CN113178480A - 具有栅漏复合阶梯场板结构的增强型hemt射频器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有栅漏复合阶梯场板结构的增强型HEMT射频器件及其制备方法，其通过在势垒层表面设置一p型GaN区域，将栅极设置于该p型GaN区域上，进而在p型GaN区域朝向漏极的侧墙上布置栅极阶梯场板，在漏极朝向p型GaN区域的侧墙上布置漏极阶梯场板，阶梯场板包含至少两个子场板，子场板的宽度由上至下逐渐减小，其通过栅漏复合阶梯场板的设置，改变了栅极靠近漏极一侧以及漏极靠近栅极一侧的电场分布并且提高栅漏之间的平均电场强度，提升了器件的耐压性能和可靠性；栅极下方设置一p‑GaN区域，结合栅漏复合阶梯场板结构，使得的增强型HEMT射频器件具有更小的栅漏电容，表现出更高的截止频率。
Description
技术领域
本发明涉及增强型HEMT射频器件领域，尤其涉及一种具有栅漏复合阶梯场板结构的增强型HEMT射频器件及其制备方法。
背景技术
GaN属于宽禁带半导体材料，由于其饱和电子漂移速度大、击穿电场强度高，还可与AlGaN形成异质结，并在该结构界面处形成高饱和速率的二维电子气。因此，GaN材料的器件能够适应极高频率场景下的应用。
然而目前使用凹槽栅法制作增强型HEMT器件居多，通过减薄或者完全去除栅区AlGaN层来降低该区二维电子气浓度，同时保留接入区的二维电子气。完全去除栅区AlGaN层可以增大器件的阈值电压，但同时也会导致器件的电子迁移率低、导通电阻大。尽管通过减薄可以缓解这一问题，然而由于薄层AlGaN的存在，栅区存在一定浓度的二维电子气造成阈值电压较小。另一方面目前射频器件的的击穿电压等性能无法满足目前超高频领域的需求，通过场板的设置可以改变电极附近的电场分布进而来改善器件整体的电学性能，如何通过场板的设置进一步提升器件的性能，是亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明的首要目的是提供一种具有栅漏复合阶梯场板结构的增强型HEMT射频器件极其制备方法，该器件通过在AlGaN势垒层表面设置一p型GaN区域，将栅极设置于该p型GaN区域上，进而在p型GaN区域朝向漏极一侧的侧墙上布置栅极阶梯场板，在漏极朝向p型GaN区域一侧的侧墙上布置漏极阶梯场板，阶梯场板包含至少两个子场板，子场板的宽度由上至下逐渐减小，其通过改变电极附近的电场分布改善了射频器件整体的电学性能，改变了栅极靠近漏极一侧以及漏极靠近栅极一侧的电场分布并且提高栅漏之间的平均电场强度，从而使得射频器件的耐压性能更强，提升了器件的可靠性；另一方面，栅极下方设置一p-GaN区域，借助p-GaN/n-AlGaN的内建电场来提高异质结界面处2DEG的势阱，使其处于费米能级之上，在零栅压下即可耗尽2DEG，实现常关特性。结合栅漏复合阶梯场板结构，使得的增强型HEMT射频器件具有更小的栅漏电容，表现出更高的截止频率，该设置使得射频器件更能适应超高频领域的各种应用。本发明至少采用如下技术方案：
具有栅漏复合阶梯场板结构的增强型HEMT射频器件，其包括：衬底，依次层叠于衬底上的缓冲层、沟道层和势垒层，源极和漏极位于所述势垒层表面两侧，p型GaN区域和栅极依次层叠于源极和漏极之间的势垒层表面；还包括，
包含至少两个栅极子场板的栅极阶梯场板，位于所述势垒层表面，邻接所述p型GaN区域朝向漏极的侧壁布置；
包含至少两个漏极子场板的漏极阶梯场板，位于所述势垒层表面，邻接所述漏极朝向所述p型GaN区域的侧壁布置；
其中，沿源极指向漏极的方向上，远离所述势垒层表面侧的所述子场板的宽度大于靠近所述势垒层表面的所述子场板的宽度。
所述栅极阶梯场板包含依次层叠的第一栅极子场板、第二栅极子场板和第三栅极子场板，第一栅极子场板位于所述势垒层表面，第三栅极子场板远离所述势垒层，第二栅极子场板位于第一栅极子场板和第三栅极子场板之间。
第一、第二和第三栅极子场板的总厚度等于p型GaN区域的厚度。
