專利名稱：一種采用GaN自圖形化模板a面常閉型HEMT制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體器件，是ー種新型非極性a面HEMT制作方法，可廣泛用于通信、電カ電子等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近十年來(lái)，以氮化鎵(GaN)為代表的III族氮化物半導(dǎo)體材料與器件發(fā)展迅猛，被稱為繼以硅(Si)為代表的第一代半導(dǎo)體、以神化鎵(GaAs)為代表的第二代半導(dǎo)體后的第三代半導(dǎo)體。GaN作為直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料，可與氮化銦(InN)，氮化鋁(AlN)形成禁帶寬度連續(xù)可變的三元或四元固溶體合金銦鎵氮(InGaN)、鋁鎵氮(AlGaN)和鋁銦鎵氮(AlInGaN),其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)覆蓋了從紅外到深紫外光范圍，在光電子領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。目前，通過(guò)GaN及其固溶體合金材料，已經(jīng)制作了覆蓋紫外到白光發(fā)光二極管(LED)、半導(dǎo)體激光器(LD)、高頻高功率的高電子遷移率晶體管(HEMT)等各類器件，廣泛應(yīng)用于通信、紫外探測(cè)、紅外探測(cè)、白光照明、電カ電子等領(lǐng)域。高速電子遷移率晶體管(HEMT)是ー種異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其雜質(zhì)與電子在空間被分隔開，因而電子具有很高的遷移率。在此結(jié)構(gòu)中，通過(guò)改變柵極(gate)的電壓就可以控制由源極(source)到漏極(drain)的電流,從而達(dá)到功率放大的目的。GaN基HEMT具有高跨導(dǎo)、高飽和電流、高截止頻率、高工作溫度和高功率密度等優(yōu)點(diǎn)。GaN作為寬禁帶材料，在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)能夠精確的控制自由載流子濃度，適合高溫工作，從而減少甚至取消冷卻系統(tǒng)，使系統(tǒng)的體積和重量大大降低，效率大大提高。此外，GaN材料的高熱導(dǎo)率、大的熱容量和高的擊穿電場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)都有助于GaN功率器件在大功率的條件下工作。因而，GaN基HEMT稱為高頻大功率的首選。III族氮化物材料在常溫下具有穩(wěn)定的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，不具有中心反演對(duì)稱性，并且III族元素的原子和氮(N)原子的電負(fù)性相差很大，導(dǎo)致III族氮化物及其異質(zhì)結(jié)在c面方向具有很強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化。這種極化效應(yīng)導(dǎo)致了異質(zhì)結(jié)界面處可以產(chǎn)生濃度高達(dá)IO1Vcm2的ニ維電子氣，其電子遷移率可達(dá)到2000cm2/Vs左右。也就是說(shuō)，即使在無(wú)故意摻雜的情況下，GaN基HEMT也可獲得很高的載流子濃度，從而獲得很低的開狀態(tài)電阻和很高的擊穿電壓。然而從另一方面來(lái)說(shuō)，異質(zhì)結(jié)界面處的固有載流子濃度越高，就越難獲得常閉型HEMT器件。那么，GaN基HEMT由于極化誘導(dǎo)而產(chǎn)生的極化電荷使得常閉型GaN基HEMT器件比起GaAs基HEMT器件更難制作。同吋，GaN基材料強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)會(huì)異質(zhì)結(jié)界面處引起很強(qiáng)的極化電場(chǎng)，強(qiáng)極化電場(chǎng)使得c面HEMT中存在著電流崩塌效應(yīng)(電流崩塌效應(yīng)是指器件在應(yīng)力、脈沖或者射頻等工作條件下，器件輸出電流減小、輸出功率和増益降低等導(dǎo)致器件性能惡化的現(xiàn)象)，這是目前限制HEMT器件實(shí)用化的主要問(wèn)題。