专利名称：一种采用GaN自图形化模板a面常闭型HEMT制作方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，涉及半导体器件，是ー种新型非极性a面HEMT制作方法，可广泛用于通信、电カ电子等领域。
背景技术：
近十年来，以氮化镓(GaN)为代表的III族氮化物半导体材料与器件发展迅猛，被称为继以硅(Si)为代表的第一代半导体、以神化镓(GaAs)为代表的第二代半导体后的第三代半导体。GaN作为直接带隙的宽禁带半导体材料，可与氮化铟(InN)，氮化铝(AlN)形成禁带宽度连续可变的三元或四元固溶体合金铟镓氮(InGaN)、铝镓氮(AlGaN)和铝铟镓氮(AlInGaN),其对应的波长覆盖了从红外到深紫外光范围，在光电子领域具有极大的应用前景。目前，通过GaN及其固溶体合金材料，已经制作了覆盖紫外到白光发光二极管(LED)、半导体激光器(LD)、高频高功率的高电子迁移率晶体管(HEMT)等各类器件，广泛应用于通信、紫外探測、红外探測、白光照明、电カ电子等领域。高速电子迁移率晶体管(HEMT)是ー种异质结场效应晶体管，其杂质与电子在空间被分隔开，因而电子具有很高的迁移率。在此结构中，通过改变栅极(gate)的电压就可以控制由源极(source)到漏极(drain)的电流,从而达到功率放大的目的。GaN基HEMT具有高跨导、高饱和电流、高截止频率、高工作温度和高功率密度等优点。GaN作为宽禁带材料，在相当大的温度范围内能够精确的控制自由载流子浓度，适合高温工作，从而减少甚至取消冷却系统，使系统的体积和重量大大降低，效率大大提高。此外，GaN材料的高热导率、大的热容量和高的击穿电场等优点都有助于GaN功率器件在大功率的条件下工作。因而，GaN基HEMT称为高频大功率的首选。III族氮化物材料在常温下具有稳定的纤锌矿结构，不具有中心反演对称性，并且III族元素的原子和氮(N)原子的电负性相差很大，导致III族氮化物及其异质结在c面方向具有很强的自发极化和压电极化。这种极化效应导致了异质结界面处可以产生浓度高达IO1Vcm2的ニ维电子气，其电子迁移率可达到2000cm2/Vs左右。也就是说，即使在无故意掺杂的情况下，GaN基HEMT也可获得很高的载流子浓度，从而获得很低的开状态电阻和很高的击穿电压。然而从另一方面来说，异质结界面处的固有载流子浓度越高，就越难获得常闭型HEMT器件。那么，GaN基HEMT由于极化诱导而产生的极化电荷使得常闭型GaN基HEMT器件比起GaAs基HEMT器件更难制作。同吋，GaN基材料强的自发极化和压电极化效应会异质结界面处引起很强的极化电场，强极化电场使得c面HEMT中存在着电流崩塌效应(电流崩塌效应是指器件在应力、脉冲或者射频等工作条件下，器件输出电流减小、输出功率和増益降低等导致器件性能恶化的现象)，这是目前限制HEMT器件实用化的主要问题。在功率射频和电能转换等应用领域，耗尽型(常开型)器件必需采用负电压偏置栅极，这就要求系统提供ー个完全独立的电源系统，而且在应用于电カ开关系统时，总体系统安全性还要求这个负偏压系统的运行先于电源通电。所以很有必要研制增强型(常开型)场效应管来避免系统启动和模式转换时的导通损毀。基于常闭态增强型异质结场效应管(HFET)的电路具有控制简单、低功耗等优点，在电力系统、工业自动化、汽车电子、雷达以及通讯等领域有着非常广阔的应用。为了获得常闭型HEMT器件，研究人员采用了各种不同的方法。2007年，Uemoto, Y.等人通过栅极增加p型AlGaN层制作了最大源漏电流200mA/mm的HEMT器件。2008年，Oka.T等人采用凹型栅结构制作常闭型HEMT器件，获得
5.2V的阈值电压，最大的源漏电流超过200mA/mm，击穿电压400V。2009年，Wanjun Chen等人采用F-离子处理栅极的方法制作GaN基HEMT器件，其击穿电压达到470V。2010年，Kanamura, M.等人制作n-GaN/1-AlN/n-GaN三层盖帽层金属绝缘体半导体-高速迁移率晶体管(MIS-HEMT)常闭型器件，最大的源漏电流达到800mA/mm。相比之下，为了规避c面上存在的强极化效应，一种较为直接的方法是寻求非极性a面上的常闭型HEMT器件。但目前非极性a面上生长的材料晶体质量仍较差，导致晶体质量差的一个主要原因是:非极性面上生长的材料有着很强的各向异性结构。这种结构上的各向异性会导致生长速率上的各向异性，最终降低了表面形貌和晶体质量。为了解决不同方向上各向异性的问题，减少外延层的缺陷密度，一个很重要的方法是:横向外延生长(epitaxial lateralovergrowth: ELO),即通过模板做图形掩膜，限制某个方向的生长速度，使得不同方向上的各向异性降低，从而提高晶体质量和表面形貌。但是器件外二次横向外延的方法严重增加了生长过程的复杂度，也增加了器件的生产成本。因此，如何采用简单的工艺，获得高质量的a面GaN材料并制备出高性能的常闭型HEMT器件成为人们研究的热点
