CN212380426U - 一种二维AlN/GaN HEMT射频器件 - Google Patents

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李国强
孙佩椰
王文樑
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Abstract

本实用新型公开了一种二维AlN/GaN HEMT射频器件，包括衬底、GaN沟道层、二维AlN势垒层、SiNX钝化层、漏金属电极、源金属电极和栅金属电极。本实用新型采用厚度仅为几个原子层的二维AlN层替代AlGaN势垒层，在提高异质结极化强度的同时，提高器件的纵横比，有利于实现器件频率和效率的同步提升。

Description

一种二维AlN/GaN HEMT射频器件
技术领域
本实用新型涉及半导体器件领域，具体涉及一种二维AlN/GaN HEMT射频器件。
背景技术
随着微波射频技术的进一步的发展，面对高温、高耐压、抗辐射、大功率、高效率、超带宽等工作条件的提出，已有的Si基、GaAs基功率器件已不能满足相应的性能要求，为了适应对未来微波功率器件的发展需要，从二十世纪九十年代开始，微波功率器件的研究重心开始转向宽禁带半导体材料器件。
第三代半导体材料III族氮化物具有禁带宽度大、击穿电压高、极化效应显著等特性，因此以AlGaN/GaN HEMT为代表的GaN基高电子迁移率晶体管器件具备高击穿电压、高功率、耐高温、高效率和大电流的特性，同时又有很好的微波特性，使得AlGaN/GaN HEMT器件在微波大功率应用中的地位日渐突出。对于毫米波器件，缩短器件栅长是提高器件电流增益截止频率和最高振荡频率的重要措施。目前，AlGaN/GaN HEMT器件的栅长已经缩短至纳米尺度，这导致器件出现明显的短沟道效应，造成栅调制效率降低、阈值电压漂移、输出电导增加等，严重影响AlGaN/GaN HEMT器件的电学性能和频率特性。而增大器件纵横比(栅长与金属栅到二维电子气沟道间距之比)能有效抑制短沟道效应，但为增大器件纵横比，则需减薄AlGaN势垒层厚度，而过薄的势垒层又会造成二维电子气浓度减小，影响器件的频率特性。为了解决这一矛盾，Ostermaier等人提出了采用2nm厚度的InAlN薄势垒层来代替传统的AlGaN势垒层，虽然能够有效抑制短沟道效应，但其极化强度不足，对器件的直流和频率特性造成影响。而Chung等人提出采用凹栅工艺降低栅下势垒层厚度以减小短沟道效应的影响，但刻蚀凹槽会对器件造成机械损伤，且刻蚀工艺稳定性差，同样会影响器件性能。因此，迫切需要一种有效方法，在增大器件纵横比的同时，保持良好的二维电子气特性，这对于实现高效毫米波器件具有重大意义。
实用新型内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型的目的是提供一种二维AlN/GaN HEMT射频器件。
本实用新型采用如下技术方案：
一种二维AlN/GaN HEMT射频器件，包括衬底、GaN沟道层、二维AlN势垒层、SiNX钝化层、漏金属电极、源金属电极和栅金属电极，其中：
所述衬底、GaN沟道层和二维AlN势垒层由下至上依次层叠；
所述SiNX钝化层覆盖在除源金属电极、漏金属电极及栅金属电极区域外的二维AlN势垒层上表面区域；
所述漏金属电极和源金属电极分别位于二维AlN势垒层上未被SiNX钝化层覆盖的两侧区域，漏金属电极和源金属电极与二维AlN势垒层之间形成欧姆接触；
所述栅金属电极位于二维AlN势垒层的中间区域，栅金属电极与二维AlN势垒层之间形成肖特基接触；
所述二维AIN势垒层的厚度为3～5nm，优选值是4nm。
所述栅金属电极为T型栅，栅长为50～200nm，优选值是100nm；
所述GaN沟道层的厚度为1～5μm，优选值是3nm；
所述SiNX钝化层的厚度为50～100nm，优选值是100nm；
所述漏金属电极和源金属电极由Ti、Al、Ni和Au四层金属组成；
所述栅金属电极由Ni和Au两层金属组成。
一种二维AlN/GaN HEMT射频器件的制备方法，包括如下步骤：
S1在衬底上外延生长GaN沟道层；
