專利名稱：基于組份漸變GaN MISFET的GaN器件及制備方法
技術領域：
本發明屬于微電子技術領域，涉及半導器件結構及制作方法，具體的 說是一種基于組份漸變GaN MISFET的GaN器件及制備方法，可用于大功 率GaN器件的制作。
技術背景近年來以SiC、 GaN為代表的第三代寬禁帶半導體材料由于具有大禁 帶寬度、高臨界場強、髙熱導率、高載流子飽和速率、異質結界面二維電 子氣濃度高等優良特性，使其受到了人們廣泛的關注。在理論上，利用這 些材料制作的高電子遷移率晶體管HEMT、異質結雙極晶體管HBT、發光 二極管LED、激光二極管LD等器件將具有現有器件無法比擬的優異性能， 因此近年來國內外對其進行了廣泛而深入的研究并相繼取得了令人矚目的 成果。現有的GaN功率器件多使用SisN4和Si02兩種材料作為器件的帽層， 構成MISFET或MOSFET兩種結構，但由于這兩種材料無法和GaN材料 進行一次生長，而必須單獨的進行二次生長，導致該結構仍存在較高的表 面態和缺陷，使得器件的漏電流較高；同時，這兩種材料多為多晶結構導 致器件的耐壓特性較差，無法發揮出GaN材料擊穿電壓高的特點，難以進 一步提高器件的功率密度；此外，現有的平面結構GaN MISFET由于AlGaN 層通常為高Al組份摻雜，使得Al組份的提高與制作歐姆接觸之間產生矛 盾，即為了獲得更高得二維電子氣濃度，要求提高A1組份，而為了制作較 好的歐姆接觸，Al組份又不能太高。以Arulkumamn等人的研究為例，見 Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures, March 2003， Volume 21, Issue 2, pp. 888-894 ，其AlGaN層的 Al組份高達43。/。，此時器件的歐姆接觸制作較為困難，嚴重制約了器件性 能的提高。
發明的內容本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種基于組份漸變GaNMISFET的GaN器件及制備方法，以降低GaN器件漏電流、解決Al 組份與歐姆接觸之間的矛盾。實現本發明目的的技術方案是采用了 A1N材料作為器件的帽層，并同 時采用了組份漸變的AlGaN材料層和臺階結構，形成一種新的GaN MISFET結構。本發明的器件結構包括襯底層、緩沖層、GaN本征材料層、A1N隔離層 及源、漏、柵電極，其中在AlN隔離層上依次設有AlGaN組份漸變層和A1N 帽層，該AlGaN漸變層和A1N帽層通過刻蝕后構成臺階結構，并從各臺階 面上引出電極。本發明器件的制作方法包括1. 以藍寶石作為襯底，其過程如下 在藍寶石襯底上外延一層GaN緩沖層； 在該緩沖層上淀積一層GaN本征材料層作為器件的工作區； 在所述的GaN本征層上淀積一層A1N材料作為隔離層；在A1N隔離層上淀積AlGaN組份漸變層； 在AlGaN組份漸變層上淀積A1N帽層；在AlGaN組份漸變層和A1N帽層上制作掩膜，刻蝕出用于淀積柵極金 屬接觸、漏極和源極歐姆接觸的臺階，分別在臺階的不同位置淀積金屬， 制作源極和漏極的歐姆接觸與柵極的金屬接觸。2. 以碳化硅作為襯底，其過程如下-在SiC材料襯底上外延一層A1N緩沖層； 在該緩沖層上淀積一層本征GaN材料層作為器件的工作區； 在所述的GaN本征層上淀積一層A1N材料作為隔離層； 在A1N隔離層上淀積AlGaN組份漸變層； 在AlGaN組份漸變層上淀積A1N帽層；在AlGaN組份漸變層和A1N帽層上制作掩膜，刻蝕出用于淀積柵極 金屬接觸、漏極和源極歐姆接觸的臺階，分別在臺階的不同位置淀積金屬，
