一种基于硅衬底的hemt器件及其制造方法

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一种基于硅衬底的hemt器件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造技术领域,特别涉及一种基于硅衬底的HEMT器件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]相比于第一、二代半导体材料而言,第三代半导体材料氮化镓(GaN)因为具有更大的禁带宽度(3.4eV)、更强的临界击穿场强以及更高的电子迀移速率,得到了国内外研究者们的广泛关注。尤其是在电力电子高压器件以及高频功率器件方面具有巨大的优势和潜力。
[0003]具体而言,作为第三代半导体材料,氮化镓(GaN)材料具有禁带宽度宽、击穿电场高、输出功率大的优点,而且GaN材料在高压下工作时的导通电阻小,使得GaN基功率器件也表现出更高的增益。同时,GaN基功率器件具有很高的电子迀移率和电子饱和速率,确保了该器件在Ka、Q甚至W波段的高增益。因此,GaN基的高电子迀移率晶体管(High ElectronMobility Transistor,简称HEMT)技术已成为当前毫米波大功率器件领域研究的热点。
[0004]由于GaN晶体生长受到了客观条件的制约,绝大多数研究者们都是选择在异质衬底材料上外延生长GaN薄膜。常用的衬底包括硅(Si)、蓝宝石(A1203)以及碳化硅(SiC)等。其中Si材料由于其低廉的成本、大尺寸以及完善的Si集成工艺等方面的优势受到了各大研究机构的青睐。
[0005]对于半导体材料外延,结晶质量是最重要的参数之一,结晶质量的好坏直接影响着材料的电学特性。然而,不同于Si材料的拉晶技术,GaN材料一般都是在非GaN基本上异质外延的,由于外延层和衬底层之间或多或少的存在晶格以及热膨胀方面的失配,所以会不可避免产生位错与缺陷,降低GaN外延层的结晶质量,进而影响器件的性能。
[0006]此外,常规技术制作的基于硅衬底的HEMT器件均是采用AlGaN/GaN异质结,由于内在的极化电场的调制作用,AlGaN/GaN异质结中在靠近AlGaN的一侧会聚集大量的导电电子,形成二维电子气(2DEG)。基于外延结构的限制。该电子气被限制在狭窄的区域内,减低了它们受到散射的概率,从而提高其迀移能力,典型的迀移率为1500cm2/V.so 2DEG的浓度也可以高达lX1013/cm2。由于存在2DEG,常规技术制作的HEMT器件在零偏的时候都是导通的,也就是耗尽型(常开型)的器件。但耗尽型器件在电路应用中增加了功耗和设计复杂程度。同时在功率电子的应用中,增强型器件能够提高电路工作的安全性,在栅失效的情况下器件可以实现关断状态,实现失效保护的功能,所以实现增强型HEMT器件是一个重要的研究方向。

【发明内容】

[0007]本发明的目的在于提高GaN外延层的结晶质量,改善基于硅衬底的HEMT器件的性會泛。
[0008]本发明的另一目的在于,提供一种基于硅衬底的增强型的HEMT器件。
[0009]为解决上述技术问题,本发明提供一种基于硅衬底的HEMT器件,包括:
[0010]硅衬底;
[0011]形成于所述娃衬底上的第一 GaN外延层;
[0012]形成于所述第一 GaN外延层上的图形化的介质层;
[0013]覆盖所述第一 GaN外延层和图形化的介质层的第二 GaN外延层;
[0014]形成于所述第二 GaN外延层上的AlGaN势皇功能层;以及
[0015]形成于所述AlGaN势皇功能层上的栅极、源极和漏极。
[0016]进一步的,在所述的基于硅衬底的HEMT器件中,所述图形化的介质层是氮化硅或者二氧化硅,所述图形化的介质层为周期性阵列排布的六棱柱结构,所述图形化的介质层的厚度为100?300nmo
[0017]进一步的,在所述的基于硅衬底的HEMT器件中,还包括形成于所述硅衬底和第一GaN外延层之间的A1N层,所述A1N层的形成温度为1200?1300°C。
[0018]进一步的,在所述的基于硅衬底的HEMT器件中,还包括形成于所述硅衬底和第一GaN外延层之间的缓冲层。
[0019]进一步的,在所述的基于硅衬底的HEMT器件中,所述缓冲层为多层AlGaN层,所述多层AlGaN层中A1组分逐层下降。
[0020]进一步的,在所述的基于硅衬底的HEMT器件中,所述缓冲层为多层AlGaN层,所述多层AlGaN层中生长厚度逐层增加。
[0021]进一步的,在所述的基于硅衬底的HEMT器件中,所述栅极嵌入所述AlGaN势皇功能层中。
[0022]进一步的,在所述的基于硅衬底的HEMT器件中,还包括:
[0023]暴露出部分所述第二 GaN外延层的台面;
[0024]覆盖所述AlGaN势皇功能层以及所述台面暴露出的第二 GaN外延层的第一钝化层;
[0025]贯穿所述第一钝化层和AlGaN势皇功能层的栅极开口,所述栅极通过所述栅极开口嵌入所述AlGaN势皇功能层中;
[0026]贯穿所述第一钝化层的源极开口和漏极开口。
[0027]进一步的,在所述的基于硅衬底的HEMT器件中,还包括:
[0028]形成于所述第一钝化层上以及所述栅极开口底部的栅极介质层;
[0029]形成于所述栅极开口的底部和侧壁的势皇阻挡层。
[0030]进一步的,在所述的基于硅衬底的HEMT器件中,所述栅极、源极和漏极为Ti/Al/Ti/TiN合金,所述势皇阻挡层为TiN。
[0031]进一步的,在所述的基于硅衬底的HEMT器件中,还包括:
[0032]覆盖所述栅极、源极、漏极以及栅极介质层的第二钝化层;
[0033]形成于所述第二钝