S2将石墨烯层转移至S1的外延层实现范德华力结合；
S3将S2获得外延片进行退火处理，获得原子级平整的表面；
S4将S3获得的外延片转移至MOCVD生长室内进行钝化处理及生长二维AlN势垒层；
S5将S4获得的外延片放进去离子水中超声去除二维AlN势垒层上的石墨烯；
S6在二维AIN势垒层上生长SiNX钝化层；
S7在SiNX钝化层上依次刻蚀源、漏金属电极及栅金属电极。
所述S1中外延生长GaN沟道层采用金属邮寄化学气相沉积进行生长制备，生长温度为850-950℃。
所述S2中，石墨烯转移，具体为：将石墨烯层释放到水中，利用除泡膜去除石墨烯表面的气泡，将除完气泡的石墨烯膜层转移至S1的外延层上；
所述S4中钝化处理，具体是在MOCVD生长室内通入H2，加热衬底温度至900～1000℃，打开石墨烯层并钝化衬底表面，其中H2流量保持为80～100sccm，通入H2的时间为5～10min。
所述生长二维AlN势垒层，具体为：在衬底温度为900～1000℃下，通入三甲基铝与NH3在衬底表面作用，使Al、N原子进入石墨烯层与外延层之间并反应形成AlN，保持TMAl流量为200～300sccm，NH3流量为10～30sccm，通入三甲基铝、NH3的时间均为40～60s。
所述SiNX钝化层采用等离子增强化学气相沉积生长制备，生长温度为230～320℃。
所述S3中，退火温度为950～1050℃，退火时间为0.5～1h。
所述S5中，超声功率为100W，超声时间为10-20min。
本实用新型的有益效果：
(1)本实用新型采用2D AlN替代AlGaN势垒层，由于量子限制效应，2D AlN带隙会因其厚度变薄而增大，同时与GaN之间存在较大的晶格失配，而受到较大的应力作用，因此在原子层厚度下产生的极化强度更强，可产生更高浓度和电子迁移率的二维电子气；
(2)本实用新型器件的2D AlN势垒层厚度仅为几个原子层，大大提高了器件的纵横比，有效抑制了栅极长度缩小带来的短沟道效应，有利于提升器件频率特性；
(3)本实用新型在提高器件纵横比的同时，提高了器件的二维电子气特性，有利于实现器件频率和效率的同步提升。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
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地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种二维AlN/GaN HEMT射频器件，包括衬底1、GaN沟道层2、二维AlN势垒层3、SiNX钝化层4、漏金属电极5、源金属电极6和栅金属电极7，其中：
所述衬底1、GaN沟道层2和二维AlN势垒层3由下至上依次层叠；
所述SiNX钝化层4覆盖在除源、漏、栅金属电极区域外的二维AlN势垒层3上表面区域；
所述漏金属电极5和源金属电极6分别位于二维AlN势垒层3上未被SiNX钝化层4覆盖的两侧区域，漏金属电极5和源金属电极6与二维AlN势垒层3之间形成欧姆接触；
所述栅金属电极7位于二维AlN势垒层3上未被SiNX钝化层覆盖的中间区域，栅金属电极7与二维AlN势垒层3之间形成肖特基接触。
本实施例的二维AlN/GaN HEMT射频器件制备方法如下：
S1在碳化硅衬底上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)进行外延生长1μm GaN沟道层，其生长温度为850℃；
S2，将石墨烯层转移至S1的外延层上实现范德华力结合，具体为：将石墨烯层释放到水中，利用除泡膜去除石墨烯表面的气泡，将除完气泡的石墨烯膜层转移至S1的外延层上；
S3，将S2所得的外延片进行退火处理，获得原子级平整的表面，其退火温度为950℃，退火时间为1h；
S4，将S3所得的外延片转移至MOCVD生长室内进行钝化处理及生长二维AlN势垒层，具体为：在MOCVD生长室内通入H2，加热衬底温度至900℃，H2流量保持为80sccm，通入H2的时间为10min，从而打开石墨烯层并钝化衬底表面；然后在衬底温度为900℃下，通入(三甲基铝)TMAl与NH3在衬底表面作用，使Al、N原子进入石墨烯层与外延层之间并反应形成AlN，保持TMAl流量为200sccm，NH3流量为10sccm，通入TMAl、NH3的时间均为40s，得厚度为3nm的二维AlN层；