制作源極和漏極的歐姆接觸與柵極的金屬接觸。本發明由于采用了單晶A1N材料帽層、組份漸變勢壘層以及臺階結構，與現有大功率GaN器件比較具有以下優點首先，單晶A1N材料帽層避免了傳統采用SiCb和Si3N4帽層必須二次生長的問題，有效的降低了器件表面的態密度，從而大幅降低器件的漏電流；第二， A1N的單晶特性和高K 特性大幅提高了器件的柵壓和器件的功率密度;第三，使用組份漸變AlGaN 替代了傳統的固定Al組份AlGaN層，使用臺階結構代替了傳統GaN HEMT 器件的平面結構，這兩個特征結合在一起有效地解決了單晶A1N帽層與 AlGaN層之間的高應力與制作高Al組份歐姆接觸的矛盾。由于AlGaN層 在靠近A1N帽層一側的Al組份高于靠近A1N隔離層一側的Al組份，因而 使A1N帽層生長在高Al組份的AlGaN上可降低晶格失配造成的高應力， 而在刻蝕出臺階結構后，源極和漏極的歐姆接觸制作在AlGaN層Al組份 較低的臺面上，可降低制作歐姆接觸的難度。以下結合附圖和實施例進一步說明本發明的技術內容。
圖l是本發明器件的結構圖；圖2是本發明器件的制作流程圖；圖3是本發明的碳化硅襯底器件結構圖；圖3是本發明的藍寶石襯底器件結構圖。
具體實施方式
參照圖l，本發明的器件結構自下而上為襯底l、緩沖層2、 GaN本 證層3、A1N隔離層4、AlGaN組份漸變層5、A1N帽層6。經過刻蝕后AlGaN 漸變層和A1N帽層構成器件的臺階，且AlGaN層在靠近A1N帽層一側的 Al組份高于靠近A1N隔離層一側的Al組份，以降低晶格失配造成的高應 力和制作歐姆接觸的難度。在A1N帽層6的臺面上制作柵極金屬接觸8， 在AlGaN組份漸變層5兩端的臺面上分別制作漏極歐姆接觸7和源極歐姆 接觸9。該A1N隔離層4，能夠進一步提高導帶斷續，增加GaN本征層3 中的二維電子氣的濃度；同時能夠隔離AlGaN漸變層5中電離雜質對二維 電子氣的散射作用，提高導電溝道中電子的遷移率。 參照圖2，本發明的制作過程如下選擇藍寶石或SiC材料作為器件的襯底材料，并在其上使用MOCVD 方法外延一層GaN或A1N作為器件的緩沖層；在緩沖層上使用MOCVD方法外延厚度為1~3微米，不摻雜的GaN 本征材料層作為器件的工作區；在GaN本征層上使用MOCVD方法外延一層A1N材料隔離層。該A1N 材料能夠增強器件導帶的不連續性，提高GaN材料工作區中二維電子氣的 濃度；在A1N隔離層上使用MOCVD方法外延一個Al組份漸變的AlGaN漸變層。該層的Al組份在10%到70%范圍內連續變化；在AlGaN漸變層上使用MOCVD方法外延一層A1N帽層；將頂部的A1N帽層兩側刻蝕掉，并將AlGaN漸變層兩側的一部分也刻蝕掉，中間的A1N帽層不進行刻蝕，位置最高，形成中間高、兩邊低的臺階結構；在A1N帽層的臺面上制作柵極金屬接觸，在AlGaN組份漸變層兩端的 臺面上分別制作漏極歐姆接觸和源極歐姆接觸。 實施例l用本發明方法制作碳化硅襯底的大功率GaNMISFET器件過程。第一步，在SiC襯底材料上采用MOCVD方法，用溫度為1050度， 壓力為20Torr的條件淀積一層厚度為50納米的A1N材料，作為后續生長 GaN材料的緩沖層。第二步，在緩沖層上采用MOCVD技術，在溫度為1000度，壓力為 20Torr的條件下，淀積一層厚度為2微米的GaN本征層。第三步，在GaN本征層上采用MOCVD技術，在溫度為1000度，壓 力為20Torr的條件下淀積一層厚度為1納米的A1N材料層。第四步，在AIN材料層上采用MOCVD技術，在溫度為1000度，壓 力為20Torr的條件下淀積厚度為10納米，Al組份為從10%漸變到60%的 AlGaN組份漸變材料層。隨著A1組份的增加，溫度逐漸從1000度增加到 1020度。
