一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管及其制备方法
阅读说明：本技术 一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管及其制备方法 (GaN-based thermoelectric transistor on self-supporting substrate and preparation method thereof ) 是由 马晓华 祝杰杰 张颖聪 王鹏飞 宓珉瀚 郝跃 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管及其制备方法,GaN基热电子晶体管包括：集电极、n+GaN自支撑衬底、Al-(y)Ga-(1-y)N集电区、GaN基区、基极、Al-(x)Ga-(1-x)N发射区、n+GaN帽层、发射极和钝化层,集电极、n+GaN自支撑衬底、Al-(y)Ga-(1-y)N集电区、GaN基区、Al-(x)Ga-(1-x)N发射区、n+GaN帽层依次层叠,Al-(x)Ga-(1-x)N发射区和n+GaN帽层形成台面结构；钝化层位于电隔离结构、GaN基区、Al-(x)Ga-(1-x)N发射区、n+GaN帽层的表面；基极的上端位于GaN基区上的钝化层表面且与台面结构侧面的钝化层接触,下端位于钝化层中且与GaN基区接触；发射极的上端位于台面结构上的钝化层表面,下端位于钝化层中且与n+GaN帽层接触。该GaN基热电子晶体管具有大集电极电流、高击穿场强、外延材料缺陷密度低等优点能够发挥较好的工作性能。(The invention relates to a GaN-based thermoelectric transistor on a self-supporting substrate and a preparation method thereof, wherein the GaN-based thermoelectric transistor comprises: collector, n + GaN self-supporting substrate, and Al y Ga 1‑y N collector region, GaN base region, base electrode, and Al x Ga 1‑x N emitter region, N + GaN cap layer, emitter electrode, passivation layer, collector electrode, N + GaN self-supporting substrate, and Al y Ga 1‑y N collector region, GaN base region, and Al x Ga 1‑x Sequentially laminating an N emitting region and an N + GaN cap layer, and Al x Ga 1‑x N emitter region and N + GaN cap layer forming tableA face structure; the passivation layer is arranged on the electric isolation structure, the GaN base region and the Al x Ga 1‑x The N emitting region and the surface of the N + GaN cap layer; the upper end of the base electrode is positioned on the surface of the passivation layer on the GaN base region and is contacted with the passivation layer on the side surface of the mesa structure, and the lower end of the base electrode is positioned in the passivation layer and is contacted with the GaN base region; the upper end of the emitter is positioned on the surface of the passivation layer on the mesa structure, and the lower end of the emitter is positioned in the passivation layer and is in contact with the n + GaN cap layer. The GaN-based thermoelectric transistor has the advantages of large collector current, high breakdown field strength, low defect density of epitaxial materials and the like, and can play a better role in working performance.)
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管及其制备方法。
背景技术
GaN材料因为具有大禁带宽度、高击穿场强、高电子饱和速度、高热导率等优良特性，而成为研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。
