增強型自支撐垂直結構Ⅲ族氮化物HEMT器件及AlGaN/GaNHEMT器件的制作方法與工藝

增強型自支撐垂直結構Ⅲ族氮化物HEMT器件及AlGaN/GaNHEMT器件技術領域本實用新型涉及一種增強型HEMT器件，特別涉及一種增強型自支撐垂直結構Ⅲ族氮化物(例如AlGaN/GaN)HEMT器件及其制作方法，屬于微電子技術領域。

背景技術：
1993年Khan等人制作出第一支GaN基金屬半導體場效應晶體管(MESFET)AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)，其水平結構、AlGaN/GaN性能、能耗以及優值等均優于Si器件。但是依然存在一些問題制約著GaN器件的商業化進程，例如AlGaN/GaNHFET在大柵極偏壓或高頻條件下會出現電流崩塌效應，當AlGaN/GaNHFET工作在高溫、大功率環境下會產生的“自熱效應”，降低器件的微波功率特性，以及不易于Si功率型器件兼容性很差的問題。為了滿足不同額定功率、開關頻率以及增益等要求，Si基功率型器件從雙極性晶體管、晶閘管、雙極性晶體管、MOSHFET以及到后來發展的IGBT。Si基功率型器件的電流傳輸方向從水平方向到垂直方向的傳輸，而這種傳輸模式對于之后器件的封裝等商業化提供了便利。AlGaN/GaNHEMT器件從水平型結構到垂直型結構發展的趨勢。但是耗垂直型AlGaN/GaNHEMT器件中存在著較難關斷的技術難點，而增強型垂直型AlGaN/GaNHEMT器件可以解決這一問題。另外，在HEMT器件應用到大功率開關電路中時，為了電路的設計簡單和安全方面考慮，一般要求開關器件具有常關特性即需要器件為增強型器件。對于水平器件來說，常用的實現增強型HEMT器件的方法有薄勢壘層、P型柵結構、凹槽柵結構、氟等離子體處理和氟離子注入技術。這幾種技術均有一定的缺陷：薄勢壘層不使用刻蝕工藝，所以帶來的損傷小，但是由于較薄的勢壘層，器件的飽和電流較小；凹柵結構解決了飽和電流較小的問題，但是一般的HEMT器件之中勢壘層只有20-30nm，采用刻蝕工藝形成凹柵結構的工藝難于控制，重復性較差且P型蓋帽層產生界面態，影響器件的穩定性；F等離子處理也能實現增強型HEMT器件，并且不需要刻蝕，但是注入F離子的過程中，由于等離子體的存在，會產生刻蝕勢壘層的現象，并且由于等離子體中存在多種離子，在實驗中控制較難，如果直接采用離子注入機將F離子注入到勢壘層，由于勢壘層只有20-30nm左右，并且一般離子注入機的注入能量較高，所以注入的F離子通過勢壘層AlGaN進入GaN緩沖層，嚴重影響二維電子氣的遷移率使器件在開啟的狀態下，源漏電流較小。同樣的，對于垂直器件來說，其同樣存在前述的這些缺陷。

技術實現要素：
本實用新型的主要目的在于提供一種增強型自支撐垂直結構Ⅲ族氮化物HEMT器件及其制作方法，以克服現有技術中的不足。為實現前述發明目的，本實用新型采用的技術方案包括：本實用新型實施例提供了一種增強型自支撐垂直結構Ⅲ族氮化物HEMT器件，其包括N極性或P極性外延結構以及源極、漏極和柵極，所述外延結構包括從下向上依次形成于襯底的第一表面的電流阻擋層、異質結構和第三半導體，所述異質結構主要由第一半導體和第二半導體形成，且所述異質結構內形成有二維電子氣，所述襯底的與第一表面相背對的第二表面和漏極形成歐姆接觸，所述第二半導體與源極形成歐姆接觸，所述柵極設置在第三半導體上，所述電流阻擋層內分布有電流導通通道，所述電流導通通道沿豎直方向貫穿所述電流阻擋層，且所述電流導通通道的電阻率小于所述電流阻擋層，其中所述第一半導體、第二半導體和第三半導體均為N極性的，且所述第一半導體、第二半導體和第三半導體均選自Ⅲ族氮化物半導體。本實用新型實施例還提供了一種增強型自支撐垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件，其包括N極性外延結構以及源極、漏極和柵極，所述N極性外延結構包括從下向上依次形成于襯底的第一表面的電流阻擋層、N極性的第一AlGaN層、N極性本征GaN層和N極性的第二AlGaN層，所述襯底的與第一表面相背對的第二表面和漏極形成歐姆接觸，所述本征GaN層與源極形成歐姆接觸，所述柵極設置在第二AlGaN層上，所述電流阻擋層內分布有電流導通通道，所述電流導通通道沿豎直方向貫穿所述電流阻擋層，且所述電流導通通道的電阻率小于所述電流阻擋層。