一种具有high-k/low-k复合介质结构的AlGaN/GaNHEMT及制备方法与流程

本发明涉及半导体，具体涉及一种具有high-k/low-k复合介质结构的algan/gan hemt及制备方法。

背景技术：

1、氮化镓（gan）因具有宽带隙、耐高温、大击穿电压的特点，成为新兴的第三代半导体研究材料。algan/gan异质结构由于自发极化和压电极化，在algan与gan界面电离产生高浓度和高电子迁移率的二维电子气(2deg)，使其在电力电子器件和射频器件中备受关注。其中p-gan栅增强型hemt凭借消除负电源电压，稳定的阈值电压，利于集成的优势成为目前最为广泛使用的器件。

2、氮化镓高电子迁移率晶体管gan hemt(highelectron mobility transistors)作为宽禁带功率半导体器件的代表，器件在高频功率应用方面有巨大的潜力。gan材料相比于si和sic具有更高的电子迁移率、饱和电子速度和击穿电场。由于材料上的优势，gan功率器件可以实现更小的导通电阻和栅极电荷（意味着更优秀的传导和开关性能）。因此gan功率器件更适合于高频应用场合，对提升变换器的效率和功率密度非常有利。目前gan功率器件主要应用于电源适配器、车载充电、数据中心等领域，也逐渐成为5g基站电源的最佳解决方案。

3、目前改善器件击穿特性的方法主要有两个思路：优化沟道内的电场分布或者降低缓冲层的泄漏电流。优化沟道内的电场分布通常通过引入场板来实现，因为场板技术制造工艺相对简单，生产成本更低，所以场板被广泛应用于algan/gan hemt设计中来提高器件的耐压性能，这是因为场板结构能够有效降低栅极边缘电场强度，减少电子从栅极与漏极之间的势垒层隧穿到表面陷阱的机率，阻碍了虚栅效应的形成，使得虚栅作用减弱，有效抑制器件的电流崩塌作用。场板的主要工作原理是通过调整栅极边缘附近的电场（栅极和漏极之间的电位分布的重新分布）从而提高器件的耐压能力。但是，目前场板结构的引入对沟道电场的调制与科研人员的预期还有很大差距，引入场板也会增加寄生电容，导致器件的频率特性和开关速度下降，很大程度上限制了algan/gan hemt的应用领域。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种具有high-k/low-k复合介质结构的algan/gan hemt及制备方法，该algan/gan hemt在缓冲层中引入了高k介质和低k介质的复合介质结构，高k介质和低k介质的复合介质结构能够改变电场分布从而提高器件的击穿电压，还增加了背势垒层，背势垒层可以提高沟道到缓冲层的电子势垒高度，从而降低algan/gan hemt器件缓冲层的背景载流子浓度并抑制沟道电子向势垒层扩散，从而减小流经器件缓冲层的泄漏电流，提高耐压能力。在相同栅源电压下，alxga1-xn 缓冲层的al组分越高器件的泄漏电流越低，从而器件的击穿电压越高。

2、一种具有high-k/low-k复合介质结构的algan/gan hemt，包括：高k介质层

3、所述高k介质层位于缓冲层中并被缓冲层和衬底包覆。

4、优选地，还包括：多个低k介质层；

5、所述低k介质层位于所述高k介质层中并被所述高k介质层和所述衬底包覆。

6、优选地，还包括：背势垒层；

7、所述背势垒层位于gan层与所述缓冲层、衬底之间，并与所述gan层、所述缓冲层和所述衬底邻接；

8、所述背势垒层的第一延伸部位于所述gan层与所述缓冲层之间并与所述gan层和所述缓冲层邻接；

9、所述背势垒层的第二延伸部位于所述gan层与所述衬底之间并与所述gan层、所述缓冲层和所述衬底邻接。

10、优选地，所述高k介质层与所述低k介质层交替排列。

11、优选地，所述高k介质层的介电常数为10-23。

12、优选地，所述低k介质层的介电常数为3-7。

13、优选地，所述高k介质层的介电常数ɛh与所述低k介质层的介电常数ɛl的关系满足：ɛheh=ɛlel，eh表示高k介质层内的电场强度，el表示低k介质层内的电场强度。