目前，高频大功率器件领域主要以横向结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)为主。其利用AlGaN/GaN异质结界面处因极化效应而产生的高浓度二维电子气(2DEG)进行工作，由于其具有的高载流子迁移率与大电流密度，使得HEMT器件在高频功率器件领域获得了长足的发展。然而，作为横向结构器件，HEMT的频率特性受到栅长和电子饱和速度的限制，并且在进行器件结构尺寸缩小时，其必须在横向与垂直方向同时按比例缩小，面临的工艺难度较大。此外横向GaN晶体管还会面临表面电子陷阱问题，尤其器件在高电压条件下进行工作时，这种问题导致的电流崩塌现象会使得器件性能严重降低，从而对器件可靠性及长期稳定性造成不利影响。
而垂直结构器件可以有效克服上述横向器件所存在的问题，GaN基异质结双极型晶体管(HBT)是氮化物基垂直器件的研究重点之一。相比较于GaN HEMT器件，HBT具有良好的线性度、高电流与高功率密度等固有优点，非常适合用于制作大功率、高频微波功率器件。然而由于低空穴迁移率和载流子浓度，这导致在GaN基HBT器件中产生一个非常大的基极扩展电阻,使GaN基HBT器件在高速领域应用受限。
近年来，伴随着Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料外延制备技术的不断成熟，在高频器件领域，具有垂直结构的热电子晶体管(HET)器件成为了一个重要选择。其基本工作原理是将高能热电子由发射极注入并以近弹道输运方式通过基区，最终到达集电区被收集。由于高能热电子在穿越基区时具有很高的速度(近弹道输运)，因而该器件具有很好的频率特性，基区厚度必须在几纳米量级，以防止热注入电子的弹性散射和弛豫。早期HET器件主要采用半导体-金属-半导体结构，但由于金属中声子对于电子的严重散射使得热电子能量丢失，并且金属厚度无法做到很薄否则会面临穿孔效应导致漏电，因而早期HET器件性能很不理想。为解决金属基极热电子晶体管存在的问题，Levi等人在1987年首次报道了使用半导体材料InAs作为基区材料的HET器件及相关特性，电流增益仅为10。
2011年，Sansaptak Dasgupta等人在氮化镓材料上实现HET器件，器件结构主要由AlGaN(24％)发射区、10nmGaN基区、AlGaN(8％)集电区组成，其中所有外延层均采用射频等离子体分子束外延方法生长(RFPMBE)，生长完成后采用HRXRD对厚度进行仔细校准测量。该报道证实了电流注入机制为热发射机制，并最终实现共基电流增益为0.97～0.98，但未能实现器件共射极工作。
2016年，Zhichao Yang等人在GaN衬底上制作了HET器件，基本结构为n++GaN发射区、i-GaN/i-AlN射基结势垒、n++GaN基区、i-AlGaN集基结势垒和n+GaN集电区。其研究了HET器件的电流泄露问题，并提出采用极化势垒工程减少泄露电流，最终实现器件共射电流增益为14.5。
GaN基热电子晶体管是未来高频功率器件领域的一种重要选择，其在集成度以及可靠性方面相较于其他器件具有一定优势，因为材料质量问题，该器件在过去一段时间的相关报道不多，但随着GaN外延生长技术不断成熟，该器件在未来注定会成为高频器件领域的研究热点。因此，设计一种单极型垂直结构GaN热电子晶体管成为亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管，其特征在于，包括：集电极、n+GaN自支撑衬底、AlyGa1-yN集电区、GaN基区、基极、AlxGa1-xN发射区、n+GaN帽层、发射极和钝化层，其中，
所述集电极、所述n+GaN自支撑衬底、所述AlyGa1-yN集电区、所述GaN基区、所述AlxGa1-xN发射区、所述n+GaN帽层依次层叠，且所述AlxGa1-xN发射区和所述n+GaN帽层形成台面结构；
所述钝化层位于电隔离结构、所述GaN基区、所述AlxGa1-xN发射区、所述n+GaN帽层的表面；
所述基极的上端位于所述GaN基区上的钝化层表面且与所述台面结构侧面的所述钝化层接触，下端位于所述钝化层中且与所述GaN基区接触；
所述发射极的上端位于所述台面结构上的钝化层表面，下端位于所述钝化层中且与所述n+GaN帽层接触。
在本发明的一个实施例中，所述n+GaN自支撑衬底的n型掺杂浓度为1e18cm-3～8e18cm-3，厚度为300μm～400μm。
在本发明的一个实施例中，所述AlyGa1-yN集电区的Al组分含量y为5％～10％，n型掺杂浓度5e17cm-3～5e18cm-3，厚度40nm～60nm。
在本发明的一个实施例中，所述GaN基区的n型掺杂浓度8e18cm-3～1.5e19cm-3，厚度8nm～12nm。
在本发明的一个实施例中，所述基极的下端位于所述钝化层中且嵌入所述GaN基区中。
在本发明的一个实施例中，所述AlxGa1-xN发射区的Al组分x为25％～40％，n型掺杂浓度1e18cm-3～1e19cm-3，厚度25nm～40nm。
在本发明的一个实施例中，所述n+GaN帽层的n型掺杂浓度5e18cm-3～1e19cm-3，厚度10nm～20nm。
本发明的另一个实施例提供了一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管的制备方法，包括步骤：
S1、在外延基片上制作器件有源区的电隔离结构，其中，所述外延基片包括依次层叠的n+GaN自支撑衬底、AlyGa1-yN集电区、GaN基区、AlxGa1-xN发射区和n+GaN帽层；
