一种具有侧壁场板的凸型栅增强型GaN基HEMT器件结构的制作方法

一种具有侧壁场板的凸型栅增强型gan基hemt器件结构
技术领域
1.本技术涉及电力电子技术领域，具体涉及一种具有侧壁场板的凸型栅增强型gan基hemt器件结构。


背景技术：

2.电力电子器件是电力电子技术的核心，目前已经被广泛应用于工业生产和社会生活中的诸多领域；随着全球环境和能源问题的日益突出，研究下一代高性能低损耗的功率开关器件是提高电能利用率、缓解全球能源危机的有效途径之一。
3.下一代功率开关器件要求器件具有好的稳定性、低的导通电阻、高的开关速率，并且从安全节能和简化电路设计方面考虑要求具备常关型(增强型)操作特点；下一代技术成熟的常关型功率开关器件将被广泛应用在电动汽车电机驱动、太阳能和风力发电的逆变器系统、轨道交通的功率变换等民用领域以及雷达发射接收装置和军舰上的大功率电力传输和变换装置等军用领域。
4.在电力电子器件领域，传统的硅(si)基功率器件性能已经接近材料的理论极限，以氮化镓(gan)和碳化硅(sic)为代表的下一代宽禁带半导体材料具有大带隙、高临界击穿电场、高饱和漂移速率等特点，极为适合制作高性能的新型电力电子器件；其中gan材料具有突出的特点，它的异质结结构(如algan/gan)界面存在高密度的极化电荷，可诱导出高密度的二维电子气(2deg)(》10
13
cm-1
)；由于沟道材料无故意掺杂，降低了电子在材料中受到杂质散射的概率，电子沟道中可以保持很高的电子迁移率(》1500cm2·
v-1
·
s-1
)；因此，gan材料适合制作高电子迁移率晶体管(hemt)，它的导通电阻只有sic器件的1/2～1/3，比si器件低三个数量级以上，因此具有更低的开关损耗和更优的频率特性。
5.为了实现gan材料hemt器件的常关型操作，目前常规的方法都是基于削弱或者抵消异质结界面处极化电荷所形成强电场的原理，主要有氟离子注入势垒层形成氟化栅以及栅极生长p型盖帽层等方案。将氟离子注入到势垒层中，使algan势垒层带负电从而排斥algan/gan界面处的2deg，实现沟道的阻断，因此该方案可以实现常关型操作，然而由于氟离子的热稳定性问题，器件在使用过程中的可靠性不足且对于大面积器件，其阈值电压均匀性不理想；栅极生长p型盖帽层方案是利用pn结的内建电场耗尽沟道中电子而实现的，器件沟道导电性能较好，但是高浓度的p型掺杂较难控制，外延片各位置浓度均匀性不完全一致，并且器件可承受的栅工作电压较小，较大的栅极工作电压易发生栅极漏电。
6.因此，需要提供一种新的技术方案来解决上述技术问题。


