CN209515674U - 具有三明治结构的GaN-HEMT器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有三明治结构的GaN‑HEMT器件，所述GaN‑HEMT器件包括外延层和电极，所述外延层包括GaN沟道层和Al_yGa_1‑yN势垒层，并自上而下排布；所述电极包括栅电极、源电极、漏电极和场板电极，场板电极和栅电极分别制作于外延层的上表面和下表面，场板电极延伸超过外延层的区域与栅电极相连接形成三明治结构，源电极和漏电极分别位于所述外延层的两端。在保证导电沟道完整性的同时，使器件的导电沟道受到下栅极和上场板的场效应控制。具有三明治结构的GaN‑HEMT器件提高了器件的击穿电压和栅压摆幅，提高了器件的线性度和耐压性能。

Description

具有三明治结构的GaN-HEMT器件

技术领域

本实用新型涉及高电子迁移率晶体管（HEMT），特别涉及一种具有三明治结构的GaN-HEMT器件。

背景技术

电力电子器件广泛应用于家用电器、工业设备、汽车电源等众多领域。新一代电力电子器件要求具有更高的效率、更高的功率密度和高温工作环境下更高的可靠性，这就要求器件具有更低的导通电阻、更高的饱和电流和更优化的材料体系。目前，电力电子器件中普遍采用硅基的功率器件，如MOSFET和IGBT。但是硅基电子电力器件经过长期的发展，性能以及趋于其材料的理论极限，新一代电力电子器件的面临着高压、高频和小体积等巨大的挑战。第三代半导体材料GaN具有禁带宽度大、饱和电子迁移速度高、化学性质稳定等优点。因此，基于GaN材料的电力电子器件具有导通电阻小、开关速度快、耐压高、耐高温性能好等优点。GaN高电子迁移率晶体管是一种基于GaN材料的电力电子器件，通过外延形成AlGaN/GaN异质结，经过极化电场的调制作用，在异质界面处，即使在未人为掺杂的情况下，也能形成面密度达10¹³cm^-2的二维电子气，由于材料没有掺杂，在二维平面内电子在GaN中的迁移率超过2000cm²/Vs。这使得GaN-HEMT具有低导通电阻和高工作频率的特点。能够满足新一代电力电子器件对更大功率、更高频率、更小体积和高温工作条件的要求，可应用于AC/DC,DC/DC变换器，DC/AC电动机驱动器和光伏发电等。由于Si衬底具有价格低廉、工艺成熟、直径大等优点，目前Si衬底上制备GaN-HEMT成为研究热点。

然而，无论是单指栅小电流GaN-HEMT器件还是多指栅大电流器件，目前大多数工艺均采用传统的源漏电极之间的单栅条结构和场板结构，这使得二维电子气只能在单个方向上受到场效应限制，从而限制了器件的击穿电压提升和线性度的进一步降低。针对这一问题，产业界和某些研究机构已经采取鳍式结构制作出了Fin-FET结构，具有该结构的GaN-HEMT器件虽然提高了器件的栅压摆幅和线性度，但是以牺牲栅下有效导电沟道层宽度为代价的，这种方法降低了击穿电压和功率密度，同时纳米级光刻增加了器件制备的操作难度。所以，开发一种简单、高效、稳定方法，同时提高GaN-HMET的击穿电压和栅压摆幅，增强器件的线性度和耐压性能，依然十分必要。

实用新型内容

为了克服现有技术的缺点与不足，进一步提高GaN-HMET器件的击穿电压和栅压摆幅，本实用新型的目的在于提供一种具有三明治结构的GaN-HEMT器件，实现GaN功率器件的高线性度和高击穿特性。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案。

本实用新型提供了具有三明治结构的GaN-HEMT器件，所述GaN-HEMT器件包括外延层和电极，所述外延层包括GaN沟道层和Al_yGa_1-yN势垒层，所述GaN沟道层和Al_yGa_1-yN势垒层自上而下排布；所述电极包括栅电极、源电极、漏电极和场板电极，场板电极和栅电极分别制作于外延层的上表面和下表面，场板电极延伸至超过外延层的区域与栅电极相连接形成三明治结构，源电极和漏电极分别位于所述外延层的两端。

