一種勢壘層組分漸變的InAlN/GaN HEMT器件的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種勢壘層組分漸變的InAlN/GaN HEMT器件。該器件包括襯底材料上依次形成的GaN成核層，GaN緩沖層，AlN插入層，In組分漸變InAlN勢壘層，GaN帽層，SiN鈍化層以及其上形成的柵極、源極和漏極，其特征是底層In0.17Al0.83N勢壘與GaN材料形成晶格匹配，通過逐層增加In組分，增加極化效應(yīng)產(chǎn)生的二維電子氣濃度，提高器件的飽和電流和輸出功率。本實(shí)用新型在減少異質(zhì)界面形成線性位錯(cuò)和抑制逆壓電效應(yīng)的同時(shí)，有效提高了InAlN/GaN HEMT器件的電學(xué)性能。
【專利說明】
一種勢壘層組分漸變的丨nAIN/GaN HEMT器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體功率器件制造領(lǐng)域，尤其涉及一種勢皇層組分漸變的InAlN/GaN HEMT器件。
【背景技術(shù)】
[0002]與傳統(tǒng)窄禁帶半導(dǎo)體相比，以GaN為代表的寬禁帶III族氮化物半導(dǎo)體具有高擊穿電場、高電子飽和速度與高熱穩(wěn)定性等優(yōu)越的電學(xué)特性。尤其是壓電與自發(fā)極化效應(yīng)顯著的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，能在界面處誘導(dǎo)高濃度的二維電子氣(2DEG)，是HEMT的核心結(jié)構(gòu)。目前，已報(bào)道的AlGaN/GaN HEMT的截止頻率超過10GHz，最大輸出功率接近10W/mm。但是，由于AlGaN和GaN兩種材料之間存在晶格失配，材料生長過程中會(huì)引入的大量的線性位錯(cuò)，導(dǎo)致器件漏電流比理論值大很多。很多針對(duì)AlGaN/GaN HEMT柵反向漏電流電流的研究指出，異質(zhì)界面之間的線性位錯(cuò)是其漏電流的主要輸運(yùn)通道。除此之外，因晶格失配引起的逆壓電效應(yīng)也被認(rèn)為是造成AlGaN/GaN HEMT諸多可靠性問題的主要原因。因此，減少異質(zhì)界面形成的線性位錯(cuò)和抑制甚至消除勢皇層逆壓電效應(yīng)對(duì)提高器件性能十分重要。
[0003]目前，最有效的一種解決辦法是在GaN外延片上直接生長與之晶格匹配的In0.17AlQ.83N勢皇層。盡管沒有壓電極化效應(yīng)，其強(qiáng)自發(fā)極化也能夠在異質(zhì)界面誘發(fā)大量的2DEG，提供較大的飽和電流和輸出功率。但是，研究表明勢皇層材料組分改變可以明顯影響異質(zhì)界面誘發(fā)的2DEG濃度。而2DEG濃度的高低直接影響形成器件的飽和電流和輸出功率的高低。而組分固定的晶格匹配結(jié)構(gòu)將勢皇層In組分固定為0.17，該組分獲得的2DEG濃度并不是最高。很明顯，為了實(shí)現(xiàn)晶格匹配，組分固定晶格匹配結(jié)構(gòu)在器件的部分電學(xué)性能方面未能達(dá)到最佳。
[0004]本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)上的不足，提供一種勢皇層組分漸變的InAlN/GaN HEMT器件。實(shí)現(xiàn)底層In0.nAl0.83N勢皇與GaN材料晶格匹配、減少異質(zhì)界面形成線性位錯(cuò)和抑制逆壓電效應(yīng)的同時(shí)，通過提高其他層勢皇的In組分，增強(qiáng)自發(fā)極化效應(yīng)產(chǎn)生的2DEG濃度，提高器件的飽和電流和輸出功率。該器件結(jié)構(gòu)減少異質(zhì)界面形成的線性位錯(cuò)和抑制逆壓電效應(yīng)的同時(shí)，提高了器件的飽和電流和輸出功率。不僅考慮了器件的可靠性，同時(shí)提升了器件的電學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的旨在提供一種勢皇層組分漸變的InAlN/GaN HEMT器件，該器件采用底層In0.17A1q.83N勢皇與GaN材料實(shí)現(xiàn)晶格匹配，通過逐漸增加勢皇層In組分，增加極化效應(yīng)產(chǎn)生的2DEG濃度，提高器件的飽和電流和輸出功率。
