一种增强型和耗尽型GaNHEMT集成结构的制作方法

本实用新型属于半导体器件领域，具体涉及一种增强型和耗尽型GaN HEMT集成结构。

背景技术：

GaN材料及器件的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点。GaN材料与SiC和金刚石材料一起被誉为第三代半导体材料。GaN材料具有禁带宽度宽、临界击穿电场高、电子饱和速度高、热导率高、异质结界面二维电子气浓度高等优点，是下一代功率器件的理想替代品。

传统的GaN器件的工作模式多为耗尽型器件，需要正和负电压偏置已导通和截止，存在功耗高和设计复杂的问题。而增强型器件的引入，只需要正电压即可，从而简化电路和降低成本。此外，对于GaN逻辑器件，直接耦合场效应晶体管逻辑中，增强型器件可以用作驱动器，耗尽型器件可以用作负载。

实现增强型和耗尽型GaN HEMT器件集成中的高密度和高一致性，完全平面的增强型和耗尽型GaN HEMT集成结构具有重要的研究价值和广阔的应用前景。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决上述现有技术中存在的不足和问题，提出了一种增强型和耗尽型GaN HEMT集成结构。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种增强型和耗尽型GaN HEMT集成结构，包括：

衬底；

缓冲层，形成于所述衬底上；

所述HEMT集成结构还包括形成于所述缓冲层上的增强型HEMT器件及耗尽型HEMT器件；

所述增强型HEMT器件包括形成于所述缓冲层上的第一GaN沟道层、形成于所述第一GaN沟道层上的第一势垒层；

所述耗尽型HEMT器件包括形成于所述缓冲层上的第二GaN沟道层、形成于所述第二GaN沟道层上的第二势垒层；

所述HEMT集成结构还包括隔离层，所述隔离层位于所述第一GaN沟道层和所述第二GaN沟道层之间及所述第一势垒层和所述第二势垒层之间以将所述增强型HEMT器件和所述耗尽型HEMT器件相隔离。

在一实施例中，所述第一GaN沟道层和所述第二GaN沟道层一体形成于所述缓冲层上构成沟道层，所述第一势垒层和所述第二势垒层一体形成于所述沟道层上构成势垒层，所述隔离层通过向所述沟道层和所述势垒层中进行离子注入形成。

在一实施例中，所述隔离层为由离子注入形成的叠层结构，所述叠层结构的注入元素为H、He、N、F、Mg、Ar、Zn、Si或O。

在一实施例中，所述隔离层的下端部延伸至所述缓冲层上部中。

在一实施例中，所述隔离层伸入所述缓冲层中的厚度为0-200nm。

在一实施例中，所述缓冲层的厚度为1-3μm。

在一实施例中，所述增强型HEMT器件还包括形成在所述第一势垒层上的第一P型帽层及第一源漏金属层、形成在所述第一P型帽层上的第一栅金属层及第一介质层及形成在所述第一P型帽层中的一或多个N型注入区；

所述耗尽型HEMT器件还包括形成在所述第二势垒层上的第二P型帽层和第二栅金属层及第二源漏金属层、形成在所述第二P型帽层上的第二介质层及形成在所述第二P型帽层中的一或多个N型注入区。

在一实施例中，所述第一P型帽层、所述第二P型帽层为厚度为30-200nm的P型掺杂AlGaN、AlInN、AlScN、AlN、GaN、AlInGaN、AlInScN或AlGaScN层，掺杂浓度在1×10¹⁸ -1×10²⁰ cm^-3之间，掺杂元素为Mg或C，或者Mg和C的共掺杂；

和/或，所述介质层为厚度为1-200nm的单层结构或叠层结构，所述单层结构或所述叠层结构的每层为氮化硅、二氧化硅、铝氧氮或氮化铝层；

和/或，所述第一栅金属层、所述第二栅金属层为厚度为10nm-1μm的单层结构或叠层结构，所述单层结构或所述叠层结构的每层为氮化钽、氮化钛、钛、镍、铂、金、钨或铝层；

和/或，所述第一源漏金属层、所述第二源漏金属层为厚度为10nm-1μm的单层结构或叠层结构，所述所述单层结构或所述叠层结构的每层为镍、锗、金、钯、钛、铜、铂、钨、铝层；

和/或，所述第一栅金属层和所述第一源漏金属层之间间隔有多个所述N型注入区，所述第二栅金属层和所述第二源漏金属层之间间隔有多个所述N型注入区，所述N型注入区的宽度为20nm-10μm，相邻N型注入区的间隔为200nm-20μm，所述N型注入区的个数为1-25个；所述N型注入区的上下表面分别与所述第一P型帽层或所述第二P型帽层的上下表面齐平并沿竖直方向穿透所述第一P型帽层或所述第二P型帽层；所述N型注入区是N型掺杂AlGaN、AlInN、AlScN、AlN、GaN、AlInGaN、AlInScN或AlGaScN层，掺杂元素为Si，掺杂浓度在1×10¹⁸ -1×10²⁰ cm^-3之间；

