一种HEMT器件的制作方法

本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种HEMT器件。

背景技术：

氮化镓(GaN)是第三代宽禁带半导体的代表，正受到人们的广泛关注，其优越的性能主要表现在：具有高电子迁移率、高的二维电子气(2DEG)浓度，另外，氮化镓(GaN)材料化学性质稳定、耐高温、抗腐蚀，在高频、大功率、抗辐射应用领域具有先天优势。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)(或异质结场效应晶体管HFET，调制掺杂场效应晶体管MODFET，以下统称为HEMT器件)在半导体领域已经取得广泛应用。该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，因此可以满足系统对半导体器件更大功率、更高频率、更小体积工作的要求。

然而目前，随着通讯技术的大力发展，研究者面临的问题逐渐转移到如何让HEMT器件既能实现增强型功能又能有更高的截止频率以及输出更高的功率密度等等问题上。众所周知，GaN基毫米波功率器件的各性能指标之间存在相互矛盾，为了提高器件的截止频率，可以减小栅长；而栅长过短，会导致短沟道效应的增强进而减弱器件耐压能力；另一提高器件截止频率的技术途径就是采用凹栅结构，而采用凹栅往往又导致栅极漏电流的增加与漏极饱和电流的减小，从而影响器件的输出功率密度。其中，令栅长减小以提高器件截止频率但同时降低了器件耐压能力这个矛盾，是研究者需要着力解决的重要问题之一。

例如，文献W.S.“Recessed-gate structure approach toward normally off high-Voltage AlGaN/GaN HEMT for power electronics applications,”Electron Devices,IEEE Transactions on,2006,53(2):356-362.报道了采用凹槽栅结构实现准增强型高压AlGaN/GaN HEMT。文献Noda M,Sasaki Y,Popovici D,et al.“A20GHz MOD-made BST thin film tunable phase shifter for phase adjustment of digital 360-degree PHEMT phase shifter,”Microwave Symposium Digest,2005IEEE MTT-S International.IEEE,2005.报道了一种应用HEMT制作的微波电路。文献Khan M A,Park H C.“Design of normally-off GaN-based T-gate with Drain-Field-Plate(TGDFP)HEMT for power and RF applications,”Ieice Electronics Express,2014,11.报道了一种可应用于射频功率输出的HEMT器件。

虽然近些年GaN功率器件击穿电压与导通电阻的矛盾不断被新产生的技术调和，但在市场的推动下，如何设计既具有增强型功能并能应用于毫米波功率输出场合的HEMT依旧需要深入研究。

技术实现要素：

本发明所要解决的，就是针对以上GaN基毫米波功率器件主要性能指标(栅长、频率特性、耐压能力)存在的固有矛盾，提出具有自嵌位的GaN基凹栅MIS-HEMT器件结构。

本发明的技术方案是：一种HEMT器件，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2、AlGaN层3和钝化层4；所述GaN层2和AlGaN层3形成异质结；所述钝化层4上层的一端具有金属源电极7，另一端具有金属漏电极8，其中金属源电极7与AlGaN层3形成欧姆接触，金属漏电极8与AlGaN层3形成肖特基接触；所述钝化层4上层还具有凹槽绝缘栅结构，所述凹槽绝缘栅结构由贯穿钝化层4延伸至AlGaN层3上层的凹槽、位于凹槽底部和侧面的绝缘栅介质5和位于绝缘栅介质5上的金属栅电极6构成，所述绝缘栅介质5还沿钝化层4上表面向两侧延伸至与金属源电极7和金属漏电极8接触；其特征在于，在凹槽绝缘栅结构与金属漏电极8之间的钝化层4和AlGaN层3中，具有金属电极9，所述金属电极9与金属源电极7之间电气连接，所述金属电极9用于在器件截止状态时嵌位二维电子气处的电势，使器件能够承受高电压。

进一步的，栅极长度为0.1um。本方案提出了一种最优的栅极长度，为了提高器件的高频性能，本发明的栅极长度可以做到很短。

上述技术方案中：所述绝缘栅介质的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO、HfO2或Sc2O3；刻蚀GaN异质结中凹槽采用的工艺为干法刻蚀或湿法刻蚀；凹槽栅内壁绝缘栅介质5采用ALD或PEVCD或LPCVD工艺淀积；AlGaN层3表面的SiN钝化层4采用ALD或PEVCD工艺淀积，表面钝化层可以使用SiN、HfO2等材料叠层；位于栅极的漏极一侧在AlGaN层表面形成的肖特基接触的金属电极9形成的自嵌位结构，其可以由金(Au)、镍(Ni)等功函数高于5eV的金属或合金构成。