在功率射頻和電能轉(zhuǎn)換等應(yīng)用領(lǐng)域，耗盡型(常開型)器件必需采用負(fù)電壓偏置柵極，這就要求系統(tǒng)提供ー個(gè)完全獨(dú)立的電源系統(tǒng)，而且在應(yīng)用于電カ開關(guān)系統(tǒng)時(shí)，總體系統(tǒng)安全性還要求這個(gè)負(fù)偏壓系統(tǒng)的運(yùn)行先于電源通電。所以很有必要研制增強(qiáng)型(常開型)場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)避免系統(tǒng)啟動(dòng)和模式轉(zhuǎn)換時(shí)的導(dǎo)通損毀?；诔ｉ]態(tài)增強(qiáng)型異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管(HFET)的電路具有控制簡(jiǎn)單、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、汽車電子、雷達(dá)以及通訊等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用。為了獲得常閉型HEMT器件，研究人員采用了各種不同的方法。2007年，Uemoto, Y.等人通過(guò)柵極增加p型AlGaN層制作了最大源漏電流200mA/mm的HEMT器件。2008年，Oka.T等人采用凹型柵結(jié)構(gòu)制作常閉型HEMT器件，獲得
5.2V的閾值電壓，最大的源漏電流超過(guò)200mA/mm，擊穿電壓400V。2009年，Wanjun Chen等人采用F-離子處理柵極的方法制作GaN基HEMT器件，其擊穿電壓達(dá)到470V。2010年，Kanamura, M.等人制作n-GaN/1-AlN/n-GaN三層蓋帽層金屬絕緣體半導(dǎo)體-高速遷移率晶體管(MIS-HEMT)常閉型器件，最大的源漏電流達(dá)到800mA/mm。相比之下，為了規(guī)避c面上存在的強(qiáng)極化效應(yīng)，一種較為直接的方法是尋求非極性a面上的常閉型HEMT器件。但目前非極性a面上生長(zhǎng)的材料晶體質(zhì)量仍較差，導(dǎo)致晶體質(zhì)量差的一個(gè)主要原因是:非極性面上生長(zhǎng)的材料有著很強(qiáng)的各向異性結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)上的各向異性會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)速率上的各向異性，最終降低了表面形貌和晶體質(zhì)量。為了解決不同方向上各向異性的問(wèn)題，減少外延層的缺陷密度，一個(gè)很重要的方法是:橫向外延生長(zhǎng)(epitaxial lateralovergrowth: ELO),即通過(guò)模板做圖形掩膜，限制某個(gè)方向的生長(zhǎng)速度，使得不同方向上的各向異性降低，從而提高晶體質(zhì)量和表面形貌。但是器件外二次橫向外延的方法嚴(yán)重增加了生長(zhǎng)過(guò)程的復(fù)雜度，也增加了器件的生產(chǎn)成本。因此，如何采用簡(jiǎn)單的工藝，獲得高質(zhì)量的a面GaN材料并制備出高性能的常閉型HEMT器件成為人們研究的熱點(diǎn)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是在于解決上述提到的關(guān)鍵問(wèn)題，采用高溫退火InGaN產(chǎn)生的自建圖形GaN緩沖層，并以此為基礎(chǔ)制作a面GaN基HEMT器件。本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種采用GaN自圖形化模板a面常閉型HEMT制作方法，其步驟:1)通過(guò)InGaN分解得到GaN自圖形化生長(zhǎng)模板；2)在模板上生長(zhǎng)本征GaN層、AlN插入層、本征AlGaN插入層、n型AlGaN層；3) HEMT器件采用凹型柵極的MIS-HEMT結(jié)構(gòu)。GaN自圖形化模板是通過(guò)，InGaN的高溫分解形成，其中In組分為10% 20%，厚度約為30_40nm。AlGaN本征層和η型AlGaN層，其Al組分為20-30%。所述的凹型柵極MIS-HEMT結(jié)構(gòu)式采用Al2O3作為柵介質(zhì)層，厚度約為20nm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:通過(guò)InGaN器件內(nèi)自建圖形代替常規(guī)的ICP刻蝕二次外延的方法，降低了生長(zhǎng)過(guò)程的復(fù)雜度；實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)生長(zhǎng)溫度超過(guò)1100°c后，InGaN基完全分解。以此制作GaN自圖形化模板，可以限制GaN生長(zhǎng)的各向異性，提高晶體質(zhì)量和表面形貌；非極性a面上制作的HEMT器件，規(guī)避了 c面的極化效應(yīng)。


