一种GaN基双异质结HEMT器件的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本专利涉电子元件技术，具体指一种GaN基双异质结HEMT器件。
【背景技术】
[0002]AlGaN/GaN异质结高电子迀移率晶体管(HEMT)在因其在高功率、高频和高温应用中的优异性能在过去十几年中吸引了半导体领域众多研究者的关注。然而电流崩塌效应和自加热效应严重制约着GaN器件的性能和可靠性。为了获得更高性能和更大功率的AlGaN/GaN HEMT器件，研究者发明了一些基于AlGaN/GaN结构的优化结构，如:2004年纽约州立大学的W.Lanfort等人发明了 AlGaN/InGaN/GaN双异质结构，2009年以色列技术工程学院的
0.Katz等人提出了InAlN/GaN异质结构，通过实验两组研究者分别证明了这两种结构的HEMT具有更强的性能和更大的功率。2009年哈尔滨工业大学的S.Zhang等人提出了 AlN/GaN/AIN双异质结构，结果证明在沟道与穿冲层之间插入AlN势皇层增加了二维电子气在沟道内的束缚力，因而极大地提高了器件的性能和功率。
[0003]AlInN和GaN导带带阶差较大，形成异质结可以阻止日电子冲出沟道进入势皇层和缓冲层，从而提高HEMT器件在高电场下的电流强度和线性性。超薄AlInN/GaN异质结具有高迀移率、高浓度的二维电子气，可应用在高跨导、低阈值电压HEMT，以及太赫兹等离子体波发射器、大功率生物传感器等。
[0004]传统的GaN基HEMT器件一般是通过在GaN缓冲层上沉积AlN(或AlGaN或InAlN)势皇层实现的。GaN沟道与GaN缓冲层一体的结构会导致一些问题:第一射频工作条件下，表面陷阱和GaN缓冲层体内陷阱会俘获沟道内散射出的热电子导致电流坍塌，使微波输出电流下降；第二直流条件下，热电子效应会引起电子的谷间转移，导致器件饱和电压下降。因此有必要提出一种新的结构来避免上述问题。
[0005]传统的AlGaN/GaNHEMT器件结构如图1所示。其特征是在蓝宝石衬底上依次形成GaN缓冲层、AlGaN隔离层、AlGaN势皇层、AlGaN栅介质层，AlGaN隔离层上形成源极、漏极和栅极，其中源极、漏极分别与AlGaN栅介质层形成欧姆接触，栅极与AlGaN栅介质层形成肖特基接触。由于极化作用二维电子气会在AlGaN和GaN之间的界面聚集，形成沟道。该结构在传统GaN基HEMT基础上主要做了两个方面的改进:(一)该结在采用一层未故意掺杂的AlGaN隔离层将AlGaN隔离层和GaN缓冲层层隔开，减轻了由于掺杂的AlGaN势皇层缺陷俘获引起的电流坍塌效应，且增强了对二维电子气的束缚力；(二)该结构采用未掺杂AlGaN栅介质层，降低了栅极漏电流，提高了器件开关比。但该结构还存在很大缺陷，一是半绝缘的GaN缓冲层引入寄生电流，降低器件开关比，降低器件性能;二是器件在高电场下运行时出现电流坍塌现象，这主要是由于二维电子气在高电场下加速形成热电子溢出沟道被缓冲层内陷阱俘获所致。
【发明内容】
[0006]本专利的目的是:提供一种GaN基双异质结HEMT器件，降低现有器件的热电子效应，消除器件的负微分电导效应同时提高器件的饱和电流。
[0007]本专利的GaN基双异质结HEMT器件结构如图2所示。包括:蓝宝石衬底12上依次形成的GaN缓冲层11^111^势皇层10、6&咐勾道层9^16&~隔离层8^16&~势皇层7 416&~栅介质层6，AlGaN栅介质层6上形成的源极1、栅极2和漏极3，以及源极I和栅极2之间形成的Si3N4源栅绝缘层4、源极I和漏极3之间形成的Si3N4漏栅绝缘层5。该结构中GaN缓冲层11为非故意掺杂，厚度为3wii;AlInN势皇层10为非故意掺杂，厚度为3-5nm;GaN沟道层9的硅离子背底掺杂浓度为3\1018?11—3，厚度为20醒416&~隔离层8为非故意掺杂，厚度为3醒416&~势皇层的磷掺杂掺杂浓度为4 X 1019cm—3，厚度为15nm; AlGaN栅介质层为非故意掺杂，厚度为2nm;Si3N4源栅绝缘层4和Si3N4漏栅绝缘层5厚度为20nm;源极I和漏极3为欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，Ti厚度为20nm，Al厚度为120nm，Ni厚度为45nm，Au厚度为55nm;栅极2为金属Ni/Au，Ni厚度为20nm，Au厚度为200nm。源极1，栅极2和漏极3的长度为lym;Si3N4源栅绝缘层4和Si3N4漏栅绝缘层5的长度为Ιμπι。