14、优选地，所述背势垒层的第一延伸部的厚度为50-100nm。

15、优选地，所述低k介质层的顶面与背势垒层的底面之间的间隔为0-1um。

16、一种具有high-k/low-k复合介质结构的algan/gan hemt制备方法，包括：

17、在衬底上方外延形成缓冲层和高k介质层；

18、在所述高k介质层中蚀刻沟槽；

19、在所述沟槽中多次沉积形成低k介质层；

20、回填所述高k介质；

21、蚀刻所述高k介质一侧的缓冲层；

22、在所述缓冲层、所述高k介质层和所述衬底上方外延形成背势垒层；

23、在所述背势垒层上方外延形成gan层和algan势垒层；

24、沉积金属电极和钝化层。

25、本发明在栅极和漏极之间的下方的缓冲层中引入了高k介质层，再在高k介质层中填充低k介质，形成高k介质与低k介质交替排列的复合介质结构，高k介质与低k介质的复合介质结构能够对algan/gan hemt的沟道电场进行调整，使得algan/gan hemt的沟道电场更加平滑，显著提高了algan/gan hemt的耐压性能，并且algan/gan hemt的饱和电流、阈值电压、导通电阻、寄生电容等其它电气性能不会因为复合介质结构的引入而下降，本发明还引入了阶梯状的背势垒层，algan背势垒缓冲层结构可以增加沟道二维电子气到缓冲层的势垒高度，限制了沟道二维电子气泄漏到缓冲层，减小泄漏电流，提高击穿电压。

技术特征：

1.一种具有high-k/low-k复合介质结构的algan/gan hemt，其特征在于，包括：高k介质层；

2.根据权利要求1所述的一种具有high-k/low-k复合介质结构的algan/gan hemt，其特征在于，还包括：多个低k介质层；

3.根据权利要求1所述的一种具有high-k/low-k复合介质结构的algan/gan hemt，其特征在于，还包括：背势垒层；

4.根据权利要求2所述的一种具有high-k/low-k复合介质结构的algan/gan hemt，其特征在于，所述高k介质层与所述低k介质层交替排列。

5.根据权利要求1所述的一种具有high-k/low-k复合介质结构的algan/gan hemt，其特征在于，所述高k介质层的介电常数为10-23。

6.根据权利要求2所述的一种具有high-k/low-k复合介质结构的algan/gan hemt，其特征在于，所述低k介质层的介电常数为3-7。

7.根据权利要求2所述的一种具有high-k/low-k复合介质结构的algan/gan hemt，其特征在于，所述高k介质层的介电常数ɛh与所述低k介质层的介电常数ɛl的关系满足：ɛheh=ɛlel，eh表示高k介质层内的电场强度，el表示低k介质层内的电场强度。

8.根据权利要求3所述的一种具有high-k/low-k复合介质结构的algan/gan hemt，其特征在于，所述背势垒层的第一延伸部的厚度为50-100nm。

9.根据权利要求2所述的一种具有high-k/low-k复合介质结构的algan/gan hemt，其特征在于，所述低k介质层的顶面与背势垒层的底面之间的间隔为0-1um。

10.一种具有high-k/low-k复合介质结构的algan/gan hemt制备方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明提供一种具有high‑k/low‑k复合介质结构的AlGaN/GaN HEMT及制备方法，该AlGaN/GaN HEMT包括：高K介质层所述高K介质层位于缓冲层中并被缓冲层和衬底包覆。本发明在缓冲层中引入了高K介质和低K介质的复合介质结构，高K介质和低K介质的复合介质结构能够改变电场分布从而提高器件的击穿电压，还增加了背势垒层，背势垒层可以提高沟道到缓冲层的电子势垒高度，从而降低AlGaN/GaN HEMT器件缓冲层的背景载流子浓度并抑制沟道电子向势垒层扩散，从而减小流经器件缓冲层的泄漏电流，提高耐压能力。在相同栅源电压下，Al<subgt;x</subgt;Ga<subgt;1‑x</subgt;N缓冲层的Al组分越高器件的泄漏电流越低，从而器件的击穿电压越高。

技术研发人员：古佳茜
受保护的技术使用者：深圳天狼芯半导体有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24