优选地，所述沟道层的厚度为100~300nm。

优选地，所述Al_yGa_1-yN势垒层的厚度为20~30nm，y=0.2~0.3。

优选地，在Al_yGa_1-yN势垒层表面对应的源电极和漏电极区域沉积Ti/Al/Ni/Au金属电极，制备源电极和漏电极，所述源电极和漏电极与外延层之间形成欧姆接触。

优选地，在Al_yGa_1-yN势垒层表面的栅电极区域，沉积Ni/Au金属电极，制备栅电极，所述栅电极与外延层之间形成肖特基接触。

优选地，在GaN沟道层的表面上和栅电极相对的位置处沉积Ni/Au金属层，制备场板电极。

优选地，所述Ti/Al/Ni/Au金属电极中Ti金属层的厚度为10~20nm，Al金属层的厚度为60~150nm，Ni金属层的厚度为30~60nm，Au金属层的厚度为50~100nm。

优选地， Ni/Au金属电极Ni金属层的厚度为30~100nm，Au金属层的厚度为50~100nm。

优选地，所述场板电极和栅电极连接，形成肖特基接触。

优选地，所述Ni/Au金属层中Ni金属层的厚度为50~200nm，Au金属层的厚度为50~200nm。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

本实用新型制备的具有三明治结构的GaN-HEMT器件，AlGaN/GaN异质结界面2DEG受到下栅极和上场板的场效应控制，提高了器件的击穿电压和栅压摆幅，提高了器件的线性度和耐压性能。

附图说明

图1为本实用新型的实施例在外延硅衬底上依次生长外延缓冲层、GaN沟道层和Al_0.25Ga_0.75N势垒层后的结构示意图；

图2为本实用新型的实施例的外延片上制备了栅电极、源电极、漏电极后的结构示意图；

图3为本实用新型的实施例的进行了外延缓冲层刻蚀的晶圆衬底转移后的结构示意图；

图4为本实用新型的实施例的通孔刻蚀后，引出电极和制备完三明治结构的HEMT器件截面示意图；

图5为本实用新型的实施例的具有三明治结构HEMT器件的部分三维示意图；

附图中1-Al_0.25Ga_0.75N势垒层；2-GaN沟道层；3-外延缓冲层；4-外延硅衬底；5-漏电极； 6-栅电极；7-源电极；8-二氧化硅钝化膜层；9-键合硅衬底；10-场板电极。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例提供了一种具有三明治结构的GaN-HEMT器件，所述GaN-HEMT器件包括外延层和电极，所述外延层包括150nm 的GaN沟道层2和25nm的 Al_0.25Ga_0.75N势垒层1，并自上而下排布；所述电极包括栅电极6、源电极7、漏电极5和场板电极10，场板电极10和栅电极6分别制作于外延层的上表面和下表面，场板电极10延伸至超过外延层的区域与栅电极6相连接形成三明治结构，源电极7和漏电极5分别位于所述外延层的两端。在Al_0.25Ga_0.75N势垒层1表面对应的源电极7和漏电极5区域沉积Ti/Al/Ni/Au金属电极，制备源电极7和漏电极5，所述源电极7和漏电极5与外延层之间形成欧姆接触。所述Ti/Al/Ni/Au金属电极中Ti金属层的厚度为15 nm，Al金属层的厚度为100 nm，Ni金属层的厚度为45 nm，Au金属层的厚度为60 nm。

在Al_0.25Ga_0.75N势垒层表面的栅电极区域，沉积Ni/Au金属电极，制备栅电极6，所述栅电极6与外延层之间形成肖特基接触。Ni/Au金属电极Ni金属层的厚度为60 nm，Au金属层的厚度为100 nm。

在GaN沟道层2的表面和栅电极6相对的位置处沉积Ni（100 nm）/Au（100 nm）金属层，制备场板电极10。所述场板电极10和栅电极6连接，形成肖特基接触。

