一种优化氮化镓hemt器件跨导均匀性的方法
【专利摘要】本发明提供了一种优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法，首先通过数值模拟及数据拟合得到AlxGa1?xN下势垒层的最佳Al组份x值，该x值能使氮化镓HEMT器件的跨导均匀性达到最佳，即对输入信号具有较大动态范围的同时对输出信号也具有较高的增益线性度，进而根据优化后的结果设计并制作了高稳定性氮化镓HEMT器件。该方法的优点在于，可以针对不同外延工艺条件得到的氮化镓HEMT器件提取出AlxGa1?xN下势垒层的最佳Al组份x值，由此设计的氮化镓HEMT器件的跨导均匀性将具有最优值，从而避免为了提高器件稳定性而进行反复试片，极大地降低了研发成本。
【专利说明】
一种优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法
技术领域
[0001]本发明涉及半导体电子器件技术，具体地，涉及一种优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法。
【背景技术】
[0002]随着无线通信市场的扩大，以及雷达等军事应用领域的发展，微波晶体管在人类活动的各个方面发挥了重要作用，而对其性能的要求也越来越苛刻。在个人移动通信领域，手机的更新换代要求晶体管具有更高的频率;在卫星通信和广播电视领域，终端用户天线尺寸的缩小要求晶体管具有更高的功率;宽带无线网络也要求晶体管具有类似性能以达到其高速数据传输的目的。硅电子器件作为第一代微波晶体管可以满足低功率和微波低频段的应用，但由于硅材料的低击穿电场和低电子饱和速度决定了其无法满足高频、高功率的应用。砷化镓电子器件作为第二代微波晶体管可以满足高频的应用，但由于砷化镓材料带隙较窄，导致其击穿电场小，因此限制了其在高电压、高功率的应用。氮化镓电子器件作为第三代微波晶体管，由于其具有宽带隙和高电子饱和速度等材料特性，可以同时满足高温、高频、高功率的应用。
[0003]氮化镓电子器件有多种类型，包括:异质结双极晶体管(Heterojunct1n BipolarTransistor,HBT)、金属-半导体场效应晶体管(Meta1-Semiconductor Field-EffectTransistor ,MESFET)、金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(Metal-1nsulator-Semiconductor Field-Effect Transistor，MISFET)和高电子迁移率晶体管(HighElectron Mobility Transistor,HEMT)等，其中氮化镓HEMT器件性能最佳，因而从众多类型的氮化镓电子器件中脱颖而出。跨导均匀性作为衡量氮化镓HEMT器件稳定性的重要指标，表征了器件对输入信号的动态范围及对输出信号的增益线性度，已成为当前国际半导体技术领域研究的重点。氮化镓双沟道HEMT器件与单沟道器件相比具有更好的跨导均匀性，这是因为GaN缓冲层与AlxGanN下势皇层界面处的次沟道可以对GaN沟道层与Al0.3GM.7N上势皇层界面处的主沟道形成调制，从而改善器件的跨导均匀性。但改善的效果与调制的程度密切相关，而调制的程度则直接取决于AlxGanN下势皇层的Al组份X之值。
[0004]因此，通过控制AlxGa1-A下势皇层的Al组份X之值来优化氮化镓HEMT器件的跨导均匀性显得尤为重要。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法，从氮化镓HEMT器件的跨导特性着手研究，考察AlxGa^N下势皇层的Al组份对跨导均匀性的影响，所得结果将会对该器件的优化设计具有一定的指导意义。
[0006]根据本发明提供的优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法，包括如下步骤:
[0007]步骤I:构建氮化镓HEMT器件的结构模型；
[0008]步骤2:根据氮化镓HEMT器件的结构模型构建相应的物理模型；
[0009]步骤3:制备实验测量样品，提取氮化镓HEMT器件的物理模型的关键材料参数；