本實用新型實施例還提供了一種制備所述增強型自支撐垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件的方法，其包括：提供具有相背對的第一表面和第二表面的襯底；在所述襯底的第一表面生長形成電流阻擋層，并在所述電流阻擋層的選定區域進行N型摻雜，從而于所述電流阻擋層內形成沿豎直方向貫穿電流阻擋層的電流導通通道，且所述電流導通通道的電阻率小于所述電流阻擋層；在所述電流阻擋層上生長形成N極性的第一AlGaN層、N極性本征GaN層和N極性的第二AlGaN層；刻蝕所述第二AlGaN層，而僅使位于柵下區域的第二AlGaN層余留；加工形成分別與所述本征GaN層和所述襯底的第二表面形成歐姆接觸的源極和漏電極；以及，加工形成與第二AlGaN層形成肖特基接觸的柵極。與現有技術相比，本實用新型的優點包括：(1)本實用新型提供的增強型自支撐垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件中系采用N極性Ⅲ族氮化物形成N極性外延結構，容易實現增強型，最上層AlGaN僅在柵下區域存在，可使柵極下二維電子氣耗盡，從而實現增強型器件，其在精度方面無特別嚴苛的要求，利于工業化生產。(2)較為優選的，本實用新型提供的增強型自支撐垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件制作方法可采用高阻GaN作為電流阻擋層，通過利用Si離子注入等方式在該高阻GaN內形成電流導通通道，可以實現柵控的垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件。其中，通過采用不同劑量和能量的Si離子注入，可以控制注入深度和摻雜濃度，更有效的實現電流導通通道的低電阻率，以達到柵控的開態與關斷。(3)較為優選，本實用新型提供的增強型自支撐垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件制作方法中可采用SiO2介質層等作為電流阻擋層，其既可以進一步提高電流阻擋層的勢壘高度，又可利用其良好的絕緣性降低垂直漏電。此外與傳統的阻擋層結構相比，本實用新型利用基于圖形化SiO2等的側向外延技術可以得到更高的晶體質量，且只需一次外延生長，避免了二次外延生長所引入的更多污染，可以簡化生長工藝，降低生產成本。附圖說明為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本實用新型實施例1中第一次外延后高阻GaN層的剖視圖；圖2是本實用新型實施例1中通過Si離子注入實現電流導通通孔的剖視圖；圖3是本實用新型實施例1中一種增強型自支撐垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件的剖視圖；圖4是本實用新型實施例2中淀積SiO2作為電流阻擋層的剖視圖；圖5是本實用新型實施例2中對SiO2電流阻擋層刻蝕的剖視圖；圖6是本實用新型實施例2中增強型自支撐垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件的剖視圖；附圖標記說明：漏極1，N極性GaN襯底2，電流阻擋層3，電流阻擋層3’，電流導通通道4，N極性AlGaN勢壘層5，N極性本征GaN層6，二維電子氣溝道7，N極性AlGaN層8，源極9，柵極10。具體實施方式為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式進行詳細說明。這些優選實施方式的示例在附圖中進行了例示。附圖中所示和根據附圖描述的本實用新型的實施方式僅僅是示例性的，并且本實用新型并不限于這些實施方式。在此，還需要說明的是，為了避免因不必要的細節而模糊了本實用新型，在附圖中僅僅示出了與根據本實用新型的方案密切相關的結構和/或處理步驟，而省略了與本實用新型關系不大的其他細節。