S2、刻蚀所述n+GaN帽层和所述AlxGa1-xN发射区，形成基极区域和发射极区域，其中，所述发射极区域位于所述n+GaN帽层上，所述基极区域位于所述GaN基区上且围绕所述发射极区域；
S3、在所述电隔离结构、所述GaN基区、所述AlxGa1-xN发射区、所述n+GaN帽层的表面生长钝化层介质，形成钝化层；
S4、刻蚀所述基极区域的所述钝化层和所述GaN基区、所述发射极区域的所述钝化层和所述n+GaN帽层，形成基极开孔和发射极开孔；
S5、在所述基极开孔中、所述基极区域的钝化层上、所述发射极开孔中、所述发射极区域的钝化层上蒸发金属，形成基极和发射极；
S6、在所述GaN自支撑衬底的底部制作集电极。
在本发明的一个实施例中，步骤S4包括：
S41、对所述基极区域的所述钝化层、所述发射极区域的所述钝化层同时进行刻蚀，形成第一开孔和第二开孔；
S42、对所述第一开孔中的所述GaN基区、所述第二开孔中的所述n+GaN帽层同时进行过刻蚀，形成所述基极开孔和所述发射极开孔。
在本发明的一个实施例中，所述过刻蚀的深度为0～5nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的GaN基热电子晶体管具有大集电极电流、高击穿场强、外延材料缺陷密度低等优点，改善了现有热电子晶体管的电流增益、共射极输出特性等相关电学特性，能够发挥较好的工作性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种集电极上置的氮化镓热电子晶体管器件的基本原理示意图；
图4为本发明实施例提供的一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管的制备方法的流程示意图；
图5a-图5g为本发明实施例提供的一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管的制备方法的过程示意图；
图6a-图6h为本发明实施例提供的另一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管的制备方法的过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1和图2，图1为本发明实施例提供的一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管的结构示意图，图2为本发明实施例提供的另一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管的结构示意图。
该GaN基热电子晶体管器件为单极型垂直结构，包括集电极1、GaN自支撑衬底2、AlyGa1-yN集电区3、GaN基区4、基极5、AlxGa1-xN发射区6、n+GaN帽层7、发射极8和钝化层9。
其中，集电极1、GaN自支撑衬底2、AlyGa1-yN集电区3、GaN基区4、AlxGa1-xN发射区6、n+GaN帽层7依次层叠，且AlxGa1-xN发射区6和n+GaN帽层7形成台面结构；钝化层9位于电隔离结构、GaN基区4、AlxGa1-xN发射区6、n+GaN帽层7的表面；基极5的上端位于GaN基区4上的钝化层9表面且围绕台面结构侧面的钝化层9，下端位于钝化层9中且与GaN基区4接触；发射极8的上端位于台面结构上的钝化层9表面，下端位于钝化层9中且与n+GaN帽层7接触。
具体的，AlxGa1-xN发射区6、n+GaN帽层7的宽度相等且小于其余各外延层的宽度，从而形成台面结构；其中，发射极区域位于台面结构上，基极区域位于台面结构周围的GaN基区4上。
钝化层9覆盖在器件的表面，即钝化层9覆盖在电隔离结构的表面、GaN基区4的上表面、AlxGa1-xN发射区6的侧面、n+GaN帽层7的侧面和上表面。
进一步地，图1中的电隔离结构10a由刻蚀形成，电隔离结构10a使得器件中n+GaN自支撑衬底2的表面、AlyGa1-yN集电区3的侧面、GaN基区4的侧面，因此，钝化层9覆盖在n+GaN自支撑衬底2的表面、AlyGa1-yN集电区3的侧面、GaN基区4的侧面和上表面、AlxGa1-xN发射区6的侧面、n+GaN帽层7的侧面和上表面。图2中的电隔离结构10b为由离子注入形成的注入隔离区，位于AlyGa1-yN集电区3、GaN基区4、AlxGa1-xN发射区6和n+GaN帽层7的侧面，因此，钝化层9覆盖在注入隔离区的上表面和侧面、GaN基区4的上表面、AlxGa1-xN发射区6的侧面、n+GaN帽层7的侧面和上表面。
进一步的，基极区域上的钝化层9中开设有第一开孔，基极5的下端位于第一开孔中，从而基极5的下端与GaN基区4接触；基极5的上端位于基极区域的钝化层9上，且与台面结构侧面的钝化层9接触，形成围绕钝化层9的结构。发射极区域上的钝化层9中开设有第二开孔，发射极8的下端位于第二开孔中，从而发射极8的下端与n+GaN帽层7接触；发射极8的上端设置在发射极区域上的钝化层9上。
更进一步，基极5的下端可以位于GaN基区4的表面，也可以嵌入GaN基区4中；发射极8的下端可以位于n+GaN帽层7的表面，也可以嵌入n+GaN帽层7中。优选的，基极5的下端嵌入GaN基区4中，这样可以实现较好的电流控制效果；同时，由于基极5和发射极8是同时制备的，为了工艺简便，发射极8的下端也嵌入n+GaN帽层7中。
具体地，GaN自支撑衬底2的n型掺杂浓度为1e18cm-3～8e18cm-3，厚度为300μm～400μm。AlyGa1-yN集电区3的Al组分y为5％～10％，n型掺杂浓度5e17cm-3～5e18cm-3，厚度40nm～60nm。GaN基区4为高掺杂的GaN，其n型掺杂浓度8e18cm-3～1.5e19cm-3，厚度8nm～12nm。AlxGa1-xN发射区6的Al组分x为25％～40％，n型掺杂浓度1e18cm-3～1e19cm-3，厚度25nm～40nm。n+GaN帽层7的n型掺杂浓度5e18cm-3～1e19cm-3，厚度10nm～20nm。