[0010]步骤4:根据步骤3中提取到的物理模型的关键材料参数选取一个固定偏压UF，由数值模拟得到当漏极偏压Ud = UF时器件的转移特性曲线，所述转移特性曲线即为器件跨导gm随栅极偏压Ug变化的曲线；
[0011]步骤5:改变AlxGapxN下势皇层的Al组份X值，由数值模拟得到当漏极偏压Ud= UF时，不同X值对应的器件转移特性的一系列曲线；
[0012]步骤6:获取当漏极偏压Ud= UF时，主峰跨导gmA随X值变化的曲线，得到拟合该曲线的函数式gmA(X);
[0013]步骤7:获取当漏极偏压Ud = Uf时，次峰跨导gmB随x值变化的曲线，得到拟合该曲线的函数式gmB(X);
[0014]步骤8:定义跨导不均匀因子，并获取跨导不均匀因子随X值变化的曲线；
[0015]步骤9:根据跨导不均匀因子随X值变化的曲线确定最佳X值；
[0016]步骤10:采用与步骤3中实验测量样品相同的工艺条件在蓝宝石衬底上依次生长GaN缓冲层、AlxGa1-XN下势皇层、GaN沟道层和Al0.3Ga0.?N上势皇层，其中AlxGapxN下势皇层的Al组份设计为步骤9中所得的最佳X值，然后再完成器件制作。
[0017]优选地，所述步骤I包括:
[0018]步骤1.1:在蓝宝石衬底上依次形成GaN缓冲层、AlxGa^xN下势皇层、GaN沟道层、Al0.sGa0.7N上势皇层和Si3N4钝化层；
[0019]步骤1.2:在Al0.3Ga0.7N上势皇层上形成源极、漏极和栅极。
[0020]优选地，所述步骤2包括:联立泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子与空穴的电流密度方程，以及将载流子复合率通过复合项加入连续性方程中，其中所述复合项包括SRH复合、辐射复合和俄歇复合，此外还需考虑载流子的热效应、速度饱和效应以及势皇隧穿效应，用有限元方法离散化联立迭代求解。
[0021]优选地，所述步骤6包括:在步骤5中得到的不同X值对应的器件转移特性的一系列曲线中，得到当漏极偏压Ud = UF时，主峰跨导gmA随X值变化的曲线，通过拟合该曲线得到主峰跨导gmA关于不同X值的函数式gmA(X)。
[0022]优选地，所述步骤7包括:在步骤5中得到的不同X值对应的器件转移特性的一系列曲线中，得到当漏极偏压Ud = UF时，次峰跨导gmB随X值变化的曲线，通过拟合该曲线得到次峰跨导gmB关于不同X值的函数式gmB(X)。
[0023]优选地，所述步骤8包括:定义主峰跨导gmA与次峰跨导gmB之差的绝对值，即| gmA_gmB为跨导不均匀因子，通过步骤6所得函数式gmA(X)减去步骤7所得函数式gmB(X)之差取绝对值，得到跨导不均匀因子随X值变化的曲线。
[0024]优选地，所述步骤9包括:根据步骤8得到的跨导不均匀因子I gmA-gmB I随X值变化的曲线，将I gmA-gmB |取最小值时所对应的X值确定为最佳X值。
[0025]优选地，所述步骤10，经过台面隔离、电极制作、表面钝化、腐蚀开孔及电极加厚工艺完成器件制作。
[0026]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0027]1、本发明提供的优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法，首先通过数值模拟及数据拟合得到AlxGa1-XN下势皇层的最佳Al组份X值，该x值能使氮化镓HEMT器件的跨导均匀性达到最佳，即对输入信号具有较大动态范围的同时对输出信号也具有较高的增益线性度，从而为设计并制作高稳定性氮化镓HEMT器件提供了可靠的依据。
[0028]2、本发明提供的优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法，可以针对不同外延工艺条件得到的氮化镓HEMT器件提取出AlxGapxN下势皇层的最佳Al组份X值，由此设计的氮化镓HEMT器件的跨导均匀性将具有最优值，避免为了提高器件稳定性而进行反复试片，因此更加便捷可靠，同时极大地降低了研发成本。
【附图说明】