技术实现要素：

7.本技术所要解决的技术问题是：提供一种具有侧壁场板的凸型栅增强型gan基hemt器件，该器件结构通过沟道层与势垒层形成凸型栅结构，利用沟道层材料的非极性面，在势垒层/沟道层纵向接触面没有带正电的极化电荷诱导形成2deg，使得平衡态下器件沟道局部阻断而实现了常关型操作，并且可以获得均匀而稳定的阈值电压。
8.本实用新型包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、沟道层，所述沟道层为凸台型，凸台的顶部和下部平面上设有势垒层，所述凸台的外侧和势垒层的上部设有栅介质层，所述凸台顶部的栅介质层和凸台外侧的栅介质层的外侧设有栅电极，所述凸台下部的势垒层上设有源漏电极。
9.作为一种优选方案，所述凸台的高度为0.5—1μm。
10.作为一种优选方案，所述衬底的材质为蓝宝石、si、sic或gan。
11.作为一种优选方案，所述缓冲层的材质为aln。
12.作为一种优选方案，所述缓冲层的厚度为10—50nm。
13.作为一种优选方案，所述沟道层的材质为半绝缘gan，所述半绝缘gan电子浓度为10
15
cm-3
以下。
14.作为一种优选方案，所述沟道层的厚度为1—3μm。
15.作为一种优选方案，所述势垒层的材质为al
x
ga
1-x
n，式中元素组分x介于0和1之间。
16.作为一种优选方案，所述势垒层的厚度为30—100nm；
17.作为一种优选方案，所述栅介质层的材质为sio2、si3n4、al2o3或hfo2。
18.作为一种优选方案，所述栅介质层的厚度为10—300nm。
19.作为一种优选方案，所述源漏电极的材质为ti/al/ni/au；
20.作为一种优选方案，所述栅电极的材质为ni/au。
21.本实用新型包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、沟道层，所述沟道层为凸台型，沟道层的外侧依次设有势垒层、栅介质层，所述凸台外侧的栅介质层的外侧设有栅电极，所述凸台下部平面的势垒层上设有源漏电极。
22.作为一种优选方案，所述凸台的高度为0.5—1μm。
23.作为一种优选方案，所述衬底的材质为蓝宝石、si、sic或gan。
24.作为一种优选方案，所述缓冲层的材质为aln。
25.作为一种优选方案，所述缓冲层的厚度为10—50nm。
26.作为一种优选方案，所述沟道层的材质为半绝缘gan，所述半绝缘gan电子浓度为10
15
cm-3
以下。
27.作为一种优选方案，所述沟道层的厚度为1—3μm。
28.作为一种优选方案，所述势垒层的材质为al
x
ga
1-x
n，式中元素组分x介于0和1之间。
29.作为一种优选方案，所述势垒层的厚度为30—100nm；
30.作为一种优选方案，所述栅介质层的材质为sio2、si3n4、al2o3或hfo2。
31.作为一种优选方案，所述栅介质层的厚度为10—300nm。
32.作为一种优选方案，所述源漏电极的材质为ti/al/ni/au；
33.作为一种优选方案，所述栅电极的材质为ni/au。
34.本实用新型与现有技术相比，具有实质性特点和显著进步：实用新型利用沟道层材料体系的非极性面实现2deg沟道的阻断，实现了常关型操作，且器件阈值电压具有较好的重复性和均匀性；本发明采用半绝缘gan作为沟道层，故当hemt处于关断状态时，漏电流极小且可承受较大的电压而不击穿；本实用新型可操作性强，成本低，工艺简单可靠，适于
工业上的推广使用。
附图说明
35.图1为实施例3中，一种具有侧壁场板的凸型栅增强型gan基hemt器件结构示意图。
36.图2为实施案例1中，另一种具有侧壁场板的凸型栅增强型gan基hemt器件结构示意图。
37.图3为普通hemt器件在不同栅压下的正向工作i-v特性曲线。
38.图4为普通hemt器件在vd＝15v时的转移特性曲线。
39.图5为实施例3中具有侧壁场板的增强型hemt器件在不同栅压下的正向工作i-v特性曲线。
40.图6为实施例3中具有侧壁场板的增强型hemt器件在vd＝15v时的转移特性曲线。
41.其中：
42.101.衬底102.缓冲层103.沟道层104.势垒层105.栅介质层
43.106.栅电极107.源漏电极。
具体实施方式
44.以下结合附图1至附图6对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
45.现有技术中的普通hemt器件结构，其沿外延生长方向依次包括：衬底、缓冲层、沟道层、势垒层、栅介质层、栅电极和源漏电极；普通hemt器件采用负栅压来实现耗尽型操作，当无栅压时，器件处于导通状态。
46.实施例一：
47.本实施例包括衬底101，所述衬底101上依次设有缓冲层102、沟道层103，所述沟道层103为凸台型，凸台的顶部和凸台下部的平面上设有势垒层104，所述凸台侧壁和势垒层104的上部设有栅介质层105，所述凸台顶部的栅介质层105和凸台外侧的栅介质层105的外侧设有栅电极106，所述凸台下部的平面上的势垒层104上设有源漏电极107；即该hemt器件结构沿着外延生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、沟道层103、势垒层104、栅介质层105、栅电极106和源漏电极107，其中沟道层为凸台型；本实施例中凸台两侧无势垒层，凸台两侧的沟道层103与栅极介质层105接触。
48.优选地，所述衬底的材质为蓝宝石、si、sic或gan，但是不局限于上述材料。
49.优选地，所述缓冲层的材质为aln，更优选地，所述缓冲层的厚度为10—50nm。