本实施例的器件在设计时有以下两个重要的考虑因素：
1、基区必须控制在几纳米的厚度，以防止热电子在传输过程中发生弹性散射和弛豫，降低传输效率。因此，本实施例中将GaN基区4的厚度设为8nm～12nm，目的在于利用纳米量级的氮化物半导体作为基区，从而获得较高能量的热电子注入速率以及较低的基区电阻，使得注入的热电子能够以弹道输运的方式渡越基区，频率特性得到极大提高，实现超高频率的应用。
2、基极-集电极势垒(φB-C)>>25meV以防止基区电子进入集电区而发生漏电，同时为了使具有较高能量的注入电子不会受到B-C势垒的反射而弛豫到基区费米能级，发射极-基极势垒(φE-B)大于基极-集电极势垒(φB-C)。因此，本实施例根据该原则设置AlxGa1-xN发射区3、GaN基区5以及AlyGa1-yN集电区6的相关参数。
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种集电极上置的氮化镓热电子晶体管器件的基本原理示意图，其中，E为发射极，B为基极，C为集电极。热电子晶体管(HETs)是由发射极E、基极B和集电极C三个电极组成的器件，如图3所示，这些电极被两个势垒隔开。其工作原理为：当发射极-基极区正向偏置时，电子被注入基极并获得动能；当电子穿过基区时，部分能量通过非弹性散射过程丧失；当能量损失很小时，电子可以克服基极-集电极的势垒而到达集电极，否则它们会被弛豫到基极底部并被基极收集；在基区渡越过程中随着基极厚度的减少，注入的电子几乎可以像弹道一样通过基区使得该器件具有很高的工作速度；集电极在基极的集电极边缘起着能量过滤器的作用，它允许热电子(高能电子)穿过，但阻止了冷电子(低能电子)，在很大范围内形成不平衡,因此，在基区受到散射的电子能量不够高，无法穿过收集器并被反射回来,这些电子最终成为基极中冷电子群的一部分，并对基极电流有贡献。位于基极集电极边缘的电子具有足够的能量，使其穿过集电极形成集电极电流。
本实施例中，HET属于多子和单极型器件，并且由于在大多数半导体系统中的电子迁移率高于相应的空穴迁移率，因此HET器件的Rb(基极电阻)较低，较低的Rb值有助于减少与基极-发射极电容充电相关的RC延迟，从而增加工作晶体管的相关频率特性ft/fmax。
本实施例中，衬底采用GaN自支撑衬底，大幅降低了因异质衬底所导致的材料内部存在高密度位错的问题，保证了器件的载流子迁移率以及热导率；而在器件中引入钝化层，钝化层可同时作为场板介质，提高器件的击穿电压；另外，将集电极设置在GaN自支撑衬底的底部，使得集电极的面积较大，相较于传统结构可实现高集电极电流。
综上，本实施例的氮化镓热电子晶体管器件具有大集电极电流、高击穿场强、外延材料缺陷密度低等优点，改善了现有热电子晶体管的电流增益、共射极输出特性等相关电学特性，使其能够发挥较好的工作性能。
实施例二
在实施例一的基础上，请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管的制备方法的流程示意图。
本实施例选取自下而上依次层叠的GaN自支撑衬底2、AlyGa1-yN集电区3、GaN基区4、AlxGa1-xN发射区6、n+GaN帽层7的结构作为外延基片。
具体地，该自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管的制备方法包括步骤：
S1、在外延基片上制作器件有源区的电隔离结构。
S11、在n+GaN帽层7上光刻有源区的电隔离区域。
S12、利用感应耦合等离子刻蚀工艺ICP依次刻蚀电隔离区域的n+GaN帽层7、AlxGa1-xN发射区6、GaN基区4、AlyGa1-yN集电区3，形成器件有源区的电隔离结构10a；电隔离结构10a使得器件中n+GaN自支撑衬底2的表面、AlyGa1-yN集电区3的侧面、GaN基区4的侧面、AlxGa1-xN发射区6的侧面和n+GaN帽层7的侧面露出。
或者，利用离子注入工艺在n+GaN帽层7、AlxGa1-xN发射区6、GaN基区4、AlyGa1-yN集电区3中制作器件有源区的电隔离结构10b；电隔离结构10b为由离子注入形成的注入隔离区，位于AlyGa1-yN集电区3、GaN基区4、AlxGa1-xN发射区6和n+GaN帽层7的侧面。
S2、刻蚀外延基片的n+GaN帽层7和AlxGa1-xN发射区6，形成基极区域51和发射极区域81。
S21、对n+GaN帽层7上的选定图形区域进行光刻。
S22、刻蚀选定图形区域的n+GaN帽层7和AlxGa1-xN发射区6，形成基极区域51和发射极区域81，其中，刻蚀深度为35nm～60nm，刻蚀形成的发射极区域81位于n+GaN帽层7上，基极区域51位于GaN基区4上且围绕发射极区域81。
S3、在电隔离结构、GaN基区4、AlxGa1-xN发射区6、n+GaN帽层7的表面生长钝化层介质，形成钝化层9。
S31、对完成有源区域刻蚀的器件进行表面清洗。
S32、利用原子层沉积ALD或等离子增强化学气相沉积PECVD工艺，在电隔离结构的表面、GaN基区4的表面、AlxGa1-xN发射区6的表面、n+GaN帽层7的表面生长钝化层介质，形成钝化层9。
当利用ICP工艺刻蚀形成电隔离结构10a时，在n+GaN自支撑衬底2的上表面即电隔离结构的表面、AlyGa1-yN集电区3的侧面、GaN基区4的侧面和上表面、AlxGa1-xN发射区6的侧面以及n+GaN帽层7的侧面和上表面生长钝化层介质，形成钝化层9。
当利用离子注入工艺形成电隔离结构10b时，在电隔离结构的上表面和侧面、GaN基区4的上表面、AlxGa1-xN发射区6的侧面以及n+GaN帽层7的侧面和上表面生长钝化层介质，形成钝化层9。