[0029]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0030]图1为氮化镓HEMT器件的结构示意图；
[0031]图2为当漏极偏压Ud=1V时数值模拟与实验测量得到的器件转移特性曲线对比；
[0032]图3为当漏极偏压Ud= 1 V时不同X值对应的器件转移特性的一系列曲线；
[0033 ]图4为当漏极偏压Ud = 1V时器件主峰跨导随X值变化的拟合曲线；
[0034]图5为当漏极偏压Ud=1V时器件次峰跨导随X值变化的拟合曲线；
[0035]图6为器件跨导不均匀因子随X值变化的曲线。
[0036]图1中:1-源极;2_Si3N4钝化层;3-栅极;4_Si3N4钝化层;5_漏极。
【具体实施方式】
[0037]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0038]根据本发明提供的优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法，该方法通过数值模拟及数据拟合得到氮化镓HEMT器件主峰跨导及次峰跨导随AlxGanN下势皇层Al组份X值变化的规律。为了使氮化镓HEMT器件的跨导均匀性达到最佳，定义主峰跨导与次峰跨导之差的绝对值为跨导不均匀因子，通过分析跨导不均匀因子随X值变化的规律确定了最佳X值，进而根据优化后的结果设计并制作了氮化镓HEMT器件。其步骤如下:
[0039]步骤SI:构建氮化镓HEMT器件的结构模型；
[0040]具体地，如图1所示，在蓝宝石衬底上依次形成GaN缓冲层、AlxGanN下势皇层、GaN沟道层、AltoGa0.7N上势皇层和Si3N4钝化层，然后在AltoGa0.7N上势皇层上形成源极、漏极和栅极。
[0041 ]步骤S2:根据氮化镓HEMT器件的结构模型构建相应的物理模型；
[0042]具体地，联立泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子与空穴的电流密度方程，以及将载流子复合率通过复合项加入连续性方程中，其中所述复合项包括SRH复合、辐射复合和俄歇复合，此外还需考虑载流子的热效应、速度饱和效应以及势皇隧穿效应，用有限元方法离散化联立迭代求解。
[0043]步骤S3:制备实验测量样品，提取氮化镓HEMT器件的物理模型的关键材料参数；
[0044]具体地，在蓝宝石衬底上依次生长GaN缓冲层、AlxGahN下势皇层、GaN沟道层和Al0.3GaQ.7N上势皇层，以此作为实验测量样品，测量的关键材料参数包括:样品的电子迀移率、电子寿命、AlxGa^xN下势皇层的Al组份X值、各结构层的厚度、主沟道的二维电子气浓度及次沟道的二维电子气浓度；
[0045]更进一步地，即采用金属有机化学气相沉积工艺在2英寸蓝宝石衬底上依次生长GaN缓冲层、AlxGapxN下势皇层、GaN沟道层和AlQ.3GaQ.7N上势皇层，然后采用室温霍尔测试的方法得到样品的电子迀移率K= 1300cm2/VS，电子寿命L= I X 10—8S，采用X射线衍射法测试得到AlxGapxN下势皇层的Al组份x = 0.055，采用电容电压法测试得至IjGaN缓冲层厚度hB1=2.5ym，AlxGai—XN 下势皇层厚度 hB2 = 21nm，GaN 沟道层厚度 hAi= 14nm，Al0.3Ga().7N 上势皇层厚度hA2 = 24nm，主沟道的二维电子气浓度Na=1.1 X 1013cm—2，次沟道的二维电子气浓度Nb =7.9X 112Cnf20
[0046]步骤S4:根据步骤3中提取到的物理模型的关键材料参数选取一个固定偏压UF，由数值模拟得到当漏极偏压Ud = UF时器件的转移特性曲线，所述转移特性曲线即为器件跨导gm随栅极偏压Ug变化的曲线；
[0047]具体地，选取一个固定偏压UF=10V，由数值模拟得到当漏极偏压Ud = UF= 1V时器件的转移特性曲线，如图2所示，模拟与实验符合得较好，证明本发明模型构建及参数提取方法的可靠性。
[0048]步骤S5:改变AlxGapxN下势皇层的Al组份X值，由数值模拟得到当漏极偏压Ud = UF时，不同X值对应的器件转移特性的一系列曲线;具体地，如图3所示。
