具有高击穿电压的AlGaN高电子迁移率晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有高击穿电压的AlGaN高电子迁移率晶体管及其制备方法，该高电子迁移率晶体管包括依次层叠于衬底上的应力缓冲层、n‑AlGaN缓冲层、AlGaN势垒层，以及位于势垒层上的源电极、漏电极和栅电极，栅电极位于所述源电极和漏电极之间，n‑AlGaN缓冲层中设置有Al

【技术实现步骤摘要】
具有高击穿电压的AlGaN高电子迁移率晶体管及其制备方法
本专利技术涉及微电子
，具体涉及一种具有高击穿电压的AlGaN高电子迁移率晶体管及其制备方法。
技术介绍
随着现代武器装备和航空航天、通信技术、核能等其他领域的发展，新型电器对半导体器件的性能提出了更高的要求。作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、击穿场强高和导热性能好等特点。近年来,AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)因其高二维电子气(2DEG)浓度、高电子饱和速度及高击穿电场等优越特性在学术界和工业界受到广泛关注，被认为是电力电子领域的理想应用器件。在传统AlGaN/GaN异质结中，GaN沟道和AlGaN势垒层之间存在巨大的晶格失配现象，AlGaN势垒层始终处于张应变状态。处于张应变状态的AlGaN势垒层，在HEMT器件工作时会产生逆压电效应，在其内部形成晶体缺陷。这些缺陷严重影响器件的工作性能和可靠性。解决AlGaN势垒层应变引起的器件可靠性问题、功率密度与电流密度之间的矛盾和较低的击穿电压是改进GaNHEMT器件性能的主要难题。GaN的禁带宽度仅为AlN的禁带宽度的二分之一，其击穿电压是AlN的击穿电压的四分之一，同时，AlN的饱和电子漂移速度几乎与GaN相同，因此用GaN与AlN合金AlGaN取代传统的GaN作为沟道是解决击穿电压与电流密度的有效手段之一。而现有的AlGaN/GaNHEMT器件承受高压时，栅漏电极间沟道中的电子气未被电场耗尽，导致在栅极靠近漏极段形成了沟道中电场集中的区域，形成电场峰值，峰值随漏极电压增加时迅速变大，使得器件发生击穿，进而影响AlGaN/GaN器件的击穿电压。综上，如何实现AlGaN器件中电场分布更均匀，更大程度的提高器件的击穿电压是本领域亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的首要目的在于提供一种具有高击穿电压的AlGaN高电子迁移率晶体管，该HEMTs器件中在n-AlxGa1-xN缓冲层中增加AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多层量子阱结构，并对该多层量子阱结构的位置进行了特殊的设计，使得该器件在承受高压时能够调节器件内部电场的分布并由此提升器件的击穿电压。基于上述目的，本专利技术至少提供如下技术方案：具有高击穿电压的AlGaN高电子迁移率晶体管，其包括，依次层叠于衬底表面的应力缓冲层、n-AlxGa1-xN缓冲层、AlyGa1-yN势垒层，以及位于所述势垒层上的源电极、漏电极和栅电极，栅电极位于所述源电极和漏电极之间，0<x<0.5，0<y<0.5，x≠y；至少三个凹槽结构，自所述衬底的背面延伸至所述n-AlxGa1-xN缓冲层中，且相邻凹槽结构之间沿电极的长度方向上具有一定的间隔，所述凹槽结构在宽度方向上自所述源电极下方延伸至所述漏电极下方；AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多层量子阱，位于所述n-AlxGa1-xN缓冲层中的凹槽结构底部；绝缘区，沿所述凹槽结构分布，自所述凹槽结构底部的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多层量子阱表面延伸至所述衬底的背面。所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多层量子阱由5个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱层和垒层构成，所述阱层的单层厚度为3nm，所述垒层的单层厚度为8nm。所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多层量子阱中，阱层中Al组分x＝0.6，垒层中Al组分y＝0.7。所述AlyGa1-yN势垒层的厚度为20-40nm，所述n-AlxGa1-xN缓冲层的厚度为2-4μm。所述AlyGa1-yN势垒层为Al0.1Ga0.9N，所述n-AlxGa1-xN缓冲层为n-Al0.4Ga0.6N。所述应力缓冲层为AlN、GaN、AlGaN中的至少一种，所述应力缓冲层厚度为100nm至3μm。所述应力缓冲层为三层Al元素含量依次下降的Al0.7Ga0.3N层、Al0.4Ga0.6N层以及Al0.2Ga0.8N层构成，其中Al0.7Ga0.3N层邻近衬底，其厚度分别为150nm、200nm和250nm。具有高击穿电压的AlGaN高电子迁移率晶体管的制备方法，其包括以下步骤：选用硅衬底并进行退火处理；在所述衬底表面外延生长应力缓冲层；在所述应力缓冲层上依次外延生长N型掺杂AlxGa1-xN缓冲层和AlyGa1-yN势垒层，0<x<0.5，0<y<0.5，x≠y；采用ICP刻蚀工艺，以SF6和O2气体等离子体从所述硅衬底背面的预定区域刻蚀至所述应力缓冲层，以在所述硅衬底中形成至少三个预定凹槽结构；沿着所述预定凹槽结构，以ICP刻蚀所述应力缓冲层至所述N型掺杂AlxGa1-xN缓冲层中一定深度，形成贯穿硅衬底和应力缓冲层的凹槽结构，且该凹槽结构延伸至AlxGa1-xN缓冲层中一定深度；在所述凹槽结构底部的AlxGa1-xN缓冲层上生长AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多层量子阱结构；采用等离子体增强化学气相沉积法在所述凹槽结构中的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多层量子阱表面沉积SiO2绝缘材料；形成源电极、漏电极以及栅电极；其中，所述相邻凹槽结构之间沿电极的长度方向上具有一定的间隔，所述凹槽结构在宽度方向上自所述源电极下方延伸至所述漏电极下方。所述应力缓冲层的生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述硅衬底上外延生长Al元素摩尔含量依次下降的Al0.7Ga0.3N层、Al0.4Ga0.6N层以及Al0.2Ga0.8N层，其厚度分别为150nm、200nm和250nm。所述ICP刻蚀工艺中，SF6和O2气体总流量为50sccm，SF6和O2气体流量比为4:1，ICP功率为300-800W；刻蚀所述应力缓冲层至所述N型掺杂AlxGa1-xN缓冲层中一定深度的步骤中，通入Cl2，Ar，BCl3气体的混合等离子体，Cl2，Ar，BCl3气体的流量分别为4sccm、4sccm、22sccm。与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益效果：本专利技术基于AlGaNHEMT，提供了一种具有高击穿电压的AlGaN高电子迁移率晶体管及其制备方法，该器件的n-AlxGa1-xN缓冲层中设置有AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多层量子阱，且该多层量子阱位于源电极至栅电极的下方区域，由于该AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多层量子阱的设置使得该器件的漏电极上施加高压后，过剩载流子激增，该多层量子阱限制过剩载流子移动，保持过剩载流子在势阱内并进行复合，降低了泄露电流向下传导，从而提高了器件的击穿电压，提升了常关型HEMT器件的性能，尤其是对击穿电压的提高和泄露电流的降低十分显著。本专利技术器件结构简易，制作工艺上具有可重复性和高可靠性，在确保器件关断的情况下，提高了器件的击穿电压，降低了其泄漏电流，满足了GaNHEMT器件在高压开关、高频环境、数字电路等领域的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有高击穿电压的AlGaN高电子迁移率晶体管，其包括，依次层叠于衬底表面的应力缓冲层、n-Al

