基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件及其制备方法，包括衬底、GaN沟道层、GaN/AlN超晶格结构层、p型GaN/AlN掺杂层、MgO栅绝缘层、漏金属电极、源金属电极和栅金属电极；本发明利用超晶格结构的微带效应及固体热扩散法，增强势垒层中的p型掺杂效率，简单高效地实现了高性能的增强型GaN HEMT器件。

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件及其制备方法。

背景技术

基于GaN及相关Ⅲ族氮化物材料(AlN、InN)的HEMT器件是目前化合物半导体电子器件的研究热点。与第二代半导体GaAs相比，GaN具有宽禁带、临界击穿电场高、电子饱和速度高、热导率高、抗辐照能力强等优势，因此GaN HEMT具有优异的高频、耐压、耐高温、耐恶劣环境特性，被大量应用在射频微波以及功率开关等领域。

AlGaN/GaN异质结界面处的自发极化及压电极化，使得常见的AlGaN/GaN异质结之间能够产生浓度大约为10

目前实现商业化增强型GaN HEMT器件的主流方法是p型栅技术。p型栅是通过在栅极和势垒层之间插入p型氮化物，将异质结的导带底提高费米能级之上，从而实现增强型。由于p型栅增强型器件不需要对栅进行额外工艺处理，不存在栅不稳定性问题，可靠性高，因此成为了GaN功率器件商业化的首选结构。但p型栅增强型器件仍面临刻蚀损伤和p型掺杂难度高等问题。由于选区外延技术难度较大，因此目前p型栅主要通过原位生长p-GaN/AlGaN/GaN，再将栅外区域的p-GaN刻蚀完全所得，故器件对刻蚀精度要求很高，而且无法避免对器件造成损伤。同时，p型GaN掺杂(通常采用受主Mg)浓度低，受主激活率也不高，因此无法充分耗尽栅下2DEG，难以实现高阈值电压。此外，p型栅还存在栅控能力弱及栅极漏电较大等一系列问题，制约了功率器件的进一步推广应用。因此，亟需寻求一种新型的技术手段以简单高效的实现增强型GaN HEMT器件。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件及其制备方法。本发明利用GaN/AlN超晶格结构所具有的微带效应来降低受主Mg的激活能，通过固体热扩散对栅下区域的GaN/AlN超晶格结构层进行p型掺杂，与下方材料形成pn结，耗尽栅下的二维电子气，从而实现增强型器件。

本发明采用如下技术方案：

一种基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件，包括衬底、GaN沟道层、GaN/AlN超晶格结构层、p型GaN/AlN掺杂层、MgO栅绝缘层、漏金属电极、源金属电极和栅金属电极；

所述衬底、GaN沟道层及GaN/AlN超晶格结构层由下至上依次层叠；

所述GaN/AlN超晶格结构层是由GaN势阱层、AlN势垒层交替周期性生长构成；

所述MgO栅绝缘层及p型GaN/AlN掺杂层依次位于栅金属电极下方，所述p型GaN/AlN掺杂层位于GaN/AlN超晶格结构层中；

所述漏金属电极和源金属电极分别位于GaN/AlN超晶格势垒层的两侧区域，漏金属电极和源金属电极与GaN/AlN超晶格势垒层之间形成欧姆接触；

所述栅金属电极位于MgO栅绝缘层的上方区域，栅金属电极与MgO栅绝缘层和超晶格势垒层形成金属-绝缘层-半导体结构。

进一步，在GaN/AlN超晶格结构层中，AlN势垒层位于GaN沟道层上方。

进一步，所述GaN/AlN超晶格结构层的总厚度为20～30nm，周期厚度为3～6nm，周期数为4～10周期。

进一步，所述p型GaN/AlN掺杂层的厚度为5～30nm。

进一步，所述MgO栅绝缘层的厚度为20～100nm。

进一步，利用GaN/AlN超晶格结构所具有的微带效应来降低受主Mg的激活能，通过固体热扩散对栅下区域的GaN/AlN超晶格结构层进行p型掺杂，与下方材料形成pn结，耗尽栅下的二维电子气，从而实现增强型器件。

