一种GaN基HEMT及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种GaN基HEMT及其制备方法和应用。本发明专利技术的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、AlGaN势垒层和钝化层，还包括源极、栅极、漏极和GaN帽层，源极、栅极和漏极中至少有一个设置有场板。本发明专利技术的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、AlGaN势垒层和GaN帽层；2)沉积钝化层；3)沉积源极和漏极；4)沉积栅极；5)沉积场板。本发明专利技术的GaN基HEMT具有击穿电压大、稳定性和可靠性高等优点，且其制备方法简单、可行性高、可重复性高，适合在高温、高压条件下的大功率应用。高压条件下的大功率应用。高压条件下的大功率应用。

【技术实现步骤摘要】
一种GaN基HEMT及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及半导体器件
，具体涉及一种GaN基HEMT及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着微波与射频技术的快速发展，现有的Si基功率器件和GaAs基功率器件在面对高温、高耐压、抗辐射、大功率、高效率、超带宽等工作条件时已经无法完全满足相应的性能要求，微波功率器件的研究重心开始转向宽禁带半导体材料器件。
[0003]氮化镓(GaN)具有禁带宽度大、击穿电压高、极化效应显著等特性，而以AlGaN/GaN HEMT为代表的GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)具有电子浓度高、电子迁移率大、击穿电压大(高达3.4MV/cm)等优点，特别适用于高场条件下的大功率应用。
[0004]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、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，当在关态下对漏极施加高电压时，由于栅漏间沟道处的二维电子气处于未完全耗尽的状态，电场会聚集在栅极靠近漏极一侧的边缘附近，形成一个强的电场峰值，电场峰值随着栅漏电压的增加而增加，直至高于氮化镓的临界击穿电压，器件最终发生雪崩击穿而失效(器件的击穿电压定义为漏极和栅极之间电场强度的积分)。栅极靠近漏极一侧边缘的强电场峰值的存在使得器件的实际击穿电压远低于其理论击穿电压，GaN材料的高临界击穿电场的优势无法得到充分发挥，因此，典型结构的GaN基HEMT在高压方面的应用受到很大限制。
[0005]目前，为了提高GaN基HEMT的耐压特性，最常见的方法是引入场板结构，例如：Saito等人制备出了具有源场板结构的GaN基HEMT，其导通电阻低至3.3mΩ
·
cm2，击穿电压高达600V，场板的引入有利于降低器件栅极靠漏极一侧的强电场峰值，有效提高了器件的关态击穿电压(Saito,Takada,Kuraguchi,et al.High breakdown voltage AlGaN
‑
GaN power
‑
HEMT design and high current density switching behavior[J].in IEEE Transactions on Electron Devices,2003,50(12):2528
‑
2531.)。然而，场板技术虽然可以在一定程度上提升器件的耐压特性，但距氮化镓的理论耐压极限还有很大差距，器件的耐压性能还有巨大的提升空间。
[0006]因此，如何进一步提升器件的耐压性能成为GaN基HEMT实现高温、高压应用亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种GaN基HEMT及其制备方法和应用。
[0008]本专利技术所采取的技术方案是：
[0009]一种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、AlGaN势垒层和钝化层，还包括源极、栅极、漏极和GaN帽层；所述源极与AlGaN势垒层形成欧姆接触，且与钝化层接触；所述栅极至少部分贯穿钝化层，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；所述GaN帽层设置在钝化层内部，且设置在栅极和漏极之间的区域；所述GaN帽层与AlGaN势垒层接触形成自然极化结；所述源极、栅极和漏极中至少有一个设置有场板。
[0010]优选的，所述衬底为Si衬底。
[0011]优选的，所述GaN缓冲层的厚度为2μm～5μm。
[0012]优选的，所述GaN沟道层的厚度为10nm～20nm。
[0013]优选的，所述AlGaN势垒层的厚度为15nm～30nm。
[0014]优选的，所述AlGaN势垒层中Al的质量百分含量为15％～35％。
[0015]优选的，所述钝化层的厚度为400nm～600nm。
[0016]优选的，所述钝化层的组成成分包括Si3N4、SiO2、Al2O3、GaO、MgO、AlN中的至少一种。
[0017]优选的，所述源极的组成成分包括Ti、Al、Ni和Au。
[0018]优选的，所述栅极的组成成分包括Ni和Au。
[0019]优选的，所述漏极的组成成分包括Ti、Al、Ni和Au。
[0020]优选的，所述GaN帽层的长度小于栅极和漏极之间的距离。
[0021]优选的，所述GaN帽层由多个独立的区域构成。
[0022]优选的，所述GaN帽层的厚度为15nm～60nm。
[0023]优选的，所述GaN帽层的掺杂方式为非故意掺杂(GaN帽层在自然条件下生长，没有进行人为的有意掺杂)或P型掺杂(在GaN帽层生长过程中人为进行金属Mg元素的掺杂，使GaN的半导体类型转变为P型)。
[0024]优选的，所述P型掺杂的Mg掺杂浓度为1
×
10
14
cm
‑3～5
×
10
16
cm
‑3。
[0025]优选的，所述场板的组成成分包括Ni和Au。
[0026]一种如上所述的GaN基HEMT的制备方法包括以下步骤：
[0027]1)采用金属有机化学气相淀积法在衬底上依次外延生长GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层和GaN帽层，再进行退火；
[0028]2)采用金属有机化学气相淀积法沉积钝化层；
[0029]3)采用电感耦合等离子体刻蚀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法沉积源极和漏极，再进行退火处理；
[0030]4)采用电感耦合等离子体刻蚀法在钝化层上刻蚀出栅极制备区域，再采用电子束蒸发沉积法沉积栅极；
[0031]5)采用电子束蒸发沉积法沉积场板，即得GaN基HEMT。
[0032]优选的，步骤1)所述衬底在使用前进行过清洗。
[0033]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。
[0034]优选的，步骤1)所述退火在N2氛围中进行，退火温度为350℃～450℃，退火时间为5min～10min。
[0035]优选的，步骤3)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。
[0036]一种电子设备，其组成包括上述GaN基HEMT。
[0037]本专利技术的有益效果是：本专利技术的GaN基HEMT具有击穿电压大、稳定性和可靠性高等优点，且其制备方法简单、可行性高、可重复性高，适合在高温、高压条件下的大功率应用。
[0038]具体来说：
[0039]1)本专利技术通过场板技术和RESURF技术分别引入场板结构和自本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种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、AlGaN势垒层和钝化层，还包括源极、栅极、漏极和GaN帽层；所述源极与AlGaN势垒层形成欧姆接触，且与钝化层接触；所述栅极至少部分贯穿钝化层，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；所述GaN帽层设置在钝化层内部，且设置在栅极和漏极之间的区域；所述GaN帽层与AlGaN势垒层接触形成自然极化结；所述源极、栅极和漏极中至少有一个设置有场板。2.根据权利要求1所述的GaN基HEMT，其特征在于：所述GaN帽层的长度小于栅极和漏极之间的距离。3.根据权利要求2所述的GaN基HEMT，其特征在于：所述GaN帽层由多个独立的区域构成。4.根据权利要求1～3中任意一项所述的GaN基HEMT，其特征在于：所述GaN帽层的厚度为15nm～60nm。5.根据权利要求1～3中任意一项所述的GaN基HEMT，其特征在于：所述GaN帽层的掺杂方式为非故意掺杂或P型掺杂。6.根据权利要求1～3中任意一项所述的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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，罗玲，吴能滔，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：