所述漏极阶梯场板包含依次层叠的第一漏极子场板、第二漏极子场板和第三漏极子场板，第一漏极子场板远离所述势垒层，第三漏极子场板位于所述势垒层表面，第二漏极子场板位于第一漏极子场板和第三漏极子场板之间。
第一、第二和第三漏极子场板的总厚度等于漏极的厚度。
所述源极与所述p型GaN区域及栅极之间、所述栅极阶梯场板与所述漏极阶梯场板之间布置有钝化层。
所述阶梯场板的厚度优选10nm。
优选地，所述势垒层为Al0.25Ga0.75N层，其厚度优选15nm。
优选地，所述缓冲层为Al0.11Ga0.89N层，其厚度优选20nm。
本发明还提供一种具有栅漏复合阶梯场板结构的增强型HEMT射频器件的制备方法，包含以下步骤：
在衬底上依次外延生长缓冲层、沟道层和势垒层；
在所述势垒层上沉积钝化层，刻蚀所述钝化层形成栅极窗口；
在所述栅极窗口外延生长p型GaN区域；
在所述p型GaN区域的上方形成栅极；
形成源极和漏极；
刻蚀栅极和漏极之间的钝化层，沿p型GaN区域朝向漏极的侧壁一侧和沿漏极朝向p型GaN区域的侧壁一侧分别形成邻接p型GaN区域栅极阶梯场板窗口和邻接漏极的漏极阶梯场板窗口；
在所述栅极阶梯场板窗口形成栅极阶梯场板，在所述漏极阶梯场板窗口形成漏极阶梯场板；
沉积加厚钝化层。
附图说明
图1是本发明一实施例的具有栅漏复合阶梯场板结构的增强型HEMT射频器件的剖面结构示意图。
具体实施方式
接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从公开商业途径获得。下面来对本发明做进一步详细的说明。
本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。特别的，本说明书中，无特别说明的情况下，厚度指垂直于衬底方向上的尺寸；宽度指源极指向漏极或者漏极指向源极方向上的尺寸。
另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。
本发明一实施例提供一种具有栅漏复合阶梯场板结构的增强型HEMT射频器件，如图1所示，该器件包括衬底101，衬底优选Si(111)衬底，也可以选用其它合适的衬底；和依次层叠于衬底101上的缓冲层102、沟道层103和势垒层104，缓冲层102优选Al0.11Ga0.89N层，其厚度优选20nm；沟道层103优选GaN层，其厚度优选15nm；势垒层104优选Al0.25Ga0.75N，其厚度优选15nm；GaN沟道层和Al0.25Ga0.85N势垒层界面上形成二维电子气2DEG层，电子流经该层形成导电沟道。
该器件还包括，位于势垒层104上的源极110和漏极111，位于源极110和漏极111之间的p型GaN区域105，以及位于p型GaN区域105上的栅极106，p型GaN区域105与漏极111之间布置有栅极阶梯场板和漏极阶梯场板，栅极阶梯场板和漏极阶梯场板布置于势垒层111表面。优选地，p型GaN区域105的宽度等于栅极106的宽度。
栅极阶梯场板包含至少两个栅极子场板，沿邻接p型GaN区域105朝向漏极111的侧壁布置。进一步地，沿源极110指向漏极111的方向上，远离势垒层104表面侧的栅极子场板的宽度大于靠近势垒层104表面的栅极子场板的宽度。优选地，栅极阶梯场板包含依次层叠的第一栅极子场板107、第二栅极子场板108和第三栅极子场板109，第一栅极子场板107位于势垒层104表面，第三栅极子场板109远离势垒层104，第二栅极子场板108位于第一栅极子场板107和第三栅极子场板109之间。该优选实施方式中，第一、第二和第三栅极子场板的总厚度等于p型GaN区域的厚度。
漏极阶梯场板包含至少两个漏极子场板，沿邻接漏极111朝向p型GaN区域105的侧壁布置。进一步地，沿源极110指向漏极111的方向上，远离势垒层104表面侧的漏极子场板的宽度大于靠近势垒层104表面的漏极子场板的宽度。优选地，漏极阶梯场板包含依次层叠的第一漏极子场板112、第二漏极子场板113和第三漏极子场板114，第一漏极子场板112位于势垒层104表面，第三漏极子场板114远离势垒层104，第二漏极子场板113位于第一漏极子场板112和第三漏极子场板114之间。该优选实施方式中，第一、第二和第三漏极子场板的总厚度等于漏极111的厚度。优选地，第一、第二和第三漏极子场板的总厚度等于第一、第二和第三栅极子场板的总厚度。