本发明的有益效果为，克服了短沟道效应，并且提高了器件耐压性能，适合使用在要求输出较高频率或较大功率的场合；能在一定程度上缓和降低栅长增强频率特性的同时降低器件耐压能力的固有矛盾；本发明的器件与传统AlGaN/GaN HEMT器件工艺兼容。

附图说明

图1为本发明的HEMT器件结构示意图；

图2为一般凹槽栅增强型HEMT器件结构示意图；

图3为一般凹槽栅增强型HEMT器件结构示意图(无绝缘栅介质)；

图4为一般耗尽型HEMT器件结构示意图；

图5为一般F离子注入增强型HEMT器件结构示意图；

图6为本发明的HEMT器件沟道截止时栅极附近电子分布图；

图7为本发明的HEMT器件沟道开启时栅极附近电子分布图；

图8为本发明的HEMT器件转移特性仿真结果曲线；

图9为本发明的HEMT器件输出特性仿真结果曲线；

图10为本发明的HEMT器件耐压特性仿真结果曲线；

图11为本发明的HEMT器件击穿时在异质结界面附近的电场强度分布；

图12为本发明的HEMT器件频率仿真结果；

图13-图17为本发明的HEMT器件工艺流程图：图13为制备衬底和势垒层形成异质结；图14为制作欧姆接触金属电极和制作凹槽自嵌位肖特基接触金属电极；图15为生长钝化层并刻蚀凹槽；图16为生长栅介质；图17为制作栅金属电极并连接源极的两部分。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

如图1所示，本发明的一种HEMT器件，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2、AlGaN层3和钝化层4；所述GaN层2和AlGaN层3形成异质结；所述AlGaN层(3)上层的一端具有金属源电极(7)，另一端具有金属漏电极(8)，其中金属源电极(7)和金属漏电极(8)与AlGaN层(3)形成欧姆接触；所述钝化层4上层还具有凹槽绝缘栅结构，所述凹槽绝缘栅结构由贯穿钝化层4延伸至AlGaN层3上层的凹槽、位于凹槽底部和侧面的绝缘栅介质5和位于绝缘栅介质5上的金属栅电极6构成，所述绝缘栅介质5还沿钝化层4上表面向两侧延伸至与金属源电极7和金属漏电极8接触；其特征在于，在凹槽绝缘栅结构与金属漏电极8之间的钝化层4和AlGaN层3中，具有金属电极9，所述金属电极9与金属源电极7之间电气连接，所述金属电极9用于在器件截止状态时嵌位二维电子气处的电势，使器件能够承受高电压。

本发明的工作原理是：深凹槽栅结构减薄了GaN异质结上AlGaN层厚度，使栅极下方异质结中二维电子气(2DEG)浓度降低，通过对凹槽栅电极施加电势(电场)调控栅电极附近的GaN异质结内2DEG浓度，使2DEG沟道导通或夹断。当栅极电压为正时，沟道导通，器件正向开启；在凹槽栅电极无外加电势时，栅极下方2DEG夹断，器件具有电压阻断能力。当器件正向阻断时，AlGaN层上的肖特基接触金属电位始终为0V，相对于漏极电位低，因此在肖特基接触金属之下的2DEG耗尽，当漏极电压进一步增加时，此金属之下GaN层形成逐渐增大的耗尽区承受耐压，此时栅极下方的电压被嵌位，即不随漏极电压增大而增加，因此栅极宽度即使进一步减小，器件也能承受较大电压。同时器件的频率特性随着栅极长度的降低而得到极大提升。(图6为器件栅极附近加栅压前的电子分布图，图7是器件栅极附近加栅压后的电子分布图)。图8是器件转移特性仿真结果曲线，图9是器件输出特性仿真结果曲线。图10是器件耐压特性仿真结果曲线。图11是器件击穿时在异质结界面附近的电场强度分布。图12是器件频率仿真结果。

本发明的设计过程中尤其体现了以下细节：

1.自嵌位结构在AlGaN层上实现接触的金属部分和AlGaN层形成性能良好的肖特基接触，以保证正向阻断以及正向输运时耐压能力强。而且不同于常规的场板结构，位于栅极的漏极一侧的自嵌位结构部分与AlGaN层形成的是肖特基接触，源极与AlGaN层电位相等。

2.凹槽栅长度可以尽量减小，由于自嵌位结构在AlGaN层上实现肖特基接触金属部分的嵌位作用，器件耐压性能并未受到较大影响且频率特性能得到极大提升，而且可以根据不同的耐压需求，可以调整自嵌位结构部分与栅极之间的距离。