圖1為本HEMT芯片結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:
1一監(jiān)寶石襯底、2—InGaN薄層、3—GaN薄層、4一GaN本征層、5—AlN插入層、6—AlGaN本征插入層、7—η型AlGaN層、8—源、漏極歐姆接觸(Ti/Al/Ni/Au)、9一Al2O3介質(zhì)層、10—柵極肖特基接觸。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明包括材料生長(zhǎng)和器件制作兩個(gè)步驟。本發(fā)明的材料生長(zhǎng)步驟:
步驟1，在r面藍(lán)寶石襯底上，利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)工藝，生長(zhǎng)一層薄的InGaN層。將r面藍(lán)寶石襯底清洗干凈，并裝入MOCVD反應(yīng)腔，首先在1020°C下退火烘烤5分鐘，之后在氨氣(NH3)氣氛1100°C下氮化5分鐘。然后降溫至750°C，沉積約40nm厚的InGaN層。生長(zhǎng)過(guò)程中，三乙基鎵(TEG)和三甲基銦(TMI)流量分別為10ymol/min，20ymol/min，氨氣流量1500sccm。步驟2，在生長(zhǎng)的InGaN層上生長(zhǎng)一層薄的GaN并退火形成自圖形化GaN緩沖層 在上述步驟后，降溫至550°C，生長(zhǎng)一層越30nm后的GaN層，TEG流量40 μ mol/min,氨
氣流量1500sCCm。隨后進(jìn)行高溫退火，將溫度上升至1100°C退火2分鐘，形成自圖形化GaN緩沖層。步驟3，在GaN緩沖層上生長(zhǎng)GaN本征層
溫度保持1100°c，向反應(yīng)腔中通入40 μ mol/min的TEG和1500sccm的氨氣，生長(zhǎng)約
Iμ m的GaN本征層
步驟4，在GaN本征層上生長(zhǎng)AlN和AlGaN本征插入層
在上述步驟后，降溫至900-1000°C，向反應(yīng)腔中通入6 μ mol/min的三甲基鋁(TMA)和2500sccm的氨氣，生長(zhǎng)0.2分鐘，形成一層很薄的AlN插入層。隨后，保持溫度不變，通入8 μ mol/min的TMA和30 μ mol/min TEG,生長(zhǎng)大約3分鐘,形成一層薄的AlGaN本征插入層。步驟5，在插入層上生長(zhǎng)η型AlGaN蓋帽層
在上述步驟后，保持溫度不變，通入8 μ mol/min的TMA和30 μ mol/min TEG，并通入20 μ mol/min的硅烷(SiH4),生長(zhǎng)3分鐘，形成η型AlGaN蓋帽層。本發(fā)明的器件制作步驟:
步驟1，在η型AlGaN層上感應(yīng)離子束刻蝕(ICP)工藝凹型結(jié)構(gòu)；
采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)設(shè)備淀積厚度約為300nm的二氧化硅(SiO2)層來(lái)作為刻蝕掩模層。由于對(duì)AlGaN材料的刻蝕速率較慢，增加該步驟是為了在樣片上形成SiO2和光刻膠共同起作用的雙層掩模圖形，更有利于保護(hù)未刻蝕區(qū)域表面；對(duì)樣片甩正膠，轉(zhuǎn)速為5000r/min，時(shí)間為45s，然后再在溫度為90°C的烘箱中烘15min，通過(guò)光刻以及顯影形成刻蝕所需的圖形；采用ICP干法刻蝕，形成凹槽，刻蝕時(shí)采用的ICP功率為100W，偏壓為110V，壓力為12Torr ;采用丙酮去除刻蝕后的正膠，然后在氟化銨腐蝕液(BOE)中浸泡Imin去除SiO2掩膜，最后用去離子水清洗干凈并用氮?dú)獯蹈?，除去刻蝕后的掩摸層。步驟2，在凹型兩端的臺(tái)面光刻出源極和漏極的圖形，采用電子束蒸發(fā)工藝，在電極圖形區(qū)蒸發(fā)η型歐姆接觸金屬，形成源極和漏極。為了更好地剝離金屬，首先在樣片上甩黏附劑，轉(zhuǎn)速為8000r/min，時(shí)間為30s，在溫度為160°C的高溫烘箱中烘20min;然后再在該樣品上甩正膠，轉(zhuǎn)速為5000r/min，時(shí)間為45s，最后在溫度為80°C的高溫烘箱中烘lOmin，光刻獲得η型電極圖形；采用等離子體去膠機(jī)去除圖形區(qū)未顯影干凈的光刻膠薄層，該步驟大大提高了剝離的成品率，而后采用電子束蒸發(fā)設(shè)備淀積Ti/Al/Ni/Au四層金屬；在丙酮中浸泡40min以上后進(jìn)行超聲處理，然后用氮?dú)獯蹈?。