具体地，钝化层10的材料包括SiN或Al2O3。
S4、刻蚀基极区域51的钝化层9和GaN基区4、发射极区域81的钝化层9和n+GaN帽层7，形成基极开孔53和发射极开孔83。
S41、对基极区域51的钝化层9、发射极区域81的钝化层9同时进行刻蚀，形成第一开孔52和第二开孔82。
S42、对第一开孔52中的GaN基区4、第二开孔82中的n+GaN帽层7同时进行过刻蚀，形成基极开孔53和发射极开孔83。
当过刻蚀深度为0时，基极开孔53位于GaN基区4上，发射极开孔83位于n+GaN帽层7上，也就是说，第一开孔52、第二开孔82即为基极开孔53和发射极开孔83。当过刻蚀深度大于0时，基极开孔53嵌入GaN基区4中，发射极开孔83嵌入n+GaN帽层7中。优选的，过刻蚀深度大于0，此时基极5的下端嵌入GaN基区4中，可以实现较好的电流控制效果。
S5、在基极开孔53中、基极区域51的钝化层上、发射极开孔83中、发射极区域81的钝化层上蒸发金属，形成基极5和发射极8。
S51、在n+GaN帽层7上的钝化层9表面光刻发射极图形化区域，在GaN基区4上的钝化层9表面光刻基极图形化区域。
S52、采用电子束蒸发工艺，在发射极图形化区域的钝化层9上、发射极开孔83中、基极图形化区域的钝化层9上、基极开孔53中蒸发金属，形成基极5和发射极8。
S6、在GaN自支撑衬底2的底部制作集电极1。
本实施例的氮化镓热电子晶体管器件的制备工艺与现有工艺兼容，成本较低，有利于实现氮化镓热电子晶体管器件的规模化制备。
实施例三
在实施例一和实施例二的基础上，本实施例提供了一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管及其制备方法，请参见图5a-图5g，图5a-图5g为本发明实施例提供的一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管的制备方法的过程示意图。
该GaN基热电子晶体管包括集电极1、GaN自支撑衬底2、AlyGa1-yN集电区3、GaN基区4、基极5、AlxGa1-xN发射区6、n+GaN帽层7、发射极8和钝化层9，如图5a所示。器件的具体结构请参见实施例一，本实施例不再赘述。
具体地，该GaN基热电子晶体管选取自下而上依次层叠的集电极1、GaN自支撑衬底2、AlyGa1-yN集电区3、GaN基区4、AlxGa1-xN发射区6、n+GaN帽层7作为外延基片。其中，n+GaN帽层7的厚度为15nm、掺杂浓度8e18cm-3，AlxGa1-xN发射区6的掺杂浓度1e19cm-3、Al组分x为30％、厚度35nm，GaN基区4掺杂浓度1e19cm-3、厚度为10nm，AlyGa1-yN集电区3的掺杂浓度3e18cm-3、Al组份为7％、厚度50nm，GaN自支撑衬底2掺杂浓度1e18cm-3,厚度300μm。
该氮化镓热电子晶体管器件的制备方法包括步骤：
S1、利用感应耦合等离子刻蚀工艺ICP工艺在外延基片上制作器件有源区的电隔离结构。
S11、在n+GaN帽层7上光刻有源区的电隔离区域。
首先，将样品放在200℃的热板上烘烤5min；然后，在n+GaN帽层7的表面进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶转速为3500转/mim，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min；最后，将样品放入光刻机中对电隔离区域内的光刻胶进行曝光，再将完成曝光后的样品放入显影液中以移除电隔离区域内的光刻胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干。
S12、利用感应耦合等离子刻蚀工艺ICP依次刻蚀电隔离区域的n+GaN帽层7、AlxGa1-xN发射区6、GaN基区4、AlyGa1-yN集电区3，形成器件有源区的电隔离结构10a，如图5b所示。
首先，利用ICP工艺依次刻蚀电隔离区域的n+GaN帽层7、AlxGa1-xN发射区6、GaN基区4、AlyGa1-yN集电区3，刻蚀深度为110nm，以实现有源区的台面隔离。然后，将样品依次放入丙酮溶液、剥离液、丙酮溶液和乙醇溶液中进行清洗，以移除电隔离区域外的光刻胶，再用超纯水冲洗样品并用氮气吹干，形成器件有源区的电隔离结构10a，电隔离结构10a使得器件中n+GaN自支撑衬底2的表面露出，AlyGa1-yN集电区3、GaN基区4、AlxGa1-xN发射区6和n+GaN帽层7的侧面露出。
S2、刻蚀外延基片的n+GaN帽层7和AlxGa1-xN发射区6，形成基极区域51和发射极区域81。
S21、对n+GaN帽层7上的选定图形区域进行光刻。
首先，将外延基片放在200℃的热板上烘烤5min；然后，在n+GaN帽层7上进行剥离胶的涂胶和甩胶，其甩胶厚度为0.35μm，并将样品放在200℃的热板上烘烤5min；接着，在剥离胶上进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶厚度为0.77μm，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min；最后，将完成涂胶和甩胶的样品放入光刻机中对已涂胶的表面进行曝光，并将完成曝光的样品放入显影液中移除光刻胶和剥离胶，再对其进行超纯水冲洗和氮气吹扫后形成选定图形区域。
S22、刻蚀选定图形区域的n+GaN帽层7和AlxGa1-xN发射区6，形成基极区域51和发射极区域81，其中，发射极区域81位于n+GaN帽层7上，基极区域51位于GaN基区4上且围绕发射极区域81，如图5c所示。