S5，将S4所得的外延片放进去离子水中超声去除二维AlN层上的石墨烯，超声功率为100W，超声时间为10min；
S6，采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)在S5所得的外延片上生长50nm SiNX钝化层，生长温度为230℃；
S7，对S6所得的外延片进行光刻，暴露出源、漏金属电极区域，经过化学腐蚀处理去除源、漏金属电极区域下的SiNX钝化层后，具体为：采用质量分数比为HF:HN4F＝1:7的缓冲氧化物刻蚀剂(BOE)溶液浸泡100s；再进行蒸镀Ti/Al/Ni/Au金属、剥离、退火，形成漏、源金属电极，具体的退火工艺为：退火气氛为N2，退火温度为800℃，保温时间为40s，升温速率为15℃/s；
S8，对S7所得的外延片进行光刻，暴露出栅金属电极区域，经过S7同样的化学腐蚀处理去除栅金属电极区域下的SiNX钝化层；
S9，对S8所得的外延片再次进行光刻，暴露出栅金属的场板区域，通过蒸镀Ni/Au金属、剥离，形成T型栅金属电极，其中栅长为50nm。
实施例2
图1所示的结构，具体制备方法如下：
S1，在碳化硅衬底上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)进行外延生长3μm GaN沟道层，其生长温度为900℃；
S2，将石墨烯层转移至S1的外延层上实现范德华力结合，具体为：将石墨烯层释放到水中，利用除泡膜去除石墨烯表面的气泡，将除完气泡的石墨烯膜层转移至S1的外延层上；
S3，将S2所得的外延片进行退火处理，获得原子级平整的表面，其退火温度为1000℃，退火时间为0.5h；
S4，将S3所得的外延片转移至MOCVD生长室内进行钝化处理及生长二维AlN势垒层，具体为：在MOCVD生长室内通入H2，加热衬底温度至950℃，H2流量保持为90sccm，通入H2的时间为10min，从而打开石墨烯层并钝化衬底表面；然后在衬底温度为950℃下，通入(三甲基铝)TMAl与NH3在衬底表面作用，使Al、N原子进入石墨烯层与外延层之间并反应形成AlN，保持TMAl流量为250sccm，NH3流量为20sccm，通入TMAl、NH3的时间均为50s，得厚度为4nm的二维AlN层；
S5，将S4所得的外延片放进去离子水中超声去除二维AlN层上的石墨烯，超声功率为100W，超声时间为15min；
S6，采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)在S5所得的外延片上生长80nm SiNX钝化层，生长温度为300℃；
S7，对S6所得的外延片进行光刻，暴露出源、漏金属电极区域，经过化学腐蚀处理去除源、漏金属电极区域下的SiNX钝化层后具体为：采用质量分数比为HF:HN4F＝1:6的缓冲氧化物刻蚀剂(BOE)溶液浸泡80s；再进行蒸镀Ti/Al/Ni/Au金属、剥离、退火，形成漏、源金属电极，具体的退火工艺为：退火气氛为N2，退火温度为850℃，保温时间为30s，升温速率为15℃/s；
S8，对S7所得的外延片进行光刻，暴露出栅金属电极区域，经过S7同样的化学腐蚀处理去除栅金属电极区域下的SiNX钝化层；
S9，对S8所得的外延片再次进行光刻，暴露出栅金属的场板区域，通过蒸镀Ni/Au金属、剥离，形成T型栅金属电极，其中栅长为100nm。
实施例3
本实施例的一种2D AlN/GaN HEMT射频器件，其结构示意图如图1所示。包括：衬底1、GaN沟道层2、二维AlN势垒层3、SiNX钝化层4、漏金属电极5、源金属电极6和栅金属电极7，其中：
所述衬底1、GaN沟道层2和二维AlN势垒层3由下至上依次层叠；
所述SiNX钝化层4覆盖在除源、漏、栅金属电极区域外的二维AlN势垒层3上表面区域；
所述漏金属电极5和源金属电极6分别位于二维AlN势垒层3上未被SiNX钝化层4覆盖的两侧区域，漏金属电极5和源金属电极6与二维AlN势垒层3之间形成欧姆接触；
