一种复合栅GaN基HEMT及其制备方法和应用

本发明涉及半导体器件，具体涉及一种复合栅gan基hemt及其制备方法和应用。

背景技术：

1、氮化镓(gan)具有禁带宽度大、击穿场强高、极化效应显著等特性，而以algan/ganhemt为代表的gan基高电子迁移率晶体管(hemt)具有电子饱和速度高、电子迁移率大、击穿场强大(高达3.4mv/cm)等优点，特别适用于高温、高压条件下的电力电子运用。

2、在产业化运用中，gan基hemt的可靠性尤为关键，而击穿电压(vbr)是评估gan基hemt可靠性的重要指标之一。典型结构的gan基hemt(组成结构包括依次层叠设置的衬底、gan缓冲层、gan沟道层、aln插入层、algan势垒层和钝化层，还包括源极、栅极和漏极，源极和漏极均与algan势垒层形成欧姆接触，栅极与algan势垒层形成肖特基接触)是一种横向器件，在关态高漏极电压状态下强极化电荷会在栅极靠近漏极一侧边缘诱导出强电场，强电场峰值的存在会使得器件的实际击穿电压远低于其理论击穿电压，因此典型结构的gan基hemt在高压方面的应用受到很大限制。

3、目前，为了提高gan基hemt的耐压性能，最常见的方法是引入栅场板、源场板、漏场板、复合场板等场板结构。wespel等人报道了复合场板结构与击穿电压和导通电阻的联系，场板结构的运用有利于降低器件栅极靠漏极一侧的强电场峰值，进而可以提高器件的关态击穿电压(m.wespel et al.trapping effects at the drain edge in 600v gan-on-sihemts[j].in ieee transactions on electron devices,2016,63(2):598-605)。然而，场板结构的引入也会导致器件的色散效应增加和导通电阻增大，大幅削弱了器件的大功率增益效率，最终导致器件的频率特性和开关特性退化。此外，目前复合场板的制备工艺较为复杂，需要多次沉积钝化层和场板金属，该工艺过程中引入的杂质等缺陷无疑会直接影响器件的可靠性。

4、因此，开发一种兼具耐压性能好、稳定性和可靠性高等优点的gan基hemt具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种复合栅gan基hemt及其制备方法和应用。

2、本发明所采取的技术方案是：

3、一种复合栅gan基hemt，其组成包括依次层叠设置的衬底、gan缓冲层、gan沟道层、aln插入层、algan势垒层和钝化层，还包括源极、复合栅极和漏极；所述源极与algan势垒层形成欧姆接触，且与钝化层接触；所述复合栅极的组成包括梳状栅和覆盖梳状栅的t型栅场板；所述梳状栅的组成包括沿竖直方向平行排布的多个梳齿；所述梳齿贯穿钝化层，且与algan势垒层形成肖特基接触；所述漏极与algan势垒层形成欧姆接触，且与钝化层接触。

4、优选的，所述衬底为si衬底。

5、优选的，所述梳齿的长度为0.2μm～0.9μm，宽度为0.1μm～1μm，梳齿间的间隔为0.5μm～1μm(梳齿间填充有钝化层材料)。

6、优选的，所述t型栅场板向源极方向延伸的长度为1μm～5μm。

7、优选的，所述t型栅场板向漏极方向延伸的长度为1μm～5μm。

8、优选的，所述gan缓冲层的厚度为2μm～5μm。

9、优选的，所述gan沟道层的厚度为0.1μm～0.3μm。

10、优选的，所述aln插入层的厚度为1nm～10nm。

11、优选的，所述algan势垒层中al的质量百分含量为15％～35％。

12、优选的，所述algan势垒层的厚度为15nm～30nm。

13、优选的，所述钝化层的组成成分包括si3n4、sio2、al2o3、aln中的至少一种。

14、优选的，所述钝化层的厚度为0.5μm～1.3μm。

15、优选的，所述源极的组成成分包括ti、al、ni和au。

16、优选的，所述梳状栅的组成成分包括ni和au。

17、优选的，所述t型栅场板的组成成分包括ni和au。

18、优选的，所述漏极的组成成分包括ti、al、ni和au。

19、一种如上所述的复合栅gan基hemt的制备方法包括以下步骤：

20、1)采用金属有机化学气相淀积(mocvd)法在衬底上依次外延生长gan缓冲层、gan沟道层、aln插入层、algan势垒层和钝化层；

21、2)采用电感耦合等离子体刻蚀(icp)法在钝化层上刻蚀出源极制备区域和漏极制备区域，再采用电子束蒸发沉积(pvd)法沉积源极和漏极，再进行退火处理；

22、3)采用电感耦合等离子体刻蚀法在钝化层上刻蚀出复合栅极制备区域，再采用电子束蒸发沉积法沉积梳状栅和t型栅场板，即得复合栅gan基hemt。

23、优选的，步骤1)所述衬底在使用前进行过清洗。

24、优选的，所述清洗的具体操作为：将衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗10min～30min，再取出用去离子水冲洗表面，再用n2枪吹干。