发明内容
本发明目的是在于解决上述提到的关键问题，采用高温退火InGaN产生的自建图形GaN缓冲层，并以此为基础制作a面GaN基HEMT器件。本发明的技术方案为:一种采用GaN自图形化模板a面常闭型HEMT制作方法，其步骤:1)通过InGaN分解得到GaN自图形化生长模板；2)在模板上生长本征GaN层、AlN插入层、本征AlGaN插入层、n型AlGaN层；3) HEMT器件采用凹型栅极的MIS-HEMT结构。GaN自图形化模板是通过，InGaN的高温分解形成，其中In组分为10% 20%，厚度约为30_40nm。AlGaN本征层和η型AlGaN层，其Al组分为20-30%。所述的凹型栅极MIS-HEMT结构式采用Al2O3作为栅介质层，厚度约为20nm。本发明的优点在于:通过InGaN器件内自建图形代替常规的ICP刻蚀二次外延的方法，降低了生长过程的复杂度；实验证实，当生长温度超过1100°c后，InGaN基完全分解。以此制作GaN自图形化模板，可以限制GaN生长的各向异性，提高晶体质量和表面形貌；非极性a面上制作的HEMT器件，规避了 c面的极化效应。
图1为本HEMT芯片结构示意图。图中:
1一监宝石衬底、2—InGaN薄层、3—GaN薄层、4一GaN本征层、5—AlN插入层、6—AlGaN本征插入层、7—η型AlGaN层、8—源、漏极欧姆接触(Ti/Al/Ni/Au)、9一Al2O3介质层、10—栅极肖特基接触。
具体实施例方式本发明包括材料生长和器件制作两个步骤。本发明的材料生长步骤:
步骤1，在r面蓝宝石衬底上，利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺，生长一层薄的InGaN层。将r面蓝宝石衬底清洗干净，并装入MOCVD反应腔，首先在1020°C下退火烘烤5分钟，之后在氨气(NH3)气氛1100°C下氮化5分钟。然后降温至750°C，沉积约40nm厚的InGaN层。生长过程中，三乙基镓(TEG)和三甲基铟(TMI)流量分别为10ymol/min，20ymol/min，氨气流量1500sccm。步骤2，在生长的InGaN层上生长一层薄的GaN并退火形成自图形化GaN缓冲层 在上述步骤后，降温至550°C，生长一层越30nm后的GaN层，TEG流量40 μ mol/min,氨
气流量1500sCCm。随后进行高温退火，将温度上升至1100°C退火2分钟，形成自图形化GaN缓冲层。步骤3，在GaN缓冲层上生长GaN本征层
温度保持1100°c，向反应腔中通入40 μ mol/min的TEG和1500sccm的氨气，生长约
Iμ m的GaN本征层
步骤4，在GaN本征层上生长AlN和AlGaN本征插入层
在上述步骤后，降温至900-1000°C，向反应腔中通入6 μ mol/min的三甲基铝(TMA)和2500sccm的氨气，生长0.2分钟，形成一层很薄的AlN插入层。随后，保持温度不变，通入8 μ mol/min的TMA和30 μ mol/min TEG,生长大约3分钟,形成一层薄的AlGaN本征插入层。步骤5，在插入层上生长η型AlGaN盖帽层
在上述步骤后，保持温度不变，通入8 μ mol/min的TMA和30 μ mol/min TEG，并通入20 μ mol/min的硅烷(SiH4),生长3分钟，形成η型AlGaN盖帽层。本发明的器件制作步骤:
步骤1，在η型AlGaN层上感应离子束刻蚀(ICP)工艺凹型结构；