首先，利用ICP工艺依次刻蚀选定图形区域的n+GaN帽层7和AlxGa1-xN发射区6，刻蚀深度为50nm；然后，将样品依次放入丙酮溶液、剥离液、丙酮溶液和乙醇溶液中进行清洗，以移除刻蚀区域外的光刻胶，再用超纯水冲洗样品并用氮气吹干，形成基极区域51和发射极区域81，基极区域51位于GaN基区4的表面且围绕由n+GaN帽层7和AlxGa1-xN发射区6形成的台面结构，从俯视图上看，基极区域51围绕发射极区域81。
S3、在电隔离结构、GaN基区4、AlxGa1-xN发射区6、n+GaN帽层7的表面生长钝化层介质，形成钝化层9。
S31、对完成有源区域刻蚀的器件进行表面清洗。
首先，将样品放入丙酮溶液中超声清洗3mim，其超声强度为3.0；然后，将样品放入温度为60℃的剥离液中水浴加热5min；接着，将样品依次放入丙酮溶液和乙醇溶液中超声清洗3min，其超声强度为3.0；最后，用超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
S32、利用等离子增强化学气相沉积PECVD工艺，在电隔离结构的表面、GaN基区4的表面、AlxGa1-xN发射区6的表面、n+GaN帽层7的表面生长钝化层介质，形成钝化层9，如图5d所示。
本实施例中，利用ICP工艺刻蚀形成电隔离结构10a，电隔离结构的表面包括n+GaN自支撑衬底2的上表面，因此，在n+GaN自支撑衬底2的上表面、AlyGa1-yN集电区3的侧面、GaN基区4的侧面和上表面、AlxGa1-xN发射区6的侧面以及n+GaN帽层7的侧面和上表面生长钝化层介质，形成钝化层9。
在一个具体实施例中，利用PECVD工艺生长30nm的SiN钝化层，其生长的工艺条件为：采用NH3和SiH4作为反应气体，衬底温度为250℃，反应腔室压力为600mTorr，RF功率为22W。
S4、刻蚀基极区域51的钝化层9和GaN基区4、发射极区域81的钝化层9和n+GaN帽层7，形成基极开孔53和发射极开孔83。
S41、对基极区域51的钝化层9、发射极区域81的钝化层9同时进行刻蚀，形成第一开孔52和第二开孔82，如图5e所示。
首先，在基极区域51上的钝化层9表面光刻基极开孔区，在发射极区域81上的钝化层9表面光刻发射极开孔区。具体地，首先，将样品放在200℃的热板上烘烤5min；然后，在基极区域51上的钝化层9表面和发射极区域81上的钝化层9表面进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶转速为3500转/mim，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min；接着，将样品放入光刻机中对金属互联开孔区域内的光刻胶进行曝光；最后，将完成曝光后的样品放入显影液中以移除互联开孔区域内的光刻胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干。
然后，对基极区域51的钝化层9、发射极区域81的钝化层9同时进行刻蚀，形成第一开孔52和第二开孔82。具体地，利用利用ICP刻蚀工艺在反应气体为CF4和O2，反应腔室压力为10mTorr，上电极和下电极的射频功率分别为100W和10W的条件下，刻蚀掉基极开孔区的SiN保护层9和发射极开孔区的SiN保护层9，形成贯穿钝化层9的第一开孔52和第二开孔82。
本实施例中，不对n+GaN帽层7、GaN基区4进行过刻蚀，即过刻蚀深度为0，此时，第一开孔52、第二开孔82即为基极开孔53和发射极开孔83。
刻蚀完成后，将样品依次放入丙酮溶液、剥离液、丙酮溶液和乙醇溶液中进行清洗，以移除开孔刻蚀区域外的光刻胶，再用超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
S5、在基极开孔53中、基极区域51的钝化层上、发射极开孔83中、发射极区域81的钝化层上蒸发金属，形成基极5和发射极8。
S51、在n+GaN帽层7上的钝化层9表面光刻发射极图形化区域，在GaN基区4上的钝化层9表面光刻基极图形化区域。
首先，将样品放在200℃的热板上烘烤5min；然后，在n+GaN帽层7、GaN基区4上进行剥离胶的涂胶和甩胶，其甩胶厚度为0.35μm，并将样品放在200℃的热板上烘烤5min；接着，在剥离胶上进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶厚度为0.77μm，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min；之后，将完成涂胶和甩胶的样品放入光刻机中对发射极、基极区域内的光刻胶进行曝光；最后，将完成曝光的样品放入显影液中移除发射极、基极区域内的光刻胶和剥离胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干，形成发射极图形化区域、基极图形化区域。
S52、采用电子束蒸发工艺，在发射极图形化区域的钝化层9上、发射极开孔83中、基极图形化区域的钝化层9上、基极开孔53中蒸发金属，形成基极5和发射极8，如图5f所示。
首先，将样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2×10-6Torr之后，再在发射极图形化区域内的n+GaN帽层7上、基极图形化区域内的GaN基区4上和发射极图形化区域、基极图形化区域外的光刻胶上蒸发金属层，该金属层为由下向上依次由Ni、Au和Ni三层金属组成的堆栈结构。
然后，对完成发射极、基极金属蒸发的样品进行剥离，以移除发射极、基极区域外的金属、光刻胶和剥离胶，用超纯水冲洗样品并用氮气吹干后形成基极5、发射极8。