第五步，在AlGaN組份漸變材料層上采用MOCVD技術，在溫度為 1020度，壓力為20Torr條件下淀積厚度為3納米的A1N材料，該A1N材料作為器件的帽層。第六步，在A1N帽層上制作掩膜，刻蝕出如附圖3所示的用于淀積漏 極和源極歐姆接觸的臺階。第七步，使用電子束蒸發技術分別在兩邊的臺階上淀積金屬Ni/Au作 為源極和漏級的歐姆接觸以及在中間的臺階上淀積金屬Ni/Au作為柵極的 金屬接觸。 實施例2用本發明方法制作藍寶石襯底的大功率GaN MISFET器件過程。第一步，在藍寶石襯底材料上采用MOCVD技術，在溫度為550度， 壓力為40Torr的條件下淀積一層厚度為100納米的GaN材料，作為后續生 長GaN材料的緩沖層。第二步，在緩沖層上采用MOCVD技術，在溫度為900度，壓力為40Torr 的條件下，淀積一層厚度為3微米的GaN本征層。第三步，在GaN本征層上采用MOCVD技術，在溫度為1000度，壓 力為20Torr的條件下淀積一層厚度為2納米的A1N隔離層。第四步，在A1N隔離層上采用MOCVD技術，在溫度為1000度，壓 力為20Torr的條件下淀積厚度為15納米，Al組份為從10%漸變到50% 的AlGaN漸變層，隨著Al組份的增加，溫度從1000度逐漸增加到1020 度。第五步，AlGaN漸變層上采用MOCVD技術，在溫度為1020度，壓 力為20Torr的條件下淀積厚度為3納米的A1N材料。該A1N材料作為器 件的帽層。第六步，在A1N帽層上制作掩膜，刻蝕出入附圖4所示的用于淀積漏 極和源極歐姆接觸的臺階。第七步，使用電子束蒸發技術分別在兩邊的臺階上淀積金屬Ni/Au作 為源極和漏級的歐姆接觸以及在中間的臺階上淀積金屬Ni/Au作為柵極的 金屬接觸。
參照圖3，本發明的碳化硅襯底的大功率GaNMISFET器件結構自下 而上依次為碳化硅襯底、A1N緩沖層、GaN本征層、A1N隔離層、AlGaN 漸變層、A1N帽層。其中在AlGaN和A1N帽層上刻蝕有中間高兩邊低的臺 階結構，在中間的最高的帽層臺面上制作Ni/Au柵極金屬接觸、在兩邊最 低的AlGaN漸變層臺面上制作Ni/Au歐姆接觸。參照圖4，本發明的藍寶石襯底的大功率GaNMISFET器件結構自下 而上依次為藍寶石襯底、GaN緩沖層、GaN本征層、A1N隔離層、AlGaN 漸變層、A1N帽層。其中在AlGaN和A1N帽層上刻蝕有中間高兩邊低的臺 階結構，在中間的最高的帽層臺面上制作Ni/Au柵極金屬接觸、在兩邊最 低的AlGaN漸變層臺面上制作Ni/Au歐姆接觸。對于本領域的專業人員來說，在了解了本發明內容和原理后，能夠在 不背離本發明的原理和范圍的情況下，根據本發明的方法進行形式和細節 上的各種修正和改變，但是這些基于本發明的修正和改變仍在本發明的權 利要求保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于組份漸變GaN MISFET的GaN器件，包括底層(1)、緩沖層(2)、本征GaN材料層(3)、AlN隔離層(4)及源、漏、柵電極，其特征在于在AlN隔離層上依次設有AlGaN組份漸變層(5)和AlN帽層(6)，該AlGaN漸變層和AlN帽層通過刻蝕后構成的臺階結構，并在各臺階面上制作歐姆接觸和金屬接觸。