和/或，所述第一介质层和所述第一源漏金属层之间的水平间距为10nm-3μm；所述第二介质层和所述第二源漏金属层之间的水平间距为10nm-3μm。

在一实施例中，所述衬底为硅、蓝宝石、碳化硅单晶衬底中的一种；

和/或，所述缓冲层为AlN、AlGaN或GaN层。

在一实施例中，所述第一GaN沟道层、所述第二GaN沟道层为厚度为1-500nm的GaN单晶层；

和/或，所述第一势垒层、所述第二势垒层为厚度为5-200nm的AlGaN、AlInN、AlScN、AlN、GaN、AlInGaN、AlInScN或AlGaScN层。

本实用新型采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：

通过设置在第一GaN沟道层、第二GaN沟道层之间以及第一势垒层、第二势垒层之间的隔离层将增强型HEMT器件和耗尽型HEMT器件隔离，实现了增强型和耗尽型GaN HEMT器件的单片集成，所述增强型和耗尽型GaN HEMT集成结构具有高密度和高一致性，是完全平面的增强型和耗尽型GaN HEMT集成结构，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本实用新型的一种增强型和耗尽型GaN HEMT集成结构的剖面示意图；

图2是根据本实用新型的一种增强型和耗尽型GaN HEMT集成结构的制造方法的流程图。

其中，1、衬底；2、缓冲层；3a、第一GaN沟道层；3b、第二GaN沟道层；4a、第一势垒层；4b、第二势垒层；5a、第一P型帽层；5b、第二P型帽层；6a、第一介质层；6b、第二介质层；7、N型注入区；8a、第一源漏金属层；8b、第二源漏金属层；9a、第一栅金属层；9b、第二栅金属层；10、隔离层。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。本实用新型对方位的定义是根据本领域人员的惯常观察视角和为了叙述方便而定义的，不限定具体的方向。

图1示出了本实施例的一种增强型和耗尽型GaN HEMT集成结构。参照图1所示，该增强型和耗尽型GaN HEMT集成结构包括衬底1、形成在衬底1上的缓冲层2以及形成于所述缓冲层2上的增强型HEMT器件及耗尽型HEMT器件。

所述增强型HEMT器件包括形成于所述缓冲层2的第一GaN沟道层3a、形成于所述第一GaN沟道层3a上的第一势垒层4a、形成在所述第一势垒层4a上的第一P型帽层5a及第一源漏金属层8a、形成在所述第一P型帽层5a上的第一栅金属层9a及第一介质层6a及形成在所述第一P型帽层5a中的一或多个N型注入区7。其中，第一栅金属层9a的边缘部分覆盖在第一介质层6a上，且位于第一源漏金属层8a之间。

所述耗尽型HEMT器件包括形成于所述缓冲层2的第二GaN沟道层3b、形成于所述第二GaN沟道层3b上的第二势垒层4b、形成在所述第二势垒层4b上的第二P型帽层5b和第二栅金属层9b及第二源漏金属层8b、形成在所述第二P型帽层5b上的第二介质层6b及形成在所述第二P型帽层5b中的一或多个N型注入区7。其中，第二P型帽层5b及第二介质层6b在第二栅金属层9b两侧，第二栅金属层9b的边缘部分覆盖在第二介质层6b上，且位于第二源漏金属层8b之间。

其中，所述第一GaN沟道层3a和所述第二GaN沟道层3b一体形成于所述缓冲层2上构成沟道层，所述第一势垒层4a和所述第二势垒层4b一体形成于所述沟道层上构成势垒层。该HEMT集成结构还包括至少设于沟道层和势垒层中的隔离层10，隔离层10通过向所述沟道层和所述势垒层中进行离子注入形成，具体为由离子注入的H、He、N、F、Mg、Ar、Zn、Si或O形成的单层结构或叠层结构。因此，隔离层10位于所述第一GaN沟道层3a和所述第二GaN沟道层3b之间及所述第一势垒层4a和所述第二势垒层4b之间以将所述增强型HEMT器件和所述耗尽型HEMT器件相隔离。

还需要说明的是，隔离层10的下端部还可延伸至缓冲层2上部，即隔离层10伸入所述缓冲层2中的厚度为0-200nm。在本实施例中，所述隔离层10的上表面与势垒层齐平，并沿竖直方向穿透势垒层和沟道层且其下表面位于所述缓冲层2中，所述隔离层10深入缓冲层2中的厚度为30纳米，所述隔离层10为离子注入的所述隔离层10下表面水平方向以上的势垒层、沟道层、所述缓冲层2的材料层叠层，离子注入的元素为He。

衬底1为硅衬底。缓冲层2为GaN层，厚度为1.5μm。第一GaN沟道层3a、第二GaN沟道层3b为非故意掺杂的GaN单晶层，厚度为50nm。第一势垒层4a和第二势垒层4b均为非故意掺杂的AlGaN单晶层，厚度均为20纳米。第一P型帽层5a和第二P型帽层5b为P型掺杂的GaN层，掺杂浓度在1×10¹⁹ cm^-3，掺杂元素为Mg，厚度均为70纳米。第一介质层6a和第二介质层6b均为氮化硅，厚度均为50纳米。

