一種勢壘層組分漸變的InAlN/GaN HEMT器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明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。本發(fā)明在減少異質(zhì)界面形成線性位錯和抑制逆壓電效應的同時，有效提高了InAlN/GaN HEMT器件的電學性能。
【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)窄禁帶半導體相比，以GaN為代表的寬禁帶III族氮化物半導體具有高擊穿電場、高電子飽和速度與高熱穩(wěn)定性等優(yōu)越的電學特性。尤其是壓電與自發(fā)極化效應顯著的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，能在界面處誘導高濃度的二維電子氣(2DEG)，是HEMT的核心結(jié)構(gòu)。目前，已報道的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，材料生長過程中會引入的大量的線性位錯，導致器件漏電流比理論值大很多。很多針對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是其漏電流的主要輸運通道。除此之外，因晶格失配引起的逆壓電效應也被認為是造成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和抑制甚至消除勢皇層逆壓電效應對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，其強自發(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)在器件的部分電學性能方面未能達到最佳。
[0004]本發(fā)明的目的就是針對現(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)界面形成線性位錯和抑制逆壓電效應的同時，通過提高其他層勢皇的In組分，增強自發(fā)極化效應產(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和抑制逆壓電效應的同時，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，同時提升了器件的電學性能。

【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材料實現(xiàn)晶格匹配，通過逐漸增加勢皇層In組分，增加極化效應產(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)方案實現(xiàn):
[0007]為達到上述目的，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，同時抑制了異質(zhì)界面處的逆壓電效應。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，進一步提高了器件的飽和電流和輸出功率。本發(fā)明對于GaN基HEMT器件的制備和提高其電學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。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明。
[0014]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[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物化學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，極化效應誘發(fā)的2DEG濃度也不斷增加。但是，若組分過大，則會引起勢皇層應變馳豫，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。這是由于當勢皇層組分和厚度增加時會引起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材料實現(xiàn)晶格匹配，通過逐漸增加勢皇層In組分，增強異質(zhì)界面的自發(fā)極化效應誘發(fā)的2DEG濃度，來提高了飽和電流和輸出功率，實現(xiàn)了對InAlN/GaN HEMT電學性能的提升。由此，該結(jié)構(gòu)有助于GaN基功率器件的制備及其電學性能的提升。對于AlGaN/GaN HEMT器件，晶格失配引起的異質(zhì)界面線性位錯和逆壓電效應對嚴重影響其工作時的可靠性。而實現(xiàn)了晶格匹配的In0.nAl0.83N/GaN HEMT，由于In組分被固定在0.17，其電學性能還有進一步提升的空間。本發(fā)明通過采用底層111().141().8必勢皇與GaN材料實現(xiàn)晶格匹配，通過逐漸增加勢皇層In組分，實現(xiàn)了對InAlN/GaN HEMT電學性能的進一步提升。同時，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和抑制逆壓電效應，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，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進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，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
【主權(quán)項】
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。2.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，底層勢皇In組分為0.17，實現(xiàn)與GaN的晶格匹配，其余勢皇層In組分逐漸增加，頂層組分不不超過0.32，例如:0.17，0.20，0.23，0.26，0.29，0.32。5.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】H01L29/201GK105870165SQ201610348582
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】任艦, 顧曉峰, 閆大為
【申請人】江南大學