[0008]本专利的目的是这样实现的:本专利在传统HEMT器件的GaN缓冲层和GaN沟道层之间加入一层AlInN势皇层，利用AlInN材料的压电极化性质降低器件的电流崩塌效应，并形成AlGaN/GaN/AlInN量子阱结构，进一步提高了对二维电子气的束缚力，从而降低电流坍塌效应。
[0009]GaN基双异质结HEMT器件的制备按如下几个步骤进行:
[0010](I)在蓝宝石衬底12上沿着偏离晶轴10度方向上，利用金属有机化学气相沉积工艺生长GaN缓冲层11;
[0011](2)在GaN缓冲层11上，生长AlInN势皇层10;
[0012](3)在AlInN势皇层10上生长GaN沟道层9然后采用硅离子注入工艺对GaN沟道层9背底掺杂；
[0013](4)在GaN沟道层9上生长AlGaN隔离层8、AlGaN势皇层7，AlGaN栅介质层6，然后采用离子注入工艺对AlGaN势皇层7磷掺杂；
[0014](5)在AlGaN势皇层7上，采用原子层沉积工艺生长Si3N4介质薄膜；
[0015](6)Si3N4薄膜形成后，通过光刻工艺在源、漏、栅极区域形成刻蚀所需的窗口，采用反应离子刻蚀工艺去除源、漏极区域的Si3N4薄膜；
[0016](7)刻蚀完成后，利用光刻工艺获得源、漏极区域窗口，然后采用电子束蒸发工艺，在源、漏极区域窗口上蒸发欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，形成源极I和漏极3。
[0017](8)源极I和漏极3形成后，利用光刻工艺获得栅极区域窗口，然后采用电子束蒸发工艺，在栅极区域窗口上蒸发肖特基接触金属Ni/Au，形成栅极2和Si3N4源栅绝缘层4、Si3N4漏栅绝缘层5。至此完成器件制造。
[0018]上述的一种新型GaN基双异质结HEMT器件的工艺步骤，所说的生长GaN缓冲层11，其生长条件是:生长速率为30nm/分钟，厚度为3μπι。
[0019]上述的一种新型GaN基双异质结HEMT器件的工艺步骤，所说的生长AlInN势皇层10，其生长条件是:生长反应温度为800°C，生长速率为lnm/分钟，厚度为3-5nmo
[0020]上述的一种新型GaN基双异质结HEMT器件的工艺步骤，所说的生长GaN沟道层9，其生长条件是:生长反应室温度控制在800°C_950°C之间，生长速率为5nm/分钟，厚度20nmo[0021 ] 上述的一种新型GaN基双异质结HEMT器件的工艺步骤，所说的生长AlGaN隔离层8、AlGaN势皇层7，AlGaN栅介质层6，其生长条件是:生长反应室温度控制在800°C-950°C之间，生长速率为5nm/分钟，厚度20nm。
[0022]上述的一种新型GaN基双异质结HEMT器件的工艺步骤，所说的生长Si3N4介质薄膜，其生长条件是:生长反应温度700°C，厚度为20nm。
[0023]上述的一种新型GaN基双异质结HEMT器件的工艺步骤，所说的对GaN沟道层9背底掺杂，就是通过离子注入工艺，使硅离子主要分布在GaN沟道层9的后半部分，其中硅离子作为施主进行掺杂。
[0024]上述的一种新型GaN基双异质结HEMT器件的工艺步骤，所说的对AlGaN势皇层7磷掺杂，就是通过离子注入工艺，使磷离子主要分布在AlGaN势皇层9的中间部分，其中磷离子作为施主进行掺杂。
[0025]本专利与现有技术相比具有如下优点:
[0026](I)本专利提出的方法，是在GaN缓冲层上外延一层Al InN势皇层和GaN沟道层。与传统的AlGaN/GaN HEMT器件相比，本专利在GaN缓冲层和GaN沟道层之间加入一AlInN势皇层，形成了 AlGaN/GaN/Al InN量子阱结构，从而极大地减小了 GaN缓冲层的寄生电导和泄漏电流，同时进一步提高了二维