2. 根據權利要求書1所述的GaN器件，其特征在于A1N帽層 (6)的臺面上制作柵極金屬接觸8， AlGaN組份漸變層(5)兩端的臺面上分別制作漏極歐姆接觸(7)和源極歐姆接觸(9)。
3. 根據權利要求書1所述的GaN器件，其特征在于AlGaN層在 靠近A1N帽層一側的Al組份高于靠近A1N隔離層一側的Al組份，以降低晶格失配造成的高應力和制作歐姆接觸的難度。
4. 一種制作權利要求l所述的GaN器件方法，包括如下過程 在藍寶石襯底上外延一層GaN緩沖層；在該緩沖層上分別淀積一層GaN本征材料層作為器件的工作區；在所述的GaN本征層上淀積一層A1N材料作為隔離層； 在A1N隔離層上淀積AlGaN組份漸變層； 在AlGaN組份漸變層上淀積A1N帽層；在AlGaN組份漸變層和A1N帽層上制作掩膜，刻蝕出用于淀積 柵極金屬接觸、漏極和源極歐姆接觸的臺階，分別在臺階的不同位 置淀積金屬，制作源極和漏極的歐姆接觸與柵極的金屬接觸。
5. —種制作權利要求l所述的GaN器件方法，包括如下過程 在SiC材料襯底上外延一層A1N緩沖層； 在該緩沖層上分別淀積一層GaN本征材料層作為器件的工作區；在所述的GaN本征層上淀積一層A1N材料作為隔離層；在A1N隔離層上淀積AlGaN組份漸變層； 在AlGaN組份漸變層上淀積A1N帽層；在AlGaN組份漸變層和A1N帽層上制作掩膜，刻蝕出用于淀積 柵極金屬接觸、漏極和源極歐姆接觸的臺階，分別在臺階的不同位 置淀積金屬，制作源極和漏極的歐姆接觸與柵極的金屬接觸。
6. 根據權利要求4所述的方法，其特征在于在A1N隔離層上淀 積AlGaN組份漸變層的壓力為20Torr，溫度為1000度 1020度，Al 組份為從10%漸變到50%，隨著A1組份的增加，溫度從1000度逐 漸增加到1020度。
7. 根據權利要4、 5所述的方法，其特征在于在AlGaN組份漸變 層上淀積A1N帽層的溫度為i000度 1020度，壓力為20Torr。
8. 根據權利要5所述的方法，其特征在于在A1N隔離層上淀積 AlGaN組份漸變層的溫度為1000度 1020度，壓力為20Torr， Al組 份為從10%漸變到60%，隨著A1組份的增加，溫度從1000度逐漸 增加到1020度。
全文摘要
本發明公開了一種基于組份漸變GaN MISFET的GaN器件及制備方法。該器件包括底層(1)、緩沖層(2)、本征GaN材料層(3)、AlN隔離層(4)及源(7)、漏(8)、柵(9)極接觸，其中AlN隔離層上依次設有AlGaN組份漸變層(5)和AlN帽層(6)。該器件的制作過程是在藍寶石或碳化硅襯底上依次外延GaN或AlN緩沖層、淀積GaN本征層、淀積AlN隔離層；淀積AlGaN組份漸變層、淀積AlN帽層，并分別將頂部的AlN帽層兩側和AlGaN漸變層兩側的一部分刻蝕掉，形成中間高、兩邊低的臺階結構，在該臺階的不同臺面上分別制作源極和漏極的歐姆接觸與柵極的金屬接觸。本發明具有漏電流小、柵壓高的優點，可用于制作大功率微波器件。
文檔編號H01L21/02GK101132022SQ20071001877
公開日2008年2月27日 申請日期2007年9月29日 優先權日2007年9月29日
發明者張進城, 躍 郝, 陳軍峰 申請人:西安電子科技大學