所述栅金属电极7位于二维AlN势垒层3上未被SiNX钝化层覆盖的中间区域，栅金属电极7与二维AlN势垒层3之间形成肖特基接触。
本实施例的二维AlN/GaN HEMT射频器件通过如下方法制备：
S1，在硅衬底上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)进行外延生长5μm GaN沟道层，其生长温度为950℃；
S2，将石墨烯层转移至S1的外延层上实现范德华力结合，具体为：将石墨烯层释放到水中，利用除泡膜去除石墨烯表面的气泡，将除完气泡的石墨烯膜层转移至S1的外延层上；
S3，将S2所得的外延片进行退火处理，获得原子级平整的表面，其退火温度为1050℃，退火时间为0.5h；
S4，将S3所得的外延片转移至MOCVD生长室内进行钝化处理及生长二维AlN势垒层，具体为：在MOCVD生长室内通入H2，加热衬底温度至1000℃，H2流量保持为100sccm，通入H2的时间为5min，从而打开石墨烯层并钝化衬底表面；然后在衬底温度为1000℃下，通入(三甲基铝)TMAl与NH3在衬底表面作用，使Al、N原子进入石墨烯层与外延层之间并反应形成AlN，保持TMAl流量为300sccm，NH3流量为30sccm，通入TMAl、NH3的时间均为60s，得厚度为5nm的二维AlN层；
S5，将S4所得的外延片放进去离子水中超声去除二维AlN层上的石墨烯，超声功率为100W，超声时间为20min；
S6，采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)在S5所得的外延片上生长100nm SiNX钝化层，生长温度为320℃；
S7，对S6所得的外延片进行光刻，暴露出源、漏金属电极区域，经过化学腐蚀处理去除源、漏金属电极区域下的SiNX钝化层后，经过化学腐蚀处理去除栅金属电极区域下的SiNX钝化层,具体为：采用质量分数比为HF:HN4F＝1:5的缓冲氧化物刻蚀剂(BOE)溶液浸泡50s；再进行蒸镀Ti/Al/Ni/Au金属、剥离、退火，形成漏、源金属电极，具体的退火工艺为：退火气氛为N2，退火温度为900℃，保温时间为20s，升温速率为20℃/s；
S8，对S7所得的外延片进行光刻，暴露出栅金属电极区域，经过步骤7同样的化学腐蚀处理去除栅金属电极区域下的SiNX钝化层；
S9，对S8所得的外延片再次进行光刻，暴露出栅金属的场板区域，通过蒸镀Ni/Au金属、剥离，形成T型栅金属电极，其中栅长为200nm。
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 (6)

1.一种二维AlN/GaN HEMT射频器件，其特征在于，包括衬底、GaN沟道层、二维AlN势垒层、SiNX钝化层、漏金属电极、源金属电极和栅金属电极，其中：
所述衬底、GaN沟道层和二维AlN势垒层由下至上依次层叠；
所述SiNX钝化层覆盖在除源金属电极、漏金属电极及栅金属电极区域外的二维AlN势垒层上表面区域；
所述漏金属电极和源金属电极分别位于二维AlN势垒层上未被SiNX钝化层覆盖的两侧区域，漏金属电极和源金属电极与二维AlN势垒层之间形成欧姆接触；
所述栅金属电极位于二维AlN势垒层的中间区域，栅金属电极与二维AlN势垒层之间形成肖特基接触；
所述二维AlN势垒层的厚度为3～5nm。
2.根据权利要求1所述的一种二维AlN/GaN HEMT射频器件，其特征在于，所述栅金属电极为T型栅，栅长为50～200nm。
3.根据权利要求1所述的一种二维AlN/GaN HEMT射频器件，其特征在于，所述GaN沟道层的厚度为1～5μm。
4.根据权利要求1所述的一种二维AlN/GaN HEMT射频器件，其特征在于，所述SiNX钝化层的厚度为50～100nm。
5.根据权利要求1所述的一种二维AlN/GaN HEMT射频器件，其特征在于，所述漏金属电极和源金属电极由Ti、Al、Ni和Au四层金属组成。
6.根据权利要求1所述的一种二维AlN/GaN HEMT射频器件，其特征在于，所述栅金属电极由Ni和Au两层金属组成。
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