本實用新型實施例的一個方面提供的一種增強型自支撐垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件包括N極性外延結構以及源極、漏極和柵極，所述N極性外延結構包括從下向上依次形成于襯底的第一表面的電流阻擋層、N極性的第一AlGaN層、N極性本征GaN層和N極性的第二AlGaN層，所述襯底的與第一表面相背對的第二表面和漏極形成歐姆接觸，所述本征GaN層與源極形成歐姆接觸，所述柵極設置在第二AlGaN層上，所述電流阻擋層內分布有電流導通通道，所述電流導通通道沿豎直方向貫穿所述電流阻擋層，且所述電流導通通道的電阻率小于所述電流阻擋層。本實用新型的增強型自支撐垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件中，利用N極性外延結構拉升了能帶，從而使得常態下二維電子氣耗盡，器件處于關斷狀態。本實用新型的增強型自支撐垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件的工作原理包括：當器件處于導通狀態下，電子從源極沿著二維電子氣溝道傳輸，當電子傳輸到電流導通通孔上方時，由于電流導通通道電阻率較低，電子從二維電子氣溝道轉向電流導通通道傳輸，到達漏極，當柵壓為零時，柵極下方的二維電子氣耗盡，電子傳輸被阻擋，這時器件處于關態。較為優選的，所述第二AlGaN層僅分布于在位于柵極正下方的區域內。進一步的，所述第二AlGaN層可以通過外延后再刻蝕而形成，其厚度優選為大于0而小于或等于30nm，使得柵下的二維電子氣被耗盡。較為優選的，所述襯底選自N極性GaN自支撐襯底。較為優選的，所述第一AlGaN層(亦可認為是AlGaN勢壘層)的厚度大于0而小于或等于30nm，如此盡可能減小二維電子氣下AlGaN漏電。較為優選的，所述本征GaN層的厚度大于0而小于或等于50nm，使得器件對二維電子氣有有效的柵控。較為優選的，所述第二AlGaN層與柵極之間形成肖特基接觸。較為優選的，所述電流導通通道僅分布在位于第二AlGaN層正下方的區域內。較為優選的，所述電流導通通道是通過對電流阻擋層的選定區域進行N型摻雜而形成的。例如，可以采用N極性高阻GaN層作為外延結構中的電流阻擋層，而通過對電流阻擋層的選定區域通過Si離子注入等方式進行N型摻雜，即可形成電阻率小于電流阻擋層的電流導通通道(亦可認為是電流導通通孔)。較為優選的，所述電流導通通道也可以是通過對電流阻擋層的選定區域進行刻蝕形成通孔，之后在電流阻擋層上側向外延生長N極性的第一AlGaN層，同時使AlGaN填充入通孔而形成電阻率小于電流阻擋層的電流導通通道。即，所述電流導通通道是通過在電流阻擋層內的通孔中填充N極性的AlGaN材料而形成的導電通道。較為優選的，第一AlGaN層與本征GaN層之間還分布有隔離層。其中，所述隔離層的材質可以是AlN等，其厚度可以優選為1-5nm。例如，所述隔離層可以采用厚度為1-5nm的AlN隔離層，其中，AlN隔離層的存在一方面可以增加AlGaN/GaN極化，另一方面也可抑制Si原子在界面處的擴散，進而提高AlGaN/GaN的二維電子氣濃度。本實用新型實施例的另一個方面提供的一種制作所述增強型自支撐垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件的方法包括：提供具有相背對的第一表面和第二表面的襯底；在所述襯底的第一表面生長形成電流阻擋層，并在所述電流阻擋層的選定區域進行N型摻雜，從而于所述電流阻擋層內形成沿豎直方向貫穿電流阻擋層的電流導通通道，且所述電流導通通道的電阻率小于所述電流阻擋層；在所述電流阻擋層上生長形成N極性的第一AlGaN層、N極性本征GaN層和N極性的第二AlGaN層；刻蝕所述第二AlGaN層，而僅使位于柵下區域的第二AlGaN層余留；加工形成分別與所述本征GaN層和所述襯底的第二表面形成歐姆接觸的源極和漏電極；以及，加工形成與第二AlGaN層形成肖特基接觸的柵極。在一些實施方案中，所述的制作方法包括：通過采用離子注入方式對所述電流阻擋層的選定區域進行N型摻雜，從而形成所述電流導通通道。在一些實施方案中，所述的制作方法包括：對電流阻擋層的選定區域進行刻蝕形成通孔，之后在電流阻擋層上側向外延生長N極性的第一AlGaN層，在此過程中使AlGaN填充入通孔而形成電阻率小于電流阻擋層的電流導通通道。