[0006]本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種勢皇層組分漸變的InAlN/GaNHEMT器件，主要包括襯底材料上依次形成的GaN成核層，GaN緩沖層，AlN插入層，In組分漸變InAlN勢皇層，GaN帽層，鈍化層以及其上形成的柵極、源極和漏極。該結(jié)構(gòu)中，襯底材料為Si，SiC，藍(lán)寶石或者GaN; GaN成核層厚度為30nm; GaN緩沖層為非故意摻雜，厚度為3μπι; AlN插入層厚度為5nm; InAlN勢皇分為3-6層，每層厚度為2-5nm。底層勢皇In組分為0.17，與GaN實(shí)現(xiàn)晶格匹配，其余勢皇層In組分逐漸增加，頂層組分不不超過0.32，例如:0.17，0.20，0.23，0.26，0.29，0.32;6&_胃層厚度為211111;鈍化層為3丨13丨02，或者3丨必4，厚度為15011111;源極和漏極為歐姆接觸金屬采用Ti/Al/Ti/Au，厚度分別為30nm，120nm，50nm，10nm;柵極金屬采用Ni/Au，厚度分別為50nm，300nm ；
[0008]本發(fā)明提供的這種勢皇層組分漸變的InAlN/GaN HEMT器件，底層In0.nAl0.ssN勢皇與GaN材料實(shí)現(xiàn)晶格匹配，有效減少材料生長過程中異質(zhì)界面形成的線性位錯(cuò)，同時(shí)抑制了異質(zhì)界面處的逆壓電效應(yīng)。在保證器件的可靠性前提下，通過逐漸改變勢皇層In的組分，進(jìn)一步提高了器件的飽和電流和輸出功率。本發(fā)明對(duì)于GaN基HEMT器件的制備和提高其電學(xué)性能具有重要的意義。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明勢皇層組分漸變的InAlN/GaNHEMT器件的層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2是勢皇層組分固定的的InAlN/GaNHEMT器件的層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖3是勢皇層組分漸變和組分固定的兩種InAlN/GaNHEMT器件的Id-Vg曲線；
[0012]圖4是勢皇層組分漸變和組分固定的兩種InAlN/GaN HEMT器件的Id-Vd曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。
[0014]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0015]本發(fā)明提供的這種勢皇層組分漸變的InAlN/GaNHEMT器件，包括襯底材料上依次形成的GaN成核層，GaN緩沖層，AlN插入層，In組分漸變InAlN勢皇層，GaN帽層，鈍化層以及其上形成的柵極、源極和漏極。
[0016]勢皇層組分漸變的InAlN/GaNHEMT器件層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。襯底材料為Si，SiC，藍(lán)寶石或者GaN5GaN成核層厚度為30nm;GaN緩沖層為非故意摻雜，厚度為3μπι;Α1Ν插入層厚度為5nm; InAlN勢皇分為3-6層，每層厚度為2-5nm。底層勢皇In組分為0.17，與GaN實(shí)現(xiàn)晶格匹配，其余勢皇層In組分逐漸增加，頂層組分不不超過0.32，例如:0.17，0.20，0.23，
0.26，0.29，0.32;6&_冒層厚度為211111;鈍化層為3^3丨02，或者3丨必4，厚度為15011111;源極和漏極為歐姆接觸金屬采用Ti/Al/Ti/Au，厚度分別為30nm，120nm，50nm，10nm;柵極金屬采用Ni/Au，厚度分別為50nm，300nm;勢皇層組分固定的InAlN/GaN HEMT器件層結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其勢皇層In組分固定，厚度為30nm。制備過程為采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法在襯底材料上逐步生長GaN成核層，GaN緩沖層，AlN插入層，In組分漸變InAlN勢皇層，GaN帽層，通過光刻工藝和電子束蒸發(fā)工藝定義電極結(jié)構(gòu)，最后生長鈍化層來減少表面橫向漏電流。