[0049]步骤S6:在步骤5中得到的不同X值对应的器件转移特性的一系列曲线中，得到当漏极偏压Ud = UF= 1V时，主峰跨导gmA随X值变化的曲线，如图4所示，通过拟合该曲线得到函数式gmA(X):
[0050]gmA(x) = 146.32533-612.07879x。
[0051]步骤S7:在步骤5中得到的不同X值对应的器件转移特性的一系列曲线中，得到当漏极偏压Ud = UF= 1V时，次峰跨导gmB随X值变化的曲线，如图5所示，通过拟合该曲线得到函数式gmB(X):
[0052]gmB(x) =-51.93691exp(-x/0.0361 )+71.16723ο
[0053]步骤S8:定义主峰跨导gmA与次峰跨导gmB之差的绝对值，即I gmA-gmB I为跨导不均匀因子，通过步骤6所得函数式gmA(x)减去步骤7所得函数式gmB(x)之差取绝对值，得到跨导不均匀因子随X值变化的曲线;具体地，如图6所示。
[0054]步骤S9:根据步骤8得到的跨导不均匀因子I gmA-gmB |随X值变化的曲线，将| gmA-gmB取最小值时所对应的X值确定为最佳X值;具体地，如图6所示，当X = 0.13时，跨导不均匀因子I gmA-gmB I取最小值O，即针对本实施例的氮化镓HEMT器件，最佳X值为0.13。
[0055]步骤S10:采用与步骤S3中实验测量样品相同的工艺条件在蓝宝石衬底上依次生长GaN缓冲层、AlxGa1-XN下势皇层、GaN沟道层和Al0.3Ga0.?N上势皇层，其中AlxGapxN下势皇层的Al组份设计为步骤S9中所得的最佳X值，然后经过台面隔离、电极制作、表面钝化、腐蚀开孔及电极加厚工艺完成器件制作；
[0056]更进一步地，利用本发明提供的优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法所得到的AlxGanN下势皇层的最佳Al组份X值进行器件制作，包括如下步骤:
[0057]步骤Al:采用与步骤S3中实验测量样品相同的工艺条件在2英寸蓝宝石衬底上依次生长2.5μπι厚的GaN缓冲层、21nm厚的AlQ.13GaQ.87N下势皇层、14nm厚的GaN沟道层和24nm厚的Altx3Ga0.7N上势皇层；
[0058]步骤A2:在Al0.3Ga0.7N上势皇层上通过光刻工艺获得刻蚀所需窗口，采用感应耦合等离子体纵向刻蚀300nm以去除窗口区域的AlQ.3GaQ.7N上势皇层、GaN沟道层和AlQ.13GaQ.87N下势皇层，形成隔离台面；
[0059]步骤A3:在Al0.3Ga0.7N上势皇层上利用光刻工艺获得源、漏极区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积Ti/Al/Ni/Au四层金属，然后经丙酮剥离及退火工艺后形成源、漏欧姆接触电极；
[0060]步骤A4:在Al0.3Ga0.7N上势皇层上利用光刻工艺获得栅极区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积Ni/Au双层金属，然后经丙酮剥离后形成肖特基栅电极；
[0061 ]步骤A5:采用等离子体增强化学气相沉积工艺生长500nm厚的Si3N4钝化层；
[0062]步骤A6:利用光刻工艺同时在源、漏、栅极区域形成腐蚀所需窗口，然后用氢氟酸缓冲液腐蚀窗口区域的钝化层，完成电极开孔；
[0063]步骤A7:利用光刻工艺再次获得源、漏、栅极区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积Cr/Au双层金属，然后经丙酮剥离后完成电极加厚。至此具有最佳跨导均匀性的氮化镓HEMT器件制作完毕。
[0064]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【主权项】