以下是本实施例所提供的具有三明治结构的GaN-HEMT器件的制备方法，包括以下制备步骤：

(1)采用MOCVD在外延硅衬底4上依次生长外延缓冲层3、GaN沟道层2和Al_0.25Ga_0.75N势垒层1，结构如图1所示，包括：由150nm 的AlN和1.5μm 的C掺杂高阻GaN层组成的外延缓冲层3，150nm的非人为掺杂GaN沟道层2，25nm的 Al_0.25Ga_0.75N势垒层1，得外延片；

(2)采用光刻和ICP刻蚀技术在所述外延片的表面制备多层光刻步骤所需的对准标记，为了使标记点在衬底转移后还能清晰可见，标记点的刻蚀深度为700nm；

(3)根据所述刻蚀标记点，在外延片的表面对应区域光刻出HEMT源电极和漏电极图案，并采用电子束蒸发镀膜的方法沉积Ti/Al/Ni/Au金属电极，然后对外延片进行快速高温退火，形成欧姆接触电极。退火温度为840℃，退火时间为30s；

(4)对所述制备了欧姆接触电极的外延片进行光刻，光刻胶盖住器件区域，然后采用ICP刻蚀的方法对器件区域进行台面隔离，隔离刻蚀深度为150nm；

(5)在所述台面隔离后的外延片表面相应区域光刻出HEMT的栅电极区域，并采用电子束蒸发镀膜的方法沉积Ni/Au金属电极，制备栅电极6，形成肖特基电极，此时器件截面示意图如图2所示；

(6)采用PECVD的方法，在所述制备了栅电极6的晶圆表面生长一层二氧化硅钝化膜层8，厚度为1.5μm;

(7)将所述经过钝化处理的晶圆通过金属热压键合的方式与键合硅衬底9键合在一起，具体步骤为在钝化晶圆表面沉积Ni/Au/Sn/Au多金属层，在键合硅衬底9表面沉积Ti/Au/Sn/Au多金属层，然后将两金属层粘合在一起，放入热压键合机中热压粘牢，键合气压为2E-3Pa，键合温度为300℃，键合压力为3.5kBar,键合时间为15min；

(8)将所述键合完成的晶圆放入机械减薄机，对外延硅衬底4进行研磨减薄，控制减薄厚度，剩余40μm外延硅衬底4，然后放入体积比为3：1：1的硝酸/氢氟酸/醋酸混酸溶液中浸泡8min，（其中硝酸、氢氟酸和醋酸是以市售购得）完全去除外延硅衬底4，暴露出外延缓冲层的AlN；

(9)将所述暴露出的外延缓冲层的AlN采用ICP刻蚀至C掺杂高阻GaN层，保留C掺杂高阻GaN层0.7μm，得进行了外延缓冲层刻蚀的晶圆，如图3所示；

(10)将所述进行了外延缓冲层刻蚀的晶圆进行光刻，在源电极7、漏电极5、栅电极6对应区域暴露出开孔刻蚀区域，采用ICP技术进行电极开孔刻蚀，然后采用电子束蒸发镀膜的方法沉积Ni/Au引线电极，同时在外延层的上表面和栅电极相对的位置沉积Ni/Au金属层，制备场板电极10，形成具有三明治结构的GaN-HEMT器件。最终器件的截面图如图4所示，三明治结构三维示意图如图5所示。

本实施例制备的具有三明治结构的GaN-HEMT功率器件，通过半导体分析仪三端测试，与相同尺寸的平面结构器件相比，击穿电压由530V提升至650V，栅压摆幅从3V提升至6V。

实施例2

本实施例提供了一种具有三明治结构的GaN-HEMT器件，所述GaN-HEMT器件包括外延层和电极，所述外延层包括150nm 的GaN沟道层2和25nm的 Al_0.25Ga_0.75N势垒层1，并自上而下排布；所述电极包括栅电极6、源电极7、漏电极5和场板电极10，场板电极10和栅电极6分别制作于外延层的上表面和下表面，场板电极10延伸超过外延层的区域与栅电极6相连接形成三明治结构，源电极7和漏电极5分别位于所述外延层两端。在Al_0.25Ga_0.75N势垒层1表面对应的源电极7和漏电极5区域沉积Ti/Al/Ni/Au金属电极，制备源电极7和漏电极5，所述源电极7和漏电极5与外延层之间形成欧姆接触。所述Ti/Al/Ni/Au金属电极中Ti金属层的厚度为15nm，Al金属层的厚度为100nm，Ni金属层的厚度为45nm，Au金属层的厚度为60nm。