將樣片放入到快速退火爐中，首先向退火爐內(nèi)通入氮?dú)釯Omin左右，然后在氮?dú)鈿夥?，溫度?50 V條件下進(jìn)行40s的高溫退火，形成η型電極。步驟3，利用原子層沉積(ALD)工藝沉積一層三氧化二鋁(Al2O3),作為柵介質(zhì)層。在300°C下，利用ALD工藝沉積一層約20nm厚的Al2O3,隨后在400°C下氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w中退火10分鐘。步驟4，隨后利用電子束蒸發(fā)工藝，在凹槽處蒸發(fā)肖特基接觸金屬形成柵極，形成凹柵的MIS-HEMT結(jié)構(gòu)。首先在樣片上甩黏附劑，轉(zhuǎn)速為8000r/min，時(shí)間為30s，在溫度為160°C的高溫烘箱中烘20min;然后再在該樣品上甩正膠，轉(zhuǎn)速為5000r/min，時(shí)間為45s，最后在溫度為80°C的高溫烘箱中烘lOmin，光刻獲得柵極圖形；采用等離子體去膠機(jī)去除圖形區(qū)未顯影干凈的光刻膠薄層，該步驟大大提高了剝離的成品率，而后采用電子束蒸發(fā)設(shè)備淀積Pt/Au兩層金屬；在丙酮中浸泡40min以上后進(jìn)行超聲處理，然后用氮?dú)獯蹈伞悠湃氲娇焖偻嘶馉t中，首先向退火爐內(nèi)通入氮?dú)釯Omin左右，然后在氮?dú)鈿夥?，溫度?50°C條件下進(jìn)行40s的高溫退火，形成肖特基接觸的柵極。步驟5，利用濕法刻蝕工藝去除源極和漏極歐姆接觸金屬上的Al2O3，完成整個(gè)HEMT器件的制作。
權(quán)利要求
1.一種采用GaN自圖形化模板a面常閉型HEMT制作方法，其步驟:1)采用MOCVD在藍(lán)寶石襯底上制備出InGaN薄膜，然后通過(guò)InGaN分解得到GaN自圖形化生長(zhǎng)模板；2)在模板上外延生長(zhǎng)出本征GaN層、AlN插入層、本征AlGaN插入層、n型AlGaN層；3)HEMT器件采用凹型柵極的MIS-HEMT結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種采用GaN自圖形化模板a面常閉型HEMT制作方法，其特征在于:GaN自圖形化模板是通過(guò)，InGaN的高溫分解形成，其中In組分為10% 20%，厚度為30_40nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述ー種采用GaN自圖形化模板a面常閉型HEMT制作方法，其特征在于:AlGaN本征層和n型AlGaN層，其Al組分為20% 30%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述ー種采用GaN自圖形化模板a面常閉型HEMT制作方法，其特征在于:所述的凹型柵極MIS-HEMT結(jié)構(gòu)式采用Al2O3作為柵介質(zhì)層，厚度約為20nm。
全文摘要
本發(fā)明公開一種采用GaN自圖形化模板a面常閉型HEMT制作方法，其步驟在MOCVD反應(yīng)腔中，通過(guò)InGaN分解得到GaN自圖形化生長(zhǎng)模板；在模板上生長(zhǎng)本征GaN層、AlN插入層、本征AlGaN插入層、n型AlGaN層；HEMT器件采用凹型柵極的MIS-HEMT結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)InGaN器件內(nèi)自建圖形代替常規(guī)的ICP刻蝕二次外延的方法，降低了生長(zhǎng)過(guò)程的復(fù)雜度；實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)生長(zhǎng)溫度超過(guò)1100℃后，InGaN基完全分解。以此制作GaN自圖形化模板，可以限制GaN生長(zhǎng)的各向異性，提高晶體質(zhì)量和表面形貌；非極性a面上制作的HEMT器件，規(guī)避了c面的極化效應(yīng)。
文檔編號(hào)H01L21/335GK103094105SQ20131003147
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月28日
發(fā)明者張駿, 田武, 孫世闖, 戴江南, 陳長(zhǎng)清 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)