一种增强型GaN HEMT器件的制备方法，包括如下：

S1在衬底上分别外延GaN沟道层、GaN/AlN超晶格结构层；

S2在S1中得的外延片上光刻，暴露出栅金属电极区域；

S3在S2所得的外延片上蒸镀金属Mg后，进行剥离、退火；

S4将S3所得的外延片进行表面氧化处理，在超晶格势垒层表面形成MgO栅绝缘层；

S5对S4所得的外延片进行光刻，暴露出源、漏金属电极区域后，进行蒸镀、剥离、退火，形成漏、源金属电极；

S6对S5所得的外延片再次进行光刻，暴露出栅金属电极区域，通过蒸镀、剥离，形成栅金属电极。

进一步，所述S1中采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)进行生长制备，生长温度为850～1000℃。

进一步，金属Mg厚度为30～100nm，退火温度为600～800℃，退火时间为30～120s。

进一步，所述氧化处理具体为：在快速退火炉中通入空气，加热至200～400℃，并保持60～120s后随炉冷却。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用GaN/AlN超晶格结构的微带效应来降低受主激活能，同时利用固体热扩散避免Mg和氢原子中和形成Mg-H复合物，有效解决了Ⅲ族氮化物p型掺杂困难的问题。

(2)本发明的制备方法无须用到刻蚀工艺，因此不存在传统p型栅器件刻蚀精度要求高的问题，也避免了刻蚀造成的器件损伤、可靠性下降等问题。

(3)本发明将掺杂后表面残留的金属镁氧化形成了MgO栅绝缘层，MgO的介电常数高达9.8，能够有效抑制栅极漏电流。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件测得的转移特性曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例1的基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件，其结构示意图如图1所示。包括：衬底1、GaN沟道层2、超晶格结构层中的AlN势垒层3、超晶格结构层中的GaN势阱层4、p型GaN/AlN掺杂层5、MgO栅绝缘层6、源金属电极7、漏金属电极8、栅金属电极9，其中：

所述衬底1、GaN沟道层2、GaN/AlN超晶格结构层由下至上依次层叠；

所述的GaN/AlN超晶格结构层是由AlN势垒层3和GaN势阱层4交替周期性生长组成的，其中AlN势垒层3位于GaN沟道层2上方。

所述p型GaN/AlN掺杂层5位于栅金属电极9区域下方的GaN/AlN超晶格结构层中。

所述MgO栅绝缘层6位于p型GaN/AlN掺杂层5的上方区域。

所述源金属电极7和漏金属电极8分别位于GaN/AlN超晶格结构层的两侧区域，与GaN/AlN超晶格结构层之间形成欧姆接触。

所述栅金属电极9位于MgO栅绝缘层6的上方区域，栅金属电极9与MgO栅绝缘层6和超晶格结构层形成MIS(金属-绝缘层-半导体)结构。

本实施例的基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件通过如下方法制备：

步骤1，采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)在衬底上分别外延GaN沟道层、GaN/AlN超晶格结构层，生长温度为850℃；

步骤2，在步骤1所得的外延片上光刻，暴露出栅金属电极区域；

步骤3，在步骤2所得的外延片上蒸镀30nm的金属Mg后进行剥离，并在600℃的真空环境下退火120s；

步骤4，将步骤3所得的外延片进行表面氧化处理，在200℃的大气环境中保持120s，在超晶格势垒层表面形成MgO栅绝缘层；

步骤5，对步骤4所得的外延片进行光刻，暴露出源、漏金属电极区域后，进行蒸镀、剥离、退火，形成漏、源金属电极；

步骤6，对步骤5所得的外延片再次进行光刻，暴露出栅金属电极区域，通过蒸镀、剥离，形成栅金属电极。

实施例1制备所得的基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件测得的器件转移特性曲线如图2所示，所得器件阈值电压为0.48V，在栅极电压为3V时，输出饱和电流密度为278mA/mm，器件实现增强型。

实施例2

本实施例2的基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件，其结构示意图如图1所示。包括：衬底1、GaN沟道层2、超晶格结构层中的AlN势垒层3、超晶格结构层中的GaN势阱层4、p型GaN/AlN掺杂层5、MgO栅绝缘层6、源金属电极7、漏金属电极8、栅金属电极9，其中：