S6、在GaN自支撑衬底2的底部制作集电极1，如图5g所示。
具体地，将样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2×10-6Torr之后，再在集电极区域内GaN自支撑衬底2上蒸发金属层，该金属层为由下向上依次由Ni、Au和Ni三层金属组成的堆栈结构。最后，对完成集电极制作的样品进行清洗，用超纯水冲洗样品并用氮气吹干，形成集电极1，完成器件制作。
实施例四
在实施例一、实施例二和实施例三的基础上，本实施例提供了另一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管及其制备方法，请参见图6a-图6h，图6a-图6h为本发明实施例提供的另一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管的制备方法的过程示意图。
该GaN基热电子晶体管包括集电极1、GaN自支撑衬底2、AlyGa1-yN集电区3、GaN基区4、基极5、AlxGa1-xN发射区6、n+GaN帽层7、发射极8和钝化层9，如图6a所示。器件的具体结构请参见实施例一，本实施例不再赘述。
具体地，该GaN基热电子晶体管选取自下而上依次层叠的集电极1、GaN自支撑衬底2、AlyGa1-yN集电区3、GaN基区4、AlxGa1-xN发射区6、n+GaN帽层7作为外延基片。其中，n+GaN帽层7的厚度为15nm、掺杂浓度8e18cm-3，AlxGa1-xN发射区6的掺杂浓度1e19cm-3、Al组分x为30％、厚度35nm，GaN基区4掺杂浓度1e19cm-3、厚度为10nm，AlyGa1-yN集电区3的掺杂浓度3e18cm-3、Al组份为7％、厚度50nm，GaN自支撑衬底2掺杂浓度1e18cm-3。
该氮化镓热电子晶体管器件的制备方法包括步骤：
S1、利用离子注入工艺在外延基片上制作器件有源区的电隔离结构。
S11、在n+GaN帽层7上光刻有源区的电隔离区域。
首先将样品放在200℃的热板上烘烤5min，然后，在n+GaN帽层7的表面进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶厚度为2μm，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min，接着将样品放入光刻机中对电隔离区域内的光刻胶进行曝光，最后将完成曝光后的样品放入显影液中以移除电隔离区域内的光刻胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干。
S12、利用离子注入工艺在n+GaN帽层7、AlxGa1-xN发射区6、GaN基区4、AlyGa1-yN集电区3中制作器件有源区的电隔离。
利用离子注入工艺将N离子依次注入到电隔离区域的n+GaN帽层7、AlxGa1-xN发射区6、GaN基区4和AlyGa1-yN集电区3，注入深度为120nm，以实现有源区的电隔离；然后将样品依次放入丙酮溶液、剥离液、丙酮溶液和乙醇溶液中进行清洗，以移除电隔离区域外的光刻胶；最后用超纯水冲洗样品并用氮气吹干，形成器件有源区的电隔离结构10b，如图6b所示。电隔离结构10b位于AlyGa1-yN集电区3、GaN基区4、AlxGa1-xN发射区6和n+GaN帽层7的侧面。
S2、刻蚀外延基片的n+GaN帽层7和AlxGa1-xN发射区6，形成基极区域51和发射极区域81。
S21、对n+GaN帽层7上的选定图形区域进行光刻。
S22、刻蚀选定图形区域的n+GaN帽层7和AlxGa1-xN发射区6，形成基极区域51和发射极区域81，其中，发射极区域81位于n+GaN帽层7上，基极区域51位于GaN基区4上且围绕发射极区域81，如图6c所示。具体地，刻蚀深度为50nm。具体实施方式请参见实施例三。
S3、在电隔离结构、GaN基区4、AlxGa1-xN发射区6、n+GaN帽层7的表面生长钝化层介质，形成钝化层9。
S31、对完成有源区域刻蚀的器件进行表面清洗。具体实施方式请参见实施例三。
S32、利用原子层沉积ALD工艺，在电隔离结构的表面、GaN基区4的表面、AlxGa1-xN发射区6的表面、n+GaN帽层7的表面生长钝化层介质，形成钝化层9，如图6d所示。
本实施例中，利用离子注入工艺形成电隔离结构10b，因此，在电隔离结构的上表面和侧面、GaN基区4的上表面、AlxGa1-xN发射区6的侧面以及n+GaN帽层7的侧面和上表面生长钝化层介质，形成钝化层9。
在一个具体实施例中，利用ALD工艺生长厚度为30nm的Al2O3钝化层，其生长的工艺条件为：采用TMA和H2O作为反应前驱体，工艺温度为300℃射频功率设置为50W，反应腔室压力为0.3Torr。
S4、刻蚀基极区域51的钝化层9和GaN基区4、发射极区域81的钝化层9和n+GaN帽层7，形成基极开孔53和发射极开孔83。
S41、对基极区域51的钝化层9、发射极区域81的钝化层9同时进行刻蚀，形成第一开孔52和第二开孔82，如图6e所示。具体实施方式请参见实施例三。
S42、对第一开孔52中的GaN基区4、第二开孔82中的n+GaN帽层7同时进行过刻蚀，形成基极开孔53和发射极开孔83，如图6f所示。
具体地，利用ICP刻蚀工艺在反应气体为Cl2，反应腔室压力为10mTorr，上电极和下电极的射频功率分别为100W和10W的条件下，刻蚀n+GaN帽层7、GaN基区4，形成基极开孔53和发射极开孔83，其中，过刻蚀深度为3nm。
本实施例中，过刻蚀深度为3nm，因此，基极开孔53嵌入GaN基区4中，发射极开孔83嵌入n+GaN帽层7中。
