子开关、汽车电子、太阳能模块、电动车、雷达和制导等方面。

上述本实用新型一种基于超级结的氮化镓HE MT器件及其制备方法中，未提及的技术方案，均为本领域技术人员的公知技术，在此不做详述。

Claims (3)

1.基于超级结的氮化镓HEMT器件，其主要由蓝宝石衬底（1）、AlN层（2）、GaN层（3）、AlGaN层（4）、源极（5）、漏极（6）和栅极（7）组成；其中蓝宝石衬底（1）、AlN层（2）、GaN层（3）和AlGaN层（4）自下而上依次叠放，源极（5）、漏极（6）和栅极（7）则分布位于AlGaN层（4）的上方；其特征在于：所述漏极（6）和栅极（7）之间设有至少一个F离子处理形成的超级结区（8），该超级结区（8）从AlGaN层（4）的上表面一直嵌入延伸至AlGaN层（4）的下部或GaN层（3）的上部。

2.根据权利要求1所述基于超级结的氮化镓HEMT器件，其特征在于：超级结区（8）分布在靠近栅极（7）的一侧。

3.根据权利要求1所述基于超级结的氮化镓HEMT器件，其特征在于：超级结区（8）的横向宽度为1～3um。

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