该器件中，在栅极与漏极之间的区域中，沿漏极的侧墙布置漏极阶梯场板结构，可以降低漏极边缘的峰值电场，使得栅漏之间电场分布更加均匀，从而大幅提高器件击穿电压。进一步地，沿栅极下方的p型GaN区域的侧墙布置栅极阶梯场板结构，使得栅极阶梯场板结构和漏极阶梯场板结构相向设置，进一步调节了栅漏之间的电场分布，使得器件更适用于在高压高频高温的环境中工作，使得器件的耐压性能更强。与单栅极场板结构的器件相比，具有阶梯型场板结构的器件表现出更高的耐压性；与传统的无场板HEMT、单栅极场板HEMT，阶梯型双场板结构的HEMT相比，具有栅漏复合阶梯场板结构的HEMT有更小的栅漏电容，表现出更高的截止频率；另一方面，在栅极下方设置一层p-GaN区域结构，借助p-GaN/n-AlGaN的内建电场来提高异质结界面处2DEG的势阱，使其处于费米能级之上，在零栅压下即可耗尽2DEG，实现常关特性，避免了凹槽栅结构器件在工艺制作过程中对器件造成的损伤。
还包括钝化层115，钝化层115布置于源极110与p型GaN区域105及栅极106之间，栅极阶梯场板、漏极阶梯场板以及栅极和漏极之间。钝化层115优选氮化硅层，其厚度优选100nm。
基于上述具有栅漏复合阶梯场板结构的增强型HEMT射频器件结构，接下来进一步介绍该器件的制备方法。包括以下步骤：
选用直径为2英寸的Si(111)衬底。选用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺，在Si(111)衬底上外延生长厚度为20nm的AlGaN缓冲层，其中Al组分为0.11，再在AlGaN缓冲层上外延厚度为15nm的GaN沟道层，形成Al0.11Ga0.89N/GaN异质结外延片。
接着在GaN沟道层上选择性生长AlGaN势垒层，其中Al组分优选0.25，其厚度优选为15nm。
接着在AlGaN势垒层表面沉积一层钝化层，钝化层优选Si3N4层，其厚度优选100nm。
在钝化层表面形成掩膜层，掩膜层优选光刻胶。通过光刻工艺在光刻胶层中形成掩膜图案，以光刻胶为掩膜，刻蚀钝化层，形成栅极窗口。去除光刻胶层。
将上述外延片置于反应腔室中，选用MOCVD外延工艺在栅极窗口生长GaN层，该GaN层的厚度优选10nm。接着通过离子注入的方法掺杂Mg或B离子形成p型GaN区域，掺杂浓度优选3×1017/cm3。
接着，在p型GaN区域上沉积金属Ni/Au层形成栅极。优选电子束蒸发工艺淀积金属层。
继续在钝化层表面形成掩膜层，掩膜层优选光刻胶。通过光刻工艺在光刻胶层中形成掩膜图案，以光刻胶为掩膜，刻蚀钝化层，形成源极和漏极窗口。选用电子束蒸发工艺沉积Ti/Al/Ni/Au复合金属层，形成源/漏接触电极。
旋涂光刻胶掩膜层，形成光刻胶图案，以光刻胶为掩膜刻蚀栅极和漏极之间的钝化层，沿栅极与p型GaN区域朝向漏极的侧墙向下刻蚀一定宽度，形成第一栅极子场板窗口，沉积Ti/Ni/Au金属层，去除光刻胶层，形成第一栅极子场板，第一栅极子场板与p型GaN区域连通。
继续旋涂光刻胶掩膜层，形成光刻胶图案，以光刻胶为掩膜刻蚀栅极和漏极之间的钝化层，沿栅极与p型GaN区域朝向漏极的侧墙向下刻蚀一定宽度，形成第二栅极子场板窗口，第二栅极子场板窗口的宽度大于第一栅极子场板窗口，沉积Ti/Ni/Au金属层，去除光刻胶层，形成第二栅极子场板，第二栅极子场板与p型GaN区域连通。
类似地，选用上述相同工艺刻蚀形成第三栅极子场板窗口，第三栅极子场板窗口的宽度大于第二栅极子场板窗口，沉积Ti/Ni/Au金属层，去除光刻胶层，形成第三栅极子场板，第三栅极子场板与p型GaN区域连通。
旋涂光刻胶掩膜层，形成光刻胶图案，以光刻胶为掩膜刻蚀栅极和漏极之间的钝化层，沿漏极朝向栅极的侧墙向下刻蚀一定宽度，形成第一漏极子场板窗口，沉积Ti/Ni/Au金属层，去除光刻胶层，形成第一漏极子场板。