值得注意的是，勢皇層的In組分和厚度的改變對(duì)2DEG的濃度具有一定的影響。隨著勢皇層In組分和厚度增加，極化效應(yīng)誘發(fā)的2DEG濃度也不斷增加。但是，若組分過大，則會(huì)引起勢皇層應(yīng)變馳豫，令異質(zhì)結(jié)的材料特性惡化。因此，本發(fā)明勢皇層的組分和厚度需要分別控制在低于0.32和低于30nm范圍內(nèi)。除此之外，勢皇層組分和厚度控制能夠獲得較高的2DEG迀移率值。這是由于當(dāng)勢皇層組分和厚度增加時(shí)會(huì)引起2DEG密度增大、分布變窄且更靠近異質(zhì)界面造成各種散射作用發(fā)生變化，反而會(huì)降低2DEG濃度。同樣條件下，相比于組分固定的InAlN/GaN HEMT器件，本發(fā)明提出的勢皇層組分漸變InAlN/GaN HEMT具有更大的飽和電流，其輸出功率更高(如圖3和4所示)。
[0017]本發(fā)明采用底層Ιηο.πΑΙο.S3N勢皇與GaN材料實(shí)現(xiàn)晶格匹配，通過逐漸增加勢皇層In組分，增強(qiáng)異質(zhì)界面的自發(fā)極化效應(yīng)誘發(fā)的2DEG濃度，來提高了飽和電流和輸出功率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)InAlN/GaN HEMT電學(xué)性能的提升。由此，該結(jié)構(gòu)有助于GaN基功率器件的制備及其電學(xué)性能的提升。對(duì)于AlGaN/GaN HEMT器件，晶格失配引起的異質(zhì)界面線性位錯(cuò)和逆壓電效應(yīng)對(duì)嚴(yán)重影響其工作時(shí)的可靠性。而實(shí)現(xiàn)了晶格匹配的In0.nAl0.83N/GaN HEMT，由于In組分被固定在0.17，其電學(xué)性能還有進(jìn)一步提升的空間。本發(fā)明通過采用底層111().141().8必勢皇與GaN材料實(shí)現(xiàn)晶格匹配，通過逐漸增加勢皇層In組分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)InAlN/GaN HEMT電學(xué)性能的進(jìn)一步提升。同時(shí)，控制每層In組分變化較小，減少勢皇層之間形成的線性位錯(cuò)和抑制逆壓電效應(yīng)，通過分別控制勢皇層In組分和勢皇層厚度，獲得最佳的電學(xué)性能。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果:在保證器件的可靠性前提下，通過逐漸改變勢皇層In的組分，進(jìn)一步提高了器件的飽和電流和輸出功率。
[0018]最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種勢皇層組分漸變的InAlN/GaN HEMT器件，其特征在于:該器件包括襯底材料上依次形成的GaN成核層，GaN緩沖層，AlN插入層，In組分漸變InAlN勢皇層，GaN帽層，鈍化層以及其上形成的柵極、源極和漏極，底層勢皇In組分為0.17，實(shí)現(xiàn)與GaN的晶格匹配，其余勢皇層In組分逐漸增加，頂層組分不超過0.32ο2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的勢皇層組分漸變的InAlN/GaNHEMT器件，其特征在于，所述襯底材料為Si，SiC，藍(lán)寶石或者GaN。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的勢皇層組分漸變的InAlN/GaNHEMT器件，其特征在于，InAlN勢皇分為3-6層，每層厚度為2-5nm，總厚度在18nm-30nm范圍內(nèi)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的勢皇層組分漸變的InAlN/GaNHEMT器件，其特征在于，所述鈍化層為SiN，Si02，或者Si3N4。
【文檔編號(hào)】H01L29/20GK205666237SQ201620479048
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日
【發(fā)明人】任艦, 顧曉峰, 閆大為
【申請(qǐng)人】江南大學(xué)