在Al_0.25Ga_0.75N势垒层1表面的栅电极区域，沉积Ni/Au金属电极，制备栅电极6，所述栅电极6与外延层之间形成肖特基接触。Ni/Au金属电极Ni金属层的厚度为60nm，Au金属层的厚度为100nm。

在GaN沟道层2的表面和栅电极6相对的位置处沉积Ni（100nm）/Au（100nm）金属层，制备场板电极10。所述场板电极10和栅电极6连接，形成肖特基接触。

以下是本实施例所提供的具有三明治结构的GaN-HEMT器件的制备方法，包括以下制备步骤：

(1)采用MOCVD在外延硅衬底4上依次生长外延缓冲层3、GaN沟道层2和Al_0.25Ga_0.75N势垒层1，结构如图1所示，包括：由150nm 的AlN和1.5μm 的C掺杂高阻GaN层组成的外延缓冲层3，150nm的非人为掺杂GaN沟道层2，25nm的 Al_0.25Ga_0.75N势垒层1，得外延片；

(2)采用光刻和ICP刻蚀技术在所述外延片的表面制备多层光刻步骤所需的对准标记，为了使标记点在衬底转移后还能清晰可见，标记点的刻蚀深度为700nm；

(3)根据所述刻蚀标记点，在外延片的表面对应区域光刻出HEMT源电极和漏电极图案，并采用电子束蒸发镀膜的方法沉积Ti/Al/Ni/Au金属电极，然后对外延片进行快速高温退火，制备源电极7和漏电极5，形成欧姆接触电极。退火温度为840℃，退火时间为30s；

(4)对所述制备了欧姆接触电极的外延片进行光刻，光刻胶盖住器件区域，然后采用ICP刻蚀的方法对器件区域进行台面隔离，隔离刻蚀深度为150nm;

(5)在所述台面隔离后的外延片表面相应区域光刻出HEMT的栅电极区域，并采用电子束蒸发镀膜的方法沉积Ni/Au金属电极，制备栅电极6，形成肖特基电极，此时器件截面示意图如图2所示；

(6)采用PECVD的方法，在所述制备了栅电极的晶圆表面生长一层二氧化硅钝化膜层8，厚度为1μm;

(7)将所述经过钝化处理的晶圆通过金属热压键合的方式与键合硅衬底9键合在一起，具体步骤为在钝化晶圆表面沉积Ni/Au/Sn/Au多金属层，在键合硅衬底9表面沉积Ti/Au/Sn/Au多金属层，然后将两金属层粘合在一起，放入热压键合机中热压粘牢，键合气压为2E-3Pa，键合温度为300℃，键合压力为3.5kBar,键合时间为15min；

(8)将所述键合完成的晶圆放入机械减薄机，对外延硅衬底进行研磨减薄，控制减薄厚度，剩余40μm外延硅衬底4，然后放入体积比为3：1：1的硝酸/氢氟酸/醋酸混酸溶液中浸泡8min，（其中硝酸、氢氟酸和醋酸是以市售购得），完全去除外延硅衬底4，暴露出外延缓冲层3的AlN；

(9)将所述暴露出的外延缓冲层3的AlN采用ICP刻蚀至C掺杂高阻GaN层，保留C掺杂高阻GaN层0.7μm，得进行了外延缓冲层3刻蚀的晶圆，如图3所示；

(10)将所述进行了外延缓冲层刻蚀的晶圆进行光刻，在源电极7、漏电极5、栅电极6对应区域暴露出开孔刻蚀区域，采用ICP技术进行电极开孔刻蚀，然后采用电子束蒸发镀膜的方法沉积Ni/Au引线电极，同时在外延层的上表面和栅电极6相对的位置沉积Ni/Au金属层，制备场板电极10，形成具有三明治结构的GaN-HEMT器件。最终器件的截面图如图4所示，三明治结构三维示意图如图5所示。