在一些實施方案中，所述的制作方法包括：在制作完成源、漏電極后，采用離子注入方式對形成的器件的有源區進行臺面隔離，之后進行柵極的制作。在一些較為具體的實施例中，所述制作方法包括但不限于：在襯底上設置N極性高阻GaN層作為外延結構中的電流阻擋層，并對電流阻擋層的選定區域通過Si離子注入進行n型摻雜而形成電阻率小于電流阻擋層的電流導通通孔；以及，在所述電流阻擋層上繼續外延生長其它結構層，之后在形成的器件上制作源、漏、柵電極。在一些較為具體的實施例中，所述制作方法包括但不限于：在襯底上設置pGaN或SiO2介質層作為外延結構中的電流阻擋層，并對電流阻擋層的選定區域進行刻蝕，然后進行橫向外延，在所述電流阻擋層上繼續外延結生長其它結構層并形成電流導通通道，之后在形成的器件上制作源、漏、柵電極。進一步的，本實用新型事實上也還適用于其它基于III族氮化物的增強型HEMT器件。因此，本實用新型的實施例還提供了一種增強型自支撐垂直結構Ⅲ族氮化物HEMT器件，其包括N極性外延結構以及源極、漏極和柵極，所述外延結構包括從下向上依次形成于襯底的第一表面的電流阻擋層、異質結構和第三半導體，所述異質結構主要由第一半導體和第二半導體形成，且所述異質結構內形成有二維電子氣，所述襯底的與第一表面相背對的第二表面和漏極形成歐姆接觸，所述第二半導體與源極形成歐姆接觸，所述柵極設置在第三半導體上，所述電流阻擋層內分布有電流導通通道，所述電流導通通道沿豎直方向貫穿所述電流阻擋層，且所述電流導通通道的電阻率小于所述電流阻擋層，其中所述第一半導體、第二半導體和第三半導體均為N極性的，且所述第一半導體、第二半導體和第三半導體均選自Ⅲ族氮化物半導體。以下結合附圖和若干實施例對本實用新型的技術方案作進一步的解釋說明。實施例1本實施例涉及一種制作基于N極性Ⅲ族氮化物的、使用GaN自支撐襯底實現增強型自支撐垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件的方法，其包括以下步驟：(1)在N極性GaN自支撐襯底2上外延生長幾百納米到幾微米范圍內的N極性高阻GaN層(即電流阻擋層3)，生長完成后從MOCVD腔室取出，并利用有機溶液進行清洗，再用高純氮氣進行吹洗，獲得的高阻GaN外延片結構如圖1所示。(2)對清洗干凈的高阻GaN外延片進行光刻顯影，光刻膠采用AZ5214，曝光時間為6.5s，顯影時間為50s-60s，形成一個Si離子注入窗口。(3)對通過光刻形成離子注入窗口的外延片利用離子注入機引入Si束流，同時調節Si離子的注入能量和劑量，完成Si離子注入，使Si能夠在高阻GaN實現有效的摻雜，形成一個相對于高阻GaN電阻率低的電流導通通道4，所獲完成Si離子注入的外延片的結構可參見圖2。(4)以有機溶劑對完成Si離子注入的外延片進行清洗，并在進行二次外延生長前置入200℃烘箱中烘2小時，以除去表面水分以及雜質。(5)在進行二次外延的過程中，樣品被置入MOCVD設備的生長腔室，首先MOCVD升溫到1160℃對Si離子注入進行退火，使受損的晶格有一定的恢復，然后生長N極性AlGaN勢壘層5、N極性本征GaN層6、二維電子氣溝道7和N極性AlGaN層8，形成N極性垂直結構AlGaN/GaN外延片。(6)對外延生長的N極性垂直結構AlGaN/GaN外延片首先進行有機溶液清洗，再用去離子水沖洗，之后用高純氮氣吹掃干凈，然后對非柵下區域的最上層N極性AlGaN5進行刻蝕，使其大體被刻蝕干凈。(7)對N極性垂直結構AlGaN/GaNHEMT外延片進行光刻，形成源極區，再放入電子束沉積臺，沉積歐姆接觸金屬Ti/Al/Ni/Au(20nm/130/nm/50nm/150nm)，之后進行剝離清洗，完成源極9的制作。(8)對襯底2背面沉積漏極1并形成歐姆接觸，其過程同樣可以利用電子束沉積Ti/Al/Ni/Au(20nm/130/nm/50nm/150nm)及并行剝離清洗，沉積完以后對樣品進行890℃30s歐姆接觸退火。(9)樣品退火完以后，進行光刻和顯影，利用光刻膠掩膜對有源區進行保護，F注入隔離形成器件隔離。