50.优选地，所述沟道层的材质为半绝缘gan，所述半绝缘gan电子浓度为10
15
cm-3
以下，所述沟道层的厚度为1—3μm；更优选地，所述凸台的高度为0.5—1μm。
51.优选地，所述势垒层的材质为al
x
ga
1-x
n，式中元素组分x介于0和1之间，更优选地，所述势垒层的厚度为30—100nm；
52.优选地，所述栅介质层的材质为sio2、si3n4、al2o3或hfo2，更优选地，所述栅介质层的厚度为10—300nm。
53.优选地，所述源漏电极的材质为ti/al/ni/au；
54.优选地，所述栅电极的材质为ni/au。
55.实施例二：
56.本实施例提供了一种实施例一的制备方法，该方法的步骤如下：
57.第一步，在mocvd(金属有机化合物气相沉积)或者mbe(分子束外延)反应炉中，对衬底101进行高温900℃～1400℃烘烤，以除掉附着在衬底表面的异物；
58.第二步，在mocvd或者mbe反应炉中，在第一步处理后的衬底表面上外延生长厚度为10—50nm的缓冲层102；
59.第三步，在mocvd或者mbe反应炉中，在第二步得到的缓冲层上沉积厚度为1—3μm的沟道层103；
60.第四步，在第三步得到的沟道层中，通过光刻和干法刻蚀工艺制作凸台，凸台高度0.5—1μm；
61.第五步，在第四步得到的凸台造型的沟道层上继续外延生长势垒层104，厚度为30—100nm；
62.第六步，在第五步得到的势垒层上通过光刻及干法刻蚀，暴露出凸台两侧的沟道层；
63.第七步，在第六步得到的势垒层上蒸镀厚度为10～300nm的栅介质层105，其所用材质为sio2、si3n4、al2o3或hfo2；
64.第八步，在第七步得到的栅介质层105上通过光刻及干法刻蚀，暴露出势垒层104，形成源漏电极接触区；
65.第九步，通过光刻和金属蒸镀工艺，在第八步所得的源漏电极接触区制备出源漏电极107；
66.第十步，通过光刻和金属蒸镀工艺，在凸台外侧的栅介质层105的外侧制作出ni/au合金栅电极106。
67.由此得到实施例一所述的一种具有侧壁场板的凸型栅增强型gan基hemt器件结构。
68.实施例三：
69.本实施例与实施例一不同的地方在于，所述凸台外侧设有势垒层104；
70.具体为：本实施例包括衬底101，所述衬底101上依次设有缓冲层102、沟道层103，所述沟道层103为凸台型，沟道层103的外侧依次设有势垒层104、栅介质层105，所述凸台外侧的栅介质层105的外侧设有栅电极106，所述凸台下部平面上的势垒层104上设有源漏电极107。
71.由图3、图4可见，当栅极电压vg＝0v时，普通hemt器件可以实现最佳导通特性；当对栅极加负偏压时，普通hemt器件随负偏压增大而最终关断，即普通hemt是耗尽型的，其导电沟道是常开的；由图5、图6可见，当不对栅极加偏压时，所提出的hemt器件始终处于关断状态；当对栅极加正向偏压后，沟道随着正向偏压的增大最终完全开启，器件实现导通，即实现所提出的hemt器件的增强型操作。
72.实施例四：
73.本实施例提供了一种制备实施例三的制备方法，其制备方法如下：
74.第一步，在mocvd(金属有机化合物气相沉积)或者mbe(分子束外延)反应炉中，对衬底101进行高温(1100℃)烘烤，以除掉附着在衬底表面的异物；
75.第二步，在mocvd或者mbe反应炉中，在第一步处理后的衬底表面上外延生长厚度为50nm的缓冲层102；
76.第三步，在mocvd或者mbe反应炉中，在第二步得到的缓冲层上沉积厚度为1.5μm的半绝缘gan沟道层103；
77.第四步，在第三步得到的沟道层中，通过光刻和干法刻蚀工艺制作凸台，凸台高度0.5μm；
78.第五步，在第四步得到的凸台造型的沟道层上继续外延生长al
0.3
ga
0.7
n势垒层104，厚度为30nm；
79.第六步，在第五步得到的势垒层上蒸镀栅介质层105，其所用材质为sio2，厚度为20nm；
80.第七步，在第六步得到的栅介质层上通过光刻及干法刻蚀，暴露出al
0.3
ga
0.7
n势垒层，形成源漏电极接触区；
81.第八步，通过光刻和金属蒸镀工艺，在第七步所得的源漏电极接触区制备出ti/al/ni/au合金源漏电极107；
82.第九步，通过光刻和金属蒸镀工艺，在凸台外侧的栅介质层105的外侧制作出ni/au合金栅电极106。
83.上述实施例可以实现大阈值电压常关型操作，器件的阈值电压具有较好的重复性和均匀性，且在关断状态下漏电流极小并可承受较大的电压而不击穿；此外，本实用新型可操作性强，工艺简单，成本低，易于实现。
84.本实用新型利用非极性面直接切断栅极2deg沟道，利用栅极侧壁沟道实现开关控制，可以实现大阈值电压常关型操作，在关断状态下漏电流极小并有较高的击穿电压，并且由于阈值电压不受栅极区域刻蚀深度的影响，器件的阈值电压具有更好的重复性和均匀性。
85.上述未具体描述的装置、连接关系等均属于现有技术，本实用新型在此不做具体的赘述。
86.以上结合附图详细描述了本技术的优选方式，但是，本技术并不限于上述实施方式中的具体细节，在本技术的技术构思范围内，可以对本技术的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本技术的保护范围。
87.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本技术各种可能的组合方式不再另行说明。
88.此外，本技术的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本技术的思想，申请其同样应当视为本技术所公开的内容。