【技术特征摘要】
1.具有高击穿电压的AlGaN高电子迁移率晶体管，其包括，依次层叠于衬底表面的应力缓冲层、n-AlxGa1-xN缓冲层、AlyGa1-yN势垒层，以及位于所述势垒层上的源电极、漏电极和栅电极，栅电极位于所述源电极和漏电极之间，0<x<0.5，0<y<0.5，x≠y；其特征在于，还包括，
至少三个凹槽结构，自所述衬底的背面延伸至所述n-AlxGa1-xN缓冲层中，且相邻凹槽结构之间沿电极的长度方向上具有一定的间隔，所述凹槽结构在宽度方向上自所述源电极下方延伸至所述漏电极下方；
AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多层量子阱，位于所述n-AlxGa1-xN缓冲层中的凹槽结构底部；
绝缘区，沿所述凹槽结构分布，自所述凹槽结构底部的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多层量子阱表面延伸至所述衬底的背面。


2.根据权利要求1的所述AlGaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多层量子阱由5个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱层和垒层构成，所述阱层的单层厚度为3nm，所述垒层的单层厚度为8nm，阱层中Al组分x＝0.6，垒层中Al组分y＝0.7。


3.根据权利要求2的所述AlGaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多层量子阱中，阱层中Al组分x＝0.6，垒层中Al组分y＝0.7。


4.根据权利要求1-3之一的所述AlGaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述AlyGa1-yN势垒层的厚度为20-40nm，所述n-AlxGa1-xN缓冲层的厚度为2-4μm。


5.根据权利要求4的所述AlGaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述AlyGa1-yN势垒层为Al0.1Ga0.9N，所述n-AlxGa1-xN缓冲层为n-Al0.4Ga0.6N。


6.根据权利要求4的所述AlGaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述应力缓冲层为AlN、GaN、AlGaN中的至少一种，所述应力缓冲层厚度为100nm至3μm。


7.根据权利要求6的所述AlGaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述应力缓冲层为三层Al元素含...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭志友，马建铖，夏晓宇，张淼，夏凡，谭秀洋，李渊，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44