本实施例制备的具有三明治结构的GaN-HEMT功率器件，通过半导体分析仪三端测试，与相同尺寸的平面结构器件相比，击穿电压由530V提升至589V，栅压摆幅从3V提升至5.8V。

实施例3

本实施例提供了一种具有三明治结构的GaN-HEMT器件，所述GaN-HEMT器件包括外延层和电极，所述外延层包括150nm 的GaN沟道层2和25nm的 Al_0.25Ga_0.75N势垒层1，并自上而下排布；所述电极包括栅电极6、源电极7、漏电极5和场板电极10，场板电极10和栅电极6分别制作于外延层的上表面和下表面，场板电极10延伸超过外延层的区域与栅电极6相连接形成三明治结构，源电极7和漏电极5分别位于所述外延层的两端。在Al_0.25Ga_0.75N势垒层1表面对应的源电极7和漏电极5区域沉积Ti/Al/Ni/Au金属电极，制备源电极7和漏电极5，所述源电极7和漏电极5与外延层之间形成欧姆接触。所述Ti/Al/Ni/Au金属电极中Ti金属层的厚度为15nm，Al金属层的厚度为100nm，Ni金属层的厚度为45nm，Au金属层的厚度为60nm。

在Al_0.25Ga_0.75N势垒层1表面的栅电极区域，沉积Ni/Au金属电极，制备栅电极6，所述栅电极6与外延层之间形成肖特基接触。Ni/Au金属电极Ni金属层的厚度为60nm，Au金属层的厚度为100nm。

在GaN沟道层2的表面和栅电极6相对的位置处沉积Ni（100nm）/Au（100nm）金属层，制备场板电极10。所述场板电极10和栅电极6连接，形成肖特基接触。

以下是本实施例所提供的具有三明治结构的GaN-HEMT器件的制备方法，包括以下制备步骤：

(1) 采用MOCVD在外延硅衬底4上依次生长外延缓冲层3、GaN沟道层2和Al_0.25Ga_0.75N势垒层1，结构如图1所示，包括：由150nm 的AlN和1.5μm 的C掺杂高阻GaN层组成的外延缓冲层3，150nm的非人为掺杂GaN沟道层2，25nm的 Al_0.25Ga_0.75N势垒层1，得外延片；

(2)采用光刻和ICP刻蚀技术在所述外延片的表面制备多层光刻步骤所需的对准标记，为了使标记点在衬底转移后还能清晰可见，标记点的刻蚀深度为700nm；

(3)根据所述刻蚀标记点，在外延片的表面对应区域光刻出HEMT源电极和漏电极图案，并采用电子束蒸发镀膜的方法沉积Ti/Al/Ni/Au金属电极，然后对外延片进行快速高温退火，制备源电极7和漏电极5，形成欧姆接触电极。退火温度为840℃，退火时间为30s；

(4)对所述制备了欧姆接触电极的外延片进行光刻，光刻胶盖住器件区域，然后采用ICP刻蚀的方法对器件区域进行台面隔离，隔离刻蚀深度为150nm;

(5)在所述台面隔离后的外延片表面相应区域光刻出HEMT的栅电极区域，并采用电子束蒸发镀膜的方法沉积Ni/Au金属电极，制备栅电极6，形成肖特基电极，此时器件截面示意图如图2所示；

(6)采用PECVD的方法，在所述制备了栅电极的晶圆表面生长一层二氧化硅钝化膜层8，厚度为2μm;

(7)将所述经过钝化处理的晶圆通过金属热压键合的方式与键合硅衬底9键合在一起，具体步骤为在钝化晶圆表面沉积Ni/Au/Sn/Au多金属层，在键合硅衬底9表面沉积Ti/Au/Sn/Au多金属层，然后将两金属层粘合在一起，放入热压键合机中热压粘牢，键合气压为2E-3Pa，键合温度为300℃，键合压力为3.5kBar,键合时间为15min；