25、优选的，步骤2)所述退火在n2氛围中进行，退火温度为800℃～900℃，退火时间为20s～40s。

26、一种电子设备，其组成包括上述复合栅gan基hemt。

27、本发明的有益效果是：本发明的复合栅gan基hemt具有耐压性能好、稳定性和可靠性高等优点，且其制备方法简单、可行性高，适合进行大规模工业化应用。

28、具体来说：

29、1)本发明的复合栅gan基hemt中设置有由梳状栅和t型栅场板构成的复合栅极，梳状栅具有的多个栅齿可以分散单栅下的强极化电荷，减缓了栅下电荷密集效应，降低了关态高漏极电压状态下栅极偏漏极一侧的强电场峰值，此外，t型栅场板边缘引入了另一电场峰值，进一步降低了栅极偏漏极侧的强电场峰值，二者共同作用，延长了耗尽区扩展的宽度，显著提高了器件的击穿电压；

30、2)本发明的复合栅gan基hemt中的复合栅极的制备工艺简单，可行性高，相较于传统复合场板简化了制备工艺，避免了因为制备复合场板而引入的杂质等缺陷，且对导通电阻的影响较小，器件的稳定性和可靠性好。

技术特征：

1.一种复合栅gan基hemt，其特征在于，组成包括依次层叠设置的衬底、gan缓冲层、gan沟道层、aln插入层、algan势垒层和钝化层，还包括源极、复合栅极和漏极；所述源极与algan势垒层形成欧姆接触，且与钝化层接触；所述复合栅极的组成包括梳状栅和覆盖梳状栅的t型栅场板；所述梳状栅的组成包括沿竖直方向平行排布的多个梳齿；所述梳齿贯穿钝化层，且与algan势垒层形成肖特基接触；所述漏极与algan势垒层形成欧姆接触，且与钝化层接触。

2.根据权利要求1所述的复合栅gan基hemt，其特征在于：所述梳齿的长度为0.2μm～0.9μm，宽度为0.1μm～1μm，梳齿间的间隔为0.5μm～1μm。

3.根据权利要求2所述的复合栅gan基hemt，其特征在于：所述t型栅场板向源极方向延伸的长度为1μm～5μm；所述t型栅场板向漏极方向延伸的长度为1μm～5μm。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的复合栅gan基hemt，其特征在于：所述gan缓冲层的厚度为2μm～5μm；所述gan沟道层的厚度为0.1μm～0.3μm；所述aln插入层的厚度为1nm～10nm。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的复合栅gan基hemt，其特征在于：所述algan势垒层中al的质量百分含量为15％～35％。

6.根据权利要求5所述的复合栅gan基hemt，其特征在于：所述algan势垒层的厚度为15nm～30nm。

7.根据权利要求1～3中任意一项所述的复合栅gan基hemt，其特征在于：所述钝化层的组成成分包括si3n4、sio2、al2o3、aln中的至少一种。

8.根据权利要求7所述的复合栅gan基hemt，其特征在于：所述钝化层的厚度为0.5μm～1.3μm。

9.一种如权利要求1～8中任意一项所述的复合栅gan基hemt的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.一种电子设备，其特征在于，组成包括权利要求1～8中任意一项所述的复合栅gan基hemt。

技术总结
本发明公开了一种复合栅GaN基HEMT及其制备方法和应用。本发明的复合栅GaN基HEMT的组成包括依次层叠设置的衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层和钝化层，还包括源极、复合栅极和漏极。本发明的复合栅GaN基HEMT的制备方法包括以下步骤：1)在衬底上依次外延生长GaN缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层和钝化层；2)沉积源极和漏极，再进行退火处理；3)沉积梳状栅和T型栅场板，即得复合栅GaN基HEMT。本发明的复合栅GaN基HEMT具有耐压性能好、稳定性和可靠性高等优点，且其制备方法简单、可行性高，适合进行大规模工业化应用。

技术研发人员：李国强,罗玲,曾凡翊
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13