1.一种优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤I:构建氮化镓HEMT器件的结构模型； 步骤2:根据氮化镓HEMT器件的结构模型构建相应的物理模型； 步骤3:制备实验测量样品，提取氮化镓HEMT器件的物理模型的关键材料参数； 步骤4:根据步骤3中提取到的物理模型的关键材料参数选取一个固定偏压UF，由数值模拟得到当漏极偏压Ud = UF时器件的转移特性曲线，所述转移特性曲线即为器件跨导gm随栅极偏压Ug变化的曲线； 步骤5:改变AlxGapxN下势皇层的Al组份X值，由数值模拟得到当漏极偏压Ud = Udt，不同X值对应的器件转移特性的一系列曲线； 步骤6:获取当漏极偏压Ud = UF时，主峰跨导gmA随X值变化的曲线，得到拟合该曲线的函数式 gmA(X); 步骤7:获取当漏极偏压Ud = UF时，次峰跨导gmB随X值变化的曲线，得到拟合该曲线的函数式 gmB(X); 步骤8:定义跨导不均匀因子，并获取跨导不均匀因子随X值变化的曲线； 步骤9:根据跨导不均匀因子随X值变化的曲线确定最佳X值； 步骤10:采用与步骤3中实验测量样品相同的工艺条件在蓝宝石衬底上依次生长GaN缓冲层、AlxGapxN下势皇层、GaN沟道层和Al0.3Ga0.?N上势皇层，其中AlxGapxN下势皇层的Al组份设计为步骤9中所得的最佳X值，然后再完成器件制作。2.根据权利要求1所述的优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法，其特征在于，所述步骤I包括: 步骤1.1:在蓝宝石衬底上依次形成GaN缓冲层、AlxGaiiN下势皇层、GaN沟道层、Al0.sGa0.7N上势皇层和Si3N4钝化层； 步骤1.2:在AltL3Ga0.7N上势皇层上形成源极、漏极和栅极。3.根据权利要求1所述的优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法，其特征在于，所述步骤2包括:联立泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子与空穴的电流密度方程，以及将载流子复合率通过复合项加入连续性方程中，其中所述复合项包括SRH复合、辐射复合和俄歇复合，此外还需考虑载流子的热效应、速度饱和效应以及势皇隧穿效应，用有限元方法离散化联立迭代求解。4.根据权利要求1所述的优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法，其特征在于，所述步骤6包括:在步骤5中得到的不同X值对应的器件转移特性的一系列曲线中，得到当漏极偏压Ud = UF时，主峰跨导gmA随X值变化的曲线，通过拟合该曲线得到主峰跨导gmA关于不同X值的函数式gmA(X)。5.根据权利要求1所述的优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法，其特征在于，所述步骤7包括:在步骤5中得到的不同X值对应的器件转移特性的一系列曲线中，得到当漏极偏压Ud = UF时，次峰跨导gmB随X值变化的曲线，通过拟合该曲线得到次峰跨导gmB关于不同X值的函数式gmB(X)。6.根据权利要求1所述的优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法，其特征在于，所述步骤8包括:定义主峰跨导gmA与次峰跨导gmB之差的绝对值，即I gmA-gmB |为跨导不均匀因子，通过步骤6所得函数式gmA(X)减去步骤7所得函数式gmB(x)之差取绝对值，得到跨导不均匀因子随X值变化的曲线。7.根据权利要求1所述的优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法，其特征在于，所述步骤9包括:根据步骤8得到的跨导不均匀因子I gmA_gmB I随X值变化的曲线，将I gM-gmB I取最小值时所对应的X值确定为最佳X值。8.根据权利要求1所述的优化氮化镓HEMT器件跨导均匀性的方法，其特征在于，所述步骤10，经过台面隔离、电极制作、表面钝化、腐蚀开孔及电极加厚工艺完成器件制作。
【文档编号】G06F17/50GK105870011SQ201610244081
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】王晓东, 王兵兵, 潘鸣, 侯丽伟, 关冉, 臧元章
【申请人】中国电子科技集团公司第五十研究所