类似地，选用上述相同工艺刻蚀形成第二漏极子场板窗口，第二漏极子场板窗口的宽度大于第一漏极子场板窗口，沉积Ti/Ni/Au金属层，去除光刻胶层，形成第二栅极子场板。
继续采用相同的工艺形成第三漏极子场板窗口，第三漏极子场板窗口的宽度大于第二漏极子场板窗口，沉积Ti/Ni/Au金属层，去除光刻胶层，形成第三漏极子场板。
可以理解的是，在其它具体实施方式中，栅极阶梯场板和漏极阶梯场板可以在同一工艺中制备，也可以先制备漏极阶梯场板，然后再制备栅极阶梯场板，本发明对栅极阶梯场板和漏极阶梯场板制备的先后顺序不作特别限定。
最后采用PECVD工艺在整体器件上方淀积一层厚度为100nm的Si3N4钝化层，清洁后完成器件制作。
可见本发明的制备方法工艺较为简单，灵活性强，可根据实际工艺的需要作出适应性的调整。
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上述实施例的限制，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。
Claims (10)
1.具有栅漏复合阶梯场板结构的增强型HEMT射频器件，其包括：衬底，依次层叠于衬底上的缓冲层、沟道层和势垒层，源极和漏极位于所述势垒层表面两侧，p型GaN区域和栅极依次层叠于源极和漏极之间的势垒层表面；其特征在于，还包括，
包含至少两个栅极子场板的栅极阶梯场板，位于所述势垒层表面，邻接所述p型GaN区域朝向漏极的侧壁布置；
包含至少两个漏极子场板的漏极阶梯场板，位于所述势垒层表面，邻接所述漏极朝向所述p型GaN区域的侧壁布置；
其中，沿源极指向漏极的方向上，远离所述势垒层表面侧的所述子场板的宽度大于靠近所述势垒层表面的所述子场板的宽度。
2.根据权利要求1的所述增强型HEMT射频器件，其特征在于，所述栅极阶梯场板包含依次层叠的第一栅极子场板、第二栅极子场板和第三栅极子场板，第一栅极子场板位于所述势垒层表面，第三栅极子场板远离所述势垒层，第二栅极子场板位于第一栅极子场板和第三栅极子场板之间。
3.根据权利要求2的所述增强型HEMT射频器件，其特征在于，第一、第二和第三栅极子场板的总厚度等于p型GaN区域的厚度。
4.根据权利要求1的所述增强型HEMT射频器件，其特征在于，所述漏极阶梯场板包含依次层叠的第一漏极子场板、第二漏极子场板和第三漏极子场板，第一漏极子场板远离所述势垒层，第三漏极子场板位于所述势垒层表面，第二漏极子场板位于第一漏极子场板和第三漏极子场板之间。
5.根据权利要求4的所述增强型HEMT射频器件，其特征在于，第一、第二和第三漏极子场板的总厚度等于漏极的厚度。
6.根据权利要求1至5之一的所述增强型HEMT射频器件，其特征在于，所述源极与所述p型GaN区域及栅极之间、所述栅极阶梯场板与所述漏极阶梯场板之间布置有钝化层。
7.根据权利要求1至5之一的所述增强型HEMT射频器件，其特征在于，所述阶梯场板的厚度优选10nm。
8.根据权利要求4的所述增强型HEMT射频器件，其特征在于，优选地，所述势垒层为Al0.25Ga0.75N层，其厚度优选15nm。
9.根据权利要求4的所述增强型HEMT射频器件，其特征在于，优选地，所述缓冲层为Al0.11Ga0.89N层，其厚度优选20nm。
10.具有栅漏复合阶梯场板结构的增强型HEMT射频器件的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
在衬底上依次外延生长缓冲层、沟道层和势垒层；
在所述势垒层上沉积钝化层，刻蚀所述钝化层形成栅极窗口；
在所述栅极窗口外延生长p型GaN区域；
在所述p型GaN区域的上方形成栅极；
形成源极和漏极；
刻蚀栅极和漏极之间的钝化层，沿p型GaN区域朝向漏极的侧壁一侧和沿漏极朝向p型GaN区域的侧壁一侧分别形成邻接p型GaN区域栅极阶梯场板窗口和邻接漏极的漏极阶梯场板窗口；
在所述栅极阶梯场板窗口形成栅极阶梯场板，在所述漏极阶梯场板窗口形成漏极阶梯场板；
沉积加厚钝化层。
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