3.在AlGaN层表面淀积钝化层，进一步降低漏电，提高性能。

4.栅介质完全覆盖于除源、漏极之外的器件表面，抑制电流崩塌效应，提高器件性能，栅介质层材料可以采用SiO₂、Si₃N₄、AlN、Al₂O₃、MgO、HfO₂或Sc₂O₃。

本发明提出一种具有自嵌位的HEMT器件(如图1所示)，与常规HEMT器件(如图2所示)不同的是：

本发明中源极(S)是由GaN异质结上的欧姆接触金属构成，自嵌位结构由在栅极(G)靠近漏极(D)一侧的AlGaN层上的肖特基接触金属构成。在器件截止或耐压时，由于自嵌位结构的肖特基接触的金属电极与源极相连而保持低电位，能够嵌位栅边缘的电势，从而使得栅下沟道处电势不随漏极电压的增加而改变，确保了新器件能够承受较高的电压，抑制了短沟道效应，满足高输出功率的需要。即能在一定程度上缓和降低栅长提高截止频率的同时降低器件耐压能力的固有矛盾。另外，自嵌位结构的肖特基接触的金属电极也不同于常规的场板结构，场板结构只能使栅极靠近漏极一侧的电场峰值减弱，而无法对栅极边缘的电势进行调制，从而无法抑制短沟道效应，而本结构由于自嵌位的作用使器件的栅极能够做到很短(典型值小于0.1μm)，而不会受到短沟道效应的影响。

本发明的HEMT器件的一种可以实现的工艺流程如图13-图17所示：图13为制备衬底和势垒层形成异质结；图14为制作欧姆接触金属电极和制作凹槽自嵌位肖特基接触金属电极；图15为生长钝化层并刻蚀凹槽；图16为生长栅介质；图17为制作栅金属电极并连接源极的两部分。

采用器件仿真软件Sentaurus-SDevice对本发明所提结构进行了初步仿真分析。在本仿真分析中器件总长11.1μm，其中源极漏极的间距为7μm，栅极长度为0.1μm。GaN缓冲层厚度3μm，AlGaN势垒层24nm。源极为位于器件左侧，为长1μm的欧姆接触金属；自嵌位结构部分为位于栅极的漏极一侧，距栅极0.5μm，是在AlGaN势垒层表面形成的长为0.5μm的肖特基接触金属，与源极之间电气连接。为了更大限度的跟实际情况贴合，在器件表面生成了0.1μm厚的氮化物钝化层，栅极介质选用HfO₂，其在槽栅金属下厚度为5nm。

仿真中直接使用Sentaurus自带的与实际情况拟合度很高的极化模型，并在钝化层与AlGaN势垒层界面引入10¹³cm^-2数量级施主陷阱，在AlGaN势垒层和GaN缓冲层内引入10¹⁷cm^-3数量级的深能级受主陷阱以表征体缺陷。

当栅极电压Vg＝0V时，凹槽栅下的2DEG夹断，器件呈关断状态；当漏极电压Vd＝10V时，随着Vg逐渐升高，凹槽栅下逐渐形成强反型层使器件导通，如图8所示，从图中看到器件的开启电压接近+1V，实现了增强型功能。

图9是器件的直流输出特性仿真曲线，在器件栅压为+2.5V时输出电流为750mA/mm。

当器件反向截止处于耐压状态时，随着漏极电压逐渐上升，器件在自嵌位结构的肖特基接触金属下形成耗尽区承受电压，器件在异质结附近电场强度分布如图7所示。而没有自嵌位结构的一般凹槽栅增强型器件当其栅长缩短到0.1μm时，短沟道效应即十分严重，在较高漏极电压下其漏电远大于本发明提出的器件，如图10所示。

图12是本器件频率仿真结果。不同栅压下，不带有嵌位式结构的普通增强型HEMT器件截止频率变化如图中灰色线所示；图中黑色线是带有本发明公开的嵌位式结构的毫米波器件截止频率分布。通过对仿真参数初步优化后的仿真结果可以看出，器件开启后具有嵌位式结构的毫米波器件(0.1μm栅长)截止频率均优于不带有嵌位式结构的同类器件(1μm栅长)。

同时综合考虑到本发明耐压能力，本发明所公开的器件微波功率输运综合能力相比于一般增强型HEMT器件有了极大提高。

通过以上仿真，验证了本发明在电学特性上的优秀性能。