所述第一栅金属层9a和所述第一源漏金属层8a之间间隔有多个所述N型注入区7，所述第二栅金属层9b和所述第二源漏金属层8b之间间隔有多个所述N型注入区7。所述N型注入区7的宽度为300nm，相邻N型注入区7的间隔为600nm。所述N型注入区7的个数为1-25个，具体到本实施例中，第一栅金属层9a和第一源漏金属层8a之间的N型注入区7为8个，而靠近漏极一侧为5个；第二栅金属层9b和第二源漏金属层8b之间的N型注入区7为8个，而靠近漏极一侧为5个。所述N型注入区7的上下表面分别与所述第一P型帽层5a或所述第二P型帽层5b的上下表面齐平并沿竖直方向穿透所述第一P型帽层5a或所述第二P型帽层5b。所述N型注入区7的材料与N型掺杂的GaN层，掺杂元素为Si，掺杂浓度在1×10¹⁹ cm^-3。

所述第一介质层6a和所述第一源漏金属层8a之间的水平间距为500nm；

所述第二介质层6b和所述第一源漏金属层8b之间的水平间距为500nm；

所述第一源漏金属层8a、第二源漏金属层8b分别为Ti/Al/Ni/Au叠层，厚度为200纳米

所述第一栅金属层9a和所述第二栅金属层9b为Ni/Au叠层，所述第一栅金属层9a和所述第二栅金属层9b的厚度为200纳米。

前述增强型和耗尽型GaN HEMT集成结构的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：在所述衬底1上依次外延所述缓冲层2的材料层、所沟道层的材料层、势垒层的材料层、P型帽层的材料层；

步骤2：沉积介质层的材料层，采用光刻胶进行掩膜，采用离子注入的方式形成所述N型注入区7；

步骤3：通过掩膜刻孔工艺选择性刻蚀掉部分介质层的材料层和部分P型帽层的材料层，在势垒层之上形成所述源漏金属层。

步骤4：通过掩膜刻孔工艺选择性刻蚀掉部分介质层的材料层，形成所述第一栅金属层9a和所述第二栅金属层9b

步骤5：采用离子注入的方式形成所述隔离层10；

所述步骤1中，是采用MOCVD（金属有机化合物化学气相沉积）的方式外延所述缓冲层2的材料层、所述GaN沟道层的材料层、所述势垒层的材料层和所述P型帽层的材料层。

所述步骤2中，采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）的方式沉积所述介质层的材料层，采用光刻胶进行掩膜，匀胶、光刻、显影后对所述P型帽层的材料层进行Si离子注入，去除光刻胶，进行快速热退火，消除注入损伤并激活杂质，退火温度为1100℃，时间为100秒，形成所述N型注入区7。

所述步骤3中，采用高温感应耦合等离子体刻蚀工艺来刻蚀所述P型帽层的材料层，衬底1温度为300℃，采用BCl3和Ar的混合气体作为刻蚀气体。

所述步骤3中，采用光刻、蒸发、剥离的方式形成所述源漏金属层，在所述源漏金属层蒸发前用稀释的盐酸去除样品表面的自然氧化物，通过退火合金在所述势垒层4表面形成欧姆接触，所述源漏金属层通过一次金属沉积工艺形成，所述源漏金属层的厚度都相同。

所述步骤4中，采用光刻、蒸发、剥离的方式形成所述第一栅金属层9a和所述第二栅金属层9b，在第一栅金属层9a和所述第二栅金属层9b蒸发前用稀释的盐酸去除样品表面的自然氧化物。所述第一栅金属层9a和所述第二栅金属层9b通过一次金属沉积工艺形成，所述第一栅金属层9a和所述第二栅金属层9b在所述介质层之上的厚度相同。

所述步骤5中，采用光刻胶进行掩膜，匀胶、光刻、显影后，在所述隔离层10的区域进行离子注入，注入能量为50 keV之间，注入剂量为2×10¹⁵ cm^-2之间，形成所述隔离层10，并去除残余的光刻胶。

本实用新型通过在P型帽层中形成N型注入区7，可以在栅极和漏极之间形成耗尽区，使其具有较高的击穿电压。本实用新型采用离子注入工艺，提高了GaN基HEMT器件制作工艺的一致性和可靠性。第一栅金属层9a对应的HEMT器件为增强型器件，第二栅金属层9b对应的HEMT器件为耗尽型器件，通过隔离层10将增强型和耗尽型GaN HEMT器件隔离，从而实现了增强型和耗尽型GaN HEMT器件的单片集成，所述增强型和耗尽型GaN HEMT集成结构具有高密度和高一致性，是完全平面的增强型和耗尽型GaN HEMT集成结构，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限定本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型的精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。