采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备淀积厚度约为300nm的二氧化硅(SiO2)层来作为刻蚀掩模层。由于对AlGaN材料的刻蚀速率较慢，增加该步骤是为了在样片上形成SiO2和光刻胶共同起作用的双层掩模图形，更有利于保护未刻蚀区域表面；对样片甩正胶，转速为5000r/min，时间为45s，然后再在温度为90°C的烘箱中烘15min，通过光刻以及显影形成刻蚀所需的图形；采用ICP干法刻蚀，形成凹槽，刻蚀时采用的ICP功率为100W，偏压为110V，压力为12Torr ;采用丙酮去除刻蚀后的正胶，然后在氟化铵腐蚀液(BOE)中浸泡Imin去除SiO2掩膜，最后用去离子水清洗干净并用氮气吹干，除去刻蚀后的掩摸层。步骤2，在凹型两端的台面光刻出源极和漏极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发η型欧姆接触金属，形成源极和漏极。为了更好地剥离金属，首先在样片上甩黏附剂，转速为8000r/min，时间为30s，在温度为160°C的高温烘箱中烘20min;然后再在该样品上甩正胶，转速为5000r/min，时间为45s，最后在温度为80°C的高温烘箱中烘lOmin，光刻获得η型电极图形；采用等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，该步骤大大提高了剥离的成品率，而后采用电子束蒸发设备淀积Ti/Al/Ni/Au四层金属；在丙酮中浸泡40min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干。将样片放入到快速退火炉中，首先向退火炉内通入氮气IOmin左右，然后在氮气气氛，温度为850 V条件下进行40s的高温退火，形成η型电极。步骤3，利用原子层沉积(ALD)工艺沉积一层三氧化二铝(Al2O3),作为栅介质层。在300°C下，利用ALD工艺沉积一层约20nm厚的Al2O3,随后在400°C下氢气和氮气的混合气体中退火10分钟。步骤4，随后利用电子束蒸发工艺，在凹槽处蒸发肖特基接触金属形成栅极，形成凹栅的MIS-HEMT结构。首先在样片上甩黏附剂，转速为8000r/min，时间为30s，在温度为160°C的高温烘箱中烘20min;然后再在该样品上甩正胶，转速为5000r/min，时间为45s，最后在温度为80°C的高温烘箱中烘lOmin，光刻获得栅极图形；采用等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，该步骤大大提高了剥离的成品率，而后采用电子束蒸发设备淀积Pt/Au两层金属；在丙酮中浸泡40min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干。将样片放入到快速退火炉中，首先向退火炉内通入氮气IOmin左右，然后在氮气气氛，温度为850°C条件下进行40s的高温退火，形成肖特基接触的栅极。步骤5，利用湿法刻蚀工艺去除源极和漏极欧姆接触金属上的Al2O3，完成整个HEMT器件的制作。
权利要求
1.一种采用GaN自图形化模板a面常闭型HEMT制作方法，其步骤:1)采用MOCVD在蓝宝石衬底上制备出InGaN薄膜，然后通过InGaN分解得到GaN自图形化生长模板；2)在模板上外延生长出本征GaN层、AlN插入层、本征AlGaN插入层、n型AlGaN层；3)HEMT器件采用凹型栅极的MIS-HEMT结构。
2.根据权利要求1所述的ー种采用GaN自图形化模板a面常闭型HEMT制作方法，其特征在于:GaN自图形化模板是通过，InGaN的高温分解形成，其中In组分为10% 20%，厚度为30_40nm。
3.根据权利要求1所述ー种采用GaN自图形化模板a面常闭型HEMT制作方法，其特征在于:AlGaN本征层和n型AlGaN层，其Al组分为20% 30%。
4.根据权利要求1所述ー种采用GaN自图形化模板a面常闭型HEMT制作方法，其特征在于:所述的凹型栅极MIS-HEMT结构式采用Al2O3作为栅介质层，厚度约为20nm。
全文摘要
本发明公开一种采用GaN自图形化模板a面常闭型HEMT制作方法，其步骤在MOCVD反应腔中，通过InGaN分解得到GaN自图形化生长模板；在模板上生长本征GaN层、AlN插入层、本征AlGaN插入层、n型AlGaN层；HEMT器件采用凹型栅极的MIS-HEMT结构。本发明的优点在于通过InGaN器件内自建图形代替常规的ICP刻蚀二次外延的方法，降低了生长过程的复杂度；实验证实，当生长温度超过1100℃后，InGaN基完全分解。以此制作GaN自图形化模板，可以限制GaN生长的各向异性，提高晶体质量和表面形貌；非极性a面上制作的HEMT器件，规避了c面的极化效应。
文档编号H01L21/335GK103094105SQ20131003147
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月28日 优先权日2013年1月28日
发明者张骏, 田武, 孙世闯, 戴江南, 陈长清 申请人:华中科技大学