刻蚀完成后，将样品依次放入丙酮溶液、剥离液、丙酮溶液和乙醇溶液中进行清洗，以移除开孔刻蚀区域外的光刻胶，再用超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
S5、在基极开孔53中、基极区域51的钝化层上、发射极开孔83中、发射极区域81的钝化层上蒸发金属，形成基极5和发射极8。
S51、在n+GaN帽层7上的钝化层9表面光刻发射极图形化区域，在GaN基区4上的钝化层9表面光刻基极图形化区域。
S52、采用电子束蒸发工艺，在发射极图形化区域的钝化层9上、发射极开孔83中、基极图形化区域的钝化层9上、基极开孔53中蒸发金属，形成基极5和发射极8，如图6g所示。
具体实施方式请参见实施例三。
S6、在GaN自支撑衬底2的底部制作集电极1，如图6h所示。具体实施方式请参见实施例三。
实施例五
在实施例一、实施例二和实施例三的基础上，请再次参见图5a-图5g，本实施例提供了又一种自支撑衬底上的GaN基热电子晶体管及其制备方法。
该GaN基热电子晶体管包括集电极1、GaN自支撑衬底2、AlyGa1-yN集电区3、GaN基区4、基极5、AlxGa1-xN发射区6、n+GaN帽层7、发射极8和钝化层9。器件的具体结构请参见实施例一，本实施例不再赘述。
具体地，该GaN基热电子晶体管选取自下而上依次层叠的集电极1、GaN自支撑衬底2、AlyGa1-yN集电区3、GaN基区4、AlxGa1-xN发射区6、n+GaN帽层7作为外延基片，如图5a所示。其中，n+GaN帽层7的厚度为20nm、掺杂浓度1e19cm-3，AlxGa1-xN发射区6的掺杂浓度1e19cm-3、Al组分为40％、厚度40nm，GaN基区4掺杂浓度1.5e19cm-3、厚度为12nm，AlyGa1-yN集电区3的掺杂浓度5e18cm-3、Al组份为10％、厚度60nm，GaN自支撑衬底2掺杂浓度3e18cm-3。
该氮化镓热电子晶体管器件的制备方法包括步骤：
S1、利用感应耦合等离子刻蚀工艺ICP工艺在外延基片上制作器件有源区的电隔离结构。
S11、在n+GaN帽层7上光刻有源区的电隔离区域。
S12、利用感应耦合等离子刻蚀工艺ICP依次刻蚀电隔离区域的n+GaN帽层7、AlxGa1-xN发射区6、GaN基区4、AlyGa1-yN集电区3，形成器件有源区的电隔离结构10a，如图5b所示。
具体实施方式请参见实施例三。
S2、刻蚀外延基片的n+GaN帽层7和AlxGa1-xN发射区6，形成基极区域51和发射极区域81。
S21、对n+GaN帽层7上的选定图形区域进行光刻。
S22、刻蚀选定图形区域的n+GaN帽层7和AlxGa1-xN发射区6，形成基极区域51和发射极区域81，其中，发射极区域81位于n+GaN帽层7上，基极区域51位于GaN基区4上且围绕发射极区域81，如图5c所示。
具体地，刻蚀深度为60nm。
具体实施方式请参见实施例三。
S3、在电隔离结构、GaN基区4、AlxGa1-xN发射区6、n+GaN帽层7的表面生长钝化层介质，形成钝化层9。
S31、对完成有源区域刻蚀的器件进行表面清洗。具体实施方式请参见实施例三。
S32、利用原子层沉积ALD工艺，在电隔离结构的表面、GaN基区4的表面、AlxGa1-xN发射区6的表面、n+GaN帽层7的表面生长钝化层介质，形成钝化层9，如图5d所示。
本实施例中，利用ICP工艺刻蚀形成电隔离结构10a，电隔离结构的表面包括n+GaN自支撑衬底2的上表面，因此，在n+GaN自支撑衬底2的上表面、AlyGa1-yN集电区3的侧面、GaN基区4的侧面和上表面、AlxGa1-xN发射区6的侧面以及n+GaN帽层7的侧面和上表面生长钝化层介质，形成钝化层9。
在一个具体实施例中，利用ALD工艺生长厚度为30nm的Al2O3钝化层，其生长的工艺条件为：采用TMA和H2O作为反应前驱体，工艺温度为300℃射频功率设置为50W，反应腔室压力为0.3Torr。
S4、刻蚀基极区域51的钝化层9和GaN基区4、发射极区域81的钝化层9和n+GaN帽层7，形成基极开孔53和发射极开孔83。
S41、对基极区域51的钝化层9、发射极区域81的钝化层9同时进行刻蚀，形成第一开孔52和第二开孔82，如图5e所示。具体实施方式请参见实施例三。
S42、对第一开孔52中的GaN基区4、第二开孔82中的n+GaN帽层7同时进行过刻蚀，形成基极开孔53和发射极开孔83，如图5f所示。
具体地，利用ICP刻蚀工艺在反应气体为Cl2，反应腔室压力为10mTorr，上电极和下电极的射频功率分别为100W和10W的条件下，刻蚀n+GaN帽层7、GaN基区4，形成基极开孔53和发射极开孔83，其中，过刻蚀深度为5nm。
本实施例中，过刻蚀深度为5nm，因此，基极开孔53嵌入GaN基区4中，发射极开孔83嵌入n+GaN帽层7中。
刻蚀完成后，将样品依次放入丙酮溶液、剥离液、丙酮溶液和乙醇溶液中进行清洗，以移除开孔刻蚀区域外的光刻胶，再用超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
S5、在基极开孔53中、基极区域51的钝化层上、发射极开孔83中、发射极区域81的钝化层上蒸发金属，形成基极5和发射极8，如图5g所示。
S51、在n+GaN帽层7上的钝化层9表面光刻发射极图形化区域，在GaN基区4上的钝化层9表面光刻基极图形化区域。
S52、采用电子束蒸发工艺，在发射极图形化区域的钝化层9上、发射极开孔83中、基极图形化区域的钝化层9上、基极开孔53中蒸发金属，形成基极5和发射极8。
具体实施方式请参见实施例三。
S6、在GaN自支撑衬底2的底部制作集电极1。具体实施方式请参见实施例三。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。