(10)臺面隔離完成以后，進行清洗光刻形成柵極區，同樣利用電子束沉積Ni/Au(50/250nm)進行剝離形成柵極10，之后在氮氣氣氛下400℃10min退火形成肖特基接觸，完成柵極10的制作，同時也完成整個HEMT器件的制作。參見圖3所示為本實施例制得的增強型自支撐垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件的結構示意圖。實施例2本實施例涉及一種制作基于N極性Ⅲ族氮化物的、使用GaN自支撐襯底實現增強型自支撐垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件的方法，其包括以下步驟：(1)在N極性GaN自支撐襯底2上外延生長幾百納米到幾微米范圍內的N極性pGaN層和/或SiO2介質層3(即電流阻擋層3’)，所形成的高阻GaN外延片的結構可參見圖4。(2)對清洗干凈的高阻GaN外延片進行光刻顯影，光刻膠采用AZ5214，曝光時間為6.5s，顯影時間為50s-60s，形成一個刻蝕窗口。(3)利用ICP或RIE等刻蝕設備對圖形化區域進行刻蝕，形成一個導通通孔，所獲外延片結構可參見圖5。(4)對外延片進行有機清洗，在進行二次外延生長前放入200℃烘箱中烘2小時后，除去表面水分以及雜質。(5)在進行二次外延過程中，樣品被放入生長腔室，利用側向外延生長N極性材料得到電流導通通道4，然后生長N極性AlGaN勢壘層5、N極性本征GaN層6、二維電子氣溝道7、N極性AlGaN層8等。(6)對外延生長完的N極性垂直結構AlGaN/GaN外延片首先進行有機溶液清洗，再用去離子水沖洗，之后用高純氮氣吹掃干凈，然后對非柵下區域的最上層N極性AlGaN進行刻蝕，使其大體被刻蝕干凈。(7)對N極性垂直結構AlGaN/GaNHEMT外延片進行光刻，形成源極區，再放入電子束沉積臺，沉積歐姆接觸金屬Ti/Al/Ni/Au(20nm/130/nm/50nm/150nm)并進行剝離清洗，完成源極9的制作。(8)在襯底2背面同樣利用電子束沉積Ti/Al/Ni/Au(20nm/130/nm/50nm/150nm)及并行剝離清洗，沉積完以后對樣品進行890℃30s歐姆接觸退火，完成漏極1的制作。(9)樣品退火完以后，進行光刻和顯影，利用光刻膠掩膜對有源區進行保護，F注入隔離形成器件隔離。(10)臺面隔離完成以后，進行清洗光刻形成柵極區，同樣利用電子束沉積Ni/Au(50/250nm)進行剝離，在氮氣氣氛下400℃10min退火形成肖特基接觸，完成柵極10的制作，同時也完成整個HEMT器件的制作。參見圖6為本實施例制得的增強型自支撐垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件的結構示意圖。本實施例HEMT器件的工作原理包括：當柵極10電壓大于閾值電壓時，電子從源極9沿著AlGaN層5、GaN層6界面處的二維電子氣溝道7傳輸，當傳輸到電流導通通道4上方時，由于電流導通通道4的電阻率較低，電子會在垂直方向上沿著電流導通通道4傳輸，最后達到漏極1，由于高阻GaN襯底2對電子有很強的電流阻擋作用，所以大部分電子會沿著電流導通通道4傳輸，這樣垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件處于開態狀態下；當柵極10處于0電位或柵極10電壓小于閾值電壓時，柵極10下的二維電子氣被耗盡，無法進行電子在二維電子氣溝道7的傳輸，使電子無法在電流導通通道4的垂直方向傳輸，使垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件處于關態狀態下，通過調節電流導通通道4大小Lap、源極9與柵極10之間距離Lgs以及柵極10擴充距離Lgo值大小可以實現不同柵控器件特性的垂直結構AlGaN/GaNHEMT器件。應當理解，上述實施例僅為說明本實用新型的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本實用新型的內容并據以實施，并不能以此限制本實用新型的保護范圍。凡根據本實用新型精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。