所述衬底1、GaN沟道层2、GaN/AlN超晶格结构层由下至上依次层叠；

所述的GaN/AlN超晶格结构层是由AlN势垒层3和GaN势阱层4交替周期性生长组成的，其中AlN势垒层3位于GaN沟道层2上方；

所述p型GaN/AlN掺杂层5位于栅金属电极9区域下方的GaN/AlN超晶格结构层中；

所述MgO栅绝缘层6位于p型GaN/AlN掺杂层5的上方区域；

所述源金属电极7和漏金属电极8分别位于GaN/AlN超晶格结构层的两侧区域，与GaN/AlN超晶格结构层之间形成欧姆接触；

所述栅金属电极9位于MgO栅绝缘层6的上方区域，栅金属电极9与MgO栅绝缘层6和超晶格结构层形成MIS(金属-绝缘层-半导体)结构。

本实施例的基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件通过如下方法制备：

步骤1，采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)在衬底上分别外延GaN沟道层、GaN/AlN超晶格结构层，生长温度为950℃；

步骤2，在步骤1所得的外延片上光刻，暴露出栅金属电极区域；

步骤3，在步骤2所得的外延片上蒸镀60nm的金属Mg后进行剥离，并在700℃的真空环境下退火90s；

步骤4，将步骤3所得的外延片进行表面氧化处理，在300℃的大气环境中保持90s，在超晶格势垒层表面形成MgO栅绝缘层；

步骤5，对步骤4所得的外延片进行光刻，暴露出源、漏金属电极区域后，进行蒸镀、剥离、退火，形成漏、源金属电极；

步骤6，对步骤5所得的外延片再次进行光刻，暴露出栅金属电极区域，通过蒸镀、剥离，形成栅金属电极。

实施例2制备得到的基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件的转移特性曲线结果与实施例1类似，可参照图2。

实施例3

本实施例的基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件，其结构示意图如图1所示。包括：衬底1、GaN沟道层2、超晶格结构层中的AlN势垒层3、超晶格结构层中的GaN势阱层4、p型GaN/AlN掺杂层5、MgO栅绝缘层6、源金属电极7、漏金属电极8、栅金属电极9，其中：

所述衬底1、GaN沟道层2、GaN/AlN超晶格结构层由下至上依次层叠。

所述的GaN/AlN超晶格结构层是由AlN势垒层3和GaN势阱层4交替周期性生长组成的，其中AlN势垒层3位于GaN沟道层2上方。

所述p型GaN/AlN掺杂层5位于栅金属电极9区域下方的GaN/AlN超晶格结构层中。

所述MgO栅绝缘层6位于p型GaN/AlN掺杂层5的上方区域。

所述源金属电极7和漏金属电极8分别位于GaN/AlN超晶格结构层的两侧区域，与GaN/AlN超晶格结构层之间形成欧姆接触。

所述栅金属电极9位于MgO栅绝缘层6的上方区域，栅金属电极9与MgO栅绝缘层6和超晶格结构层形成MIS(金属-绝缘层-半导体)结构。

本实施例的基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件通过如下方法制备：

步骤1，采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)在衬底上分别外延GaN沟道层、GaN/AlN超晶格结构层，生长温度为1000℃。

步骤2，在步骤1所得的外延片上光刻，暴露出栅金属电极区域。

步骤3，在步骤2所得的外延片上蒸镀60nm的金属Mg后进行剥离，并在800℃的真空环境下退火30s。

步骤4，将步骤3所得的外延片进行表面氧化处理，在400℃的大气环境中保持60s，在超晶格势垒层表面形成MgO栅绝缘层。

步骤5，对步骤4所得的外延片进行光刻，暴露出源、漏金属电极区域后，进行蒸镀、剥离、退火，形成漏、源金属电极。

步骤6，对步骤5所得的外延片再次进行光刻，暴露出栅金属电极区域，通过蒸镀、剥离，形成栅金属电极。

实施例3制备得到的基于超晶格结构的增强型GaN HEMT器件的转移特性曲线结果与实施例1类似，可参照图2。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明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发明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，都包含在本发明的保护范围之内。