(8)将所述键合完成的晶圆放入机械减薄机，对外延硅衬底4进行研磨减薄，控制减薄厚度，剩余40μm外延硅衬底4，然后放入体积比为3：1：1的硝酸/氢氟酸/醋酸混酸溶液中浸泡8min，（其中硝酸、氢氟酸和醋酸是以市售购得），完全去除外延硅衬底4，暴露出外延缓冲层的AlN；

(9)将所述暴露出的外延缓冲层3的AlN采用ICP刻蚀至C掺杂高阻GaN层，保留C掺杂高阻GaN层0.7μm，得进行了外延缓冲层3刻蚀的晶圆，如图3所示；

(10)将所述进行了外延缓冲层3刻蚀的晶圆进行光刻，在源电极7、漏电极5、栅电极6对应区域暴露出开孔刻蚀区域，采用ICP技术进行电极开孔刻蚀，然后采用电子束蒸发镀膜的方法沉积Ni/Au引线电极，同时在外延层的上表面和栅电极6相对的位置沉积Ni/Au金属层，制备场板电极10，形成具有三明治结构的GaN-HEMT器件。最终器件的截面图如图4所示，三明治结构三维示意图如图5所示。

本实施例制备的具有三明治结构的GaN-HEMT功率器件，通过半导体分析仪三端测试，与相同尺寸的平面结构器件相比，击穿电压由530V提升至670V，栅压摆幅从3V提升至5.7V。

本实用新型采用衬底转移技术实现器件结构的倒装，从而实现器件的三明治结构，在保证导电沟道完整性的同时，提高了栅电极对二维电子气的控制作用，提高了击穿电压和栅压摆幅。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有三明治结构的GaN-HEMT器件，其特征在于，所述GaN-HEMT器件包括外延层和电极，所述外延层包括GaN沟道层和Al_yGa_1-yN势垒层， y为0.2~0.3；所述GaN沟道层和Al_yGa_1-yN势垒层自上而下排布；所述电极包括栅电极、源电极、漏电极和场板电极，场板电极和栅电极分别制作于外延层的上表面和下表面，场板电极延伸至超过外延层的区域与栅电极相连接形成三明治结构，源电极和漏电极分别位于所述外延层的两端。

2.根据权利要求1所述的具有三明治结构的GaN-HEMT器件，其特征在于，所述沟道层的厚度为100~300 nm。

3.根据权利要求1所述的具有三明治结构的GaN-HEMT器件，其特征在于，所述Al_yGa_1-yN势垒层的厚度为20~30 nm。

4.根据权利要求1所述的具有三明治结构的GaN-HEMT器件，其特征在于，在Al_yGa_1-yN势垒层表面对应的源电极和漏电极区域沉积Ti/Al/Ni/Au金属电极，制备源电极和漏电极，所述源电极和漏电极与外延层之间形成欧姆接触。

5.根据权利要求1所述的具有三明治结构的GaN-HEMT器件，其特征在于，在Al_yGa_1-yN势垒层表面的栅电极区域，沉积Ni/Au金属电极，制备栅电极，所述栅电极与外延层之间形成肖特基接触。

6.根据权利要求1所述的具有三明治结构的GaN-HEMT器件，其特征在于，在GaN沟道层的表面上和栅电极相对的位置处沉积Ni/Au金属层，制备场板电极。

7.根据权利要求4所述的具有三明治结构的GaN-HEMT器件，其特征在于，所述Ti/Al/Ni/Au金属电极中Ti金属层的厚度为10~20 nm，Al金属层的厚度为60~150 nm，Ni金属层的厚度为30~60 nm，Au金属层的厚度为50~100 nm。

8.根据权利要求5所述的具有三明治结构的GaN-HEMT器件，其特征在于， Ni/Au金属电极Ni金属层的厚度为30~100 nm，Au金属层的厚度为50~100 nm。

9.根据权利要求6所述的具有三明治结构的GaN-HEMT器件，其特征在于，所述场板电极和栅电极连接，形成肖特基接触。

10.根据权利要求6所述的具有三明治结构的GaN-HEMT器件，其特征在于，所述Ni/Au金属层中Ni金属层的厚度为50~200nm，Au金属层的厚度为50~200nm。