阅读说明：本技术 N面GaN HEMT器件及其制作方法 (N-surface GaN HEMT device and manufacturing method thereof ) 是由 张丽 于国浩 张宝顺 于 2020-11-23 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种N面GaN HEMT器件及制作方法。所述HEMT器件包括外延结构以及与外延结构配合的源、漏、栅极；所述外延结构包括沿设定方向依次生长形成的高阻层、沟道层和势垒层,所述沟道层与势垒层的界面处还形成有二维电子气；所述高阻层至少作为原位钝化层,所述栅极分布在高阻层上。本申请通过采用转移技术取代直接生长,可以容易、可控地获得高质量N面GaN材料,其中利用高阻(Al)GaN作为原位钝化层,一方面有效减小了刻蚀对GaN-AlGaN异质结造成的损伤,可以维持高二维电子气迁移率及载流子浓度,另一方面还避免了二次生长钝化层引入表面态恶化器件性能的问题,使得所获N面GaN HEMT器件具有显著改善的各项性能。(The application discloses an N-surface GaN HEMT device and a manufacturing method thereof. The HEMT device comprises an epitaxial structure, and a source, a drain and a grid which are matched with the epitaxial structure; the epitaxial structure comprises a high-resistance layer, a channel layer and a barrier layer which are sequentially grown and formed along a set direction, and two-dimensional electron gas is further formed at the interface of the channel layer and the barrier layer; the high-resistance layer at least serves as an in-situ passivation layer, and the grid electrode is distributed on the high-resistance layer. According to the method, direct growth is replaced by a transfer technology, the high-quality N-surface GaN material can be easily and controllably obtained, wherein high-resistance (Al) GaN is used as an in-situ passivation layer, on one hand, damage of etching to a GaN-AlGaN heterojunction is effectively reduced, high two-dimensional electron gas mobility and carrier concentration can be maintained, on the other hand, the problem that the secondary growth passivation layer introduces surface state to deteriorate device performance is avoided, and the obtained N-surface GaN HEMT device has various remarkably improved performances.)

N面GaN HEMT器件及其制作方法

技术领域

本申请涉及一种HEMT(high electron mobility transistor，高电子迁移率晶体管)，特别涉及一种N面GaN HEMT器件及其制作方法，属于半导体技术领域。

背景技术

GaN基材料具有带隙宽、饱和电子速率高、热导率高、化学性质稳定的特点，使它适合制作高频、大功率、抗辐射、高温工作的电子器件。利用GaN材料极化效应制成的非掺杂异质结界面处可以形成高浓度二维电子气(Two-dimensionalelectrongas；2DEG)，避免了杂质散射，使电子迁移率大大提高。基于这种二维电子气制备的高电子迁移率晶体管(HEMT)具有功率密度大、击穿电场强、截止频率高、开关速度快等特点，非常适合高频大功率及高压条件工作，在通讯、相控阵雷达、卫星通信、军事电子对抗和电力电子领域有很好的应用前景。

相较于Ga极性面HEMT，N极性面HEMT器件可以获得更低的欧姆接触电阻，由于AlGaN层形成的背势垒，可以有效防止电子泄漏，保持2DEG的高浓度，同时随着器件等比例缩小，在减小栅极长度时，可以等比例减薄GaN层厚度，提高栅极对2DEG的控制，可以获得更高的工作频率。图1示出了现有的一种N面GaN HEMT器件，其包括在衬底11上依次生长形成的(Al)GaN缓冲层12、AlGaN势垒层13、GaN沟道层14和覆盖在GaN沟道层14上的钝化层15等，以及源、漏、栅极16、17、18。参阅图2，此类器件主要是通过如下工艺制备，即，首先利用MOCVD(金属有机气相沉积)、MBE(分子束外延)等材料外延设备在衬底上生长所需要的N面GaN-AlGaN异质结构，然后利用LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，低压力化学气相沉积)、PECVD(等离子体增强化学气相淀积)等设备沉积表面钝化层(Passivation)，通过光刻技术分别制作源漏金属和栅金属。源极(source)和漏极(drain)与2DEG是欧姆接触，当在源漏之间施加偏置电压时，可以形成横向电场，2DEG会受到横向电场的作用沿异质结界面输运形成电流，栅极(Gate)与异质结(如AlGaN/GaN异质结)是肖特基接触，在栅极施加栅压可以控制2DEG沟道的开启和关断。

尽管N极性GaN材料在制备HEMT器件上有突出优点，但材料制备上的困难限制了N极性面材料的应用，目前N极性面GaN制备方法主要采用MOCVD和MBE外延技术，但由于生长工艺不成熟及材料自身特性，导致N极性面GaN材料质量(表面形貌、杂质浓度以及穿透位错数量)都达不到器件应用级别。而且，目前N面GaN HEMT器件的表面钝化层都是通过二次外延方式进行生长，即，首先利用MOCVD或MBE设备在衬底上生长器件结构，然后转移至PECVD等薄膜沉积设备生长钝化层，器件在接触空气时会引入表面态，这些表面态在器件开关过程中会捕获GaN沟道中的电子，引起电流崩塌现象，恶化器件性能。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种N面GaN HEMT器件及其制作方法，从而克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本申请采用的技术方案包括：

本申请的一些实施例提供了一种N面GaN HEMT器件，其包括外延结构以及与外延结构配合的源极、漏极、栅极；所述外延结构包括沿设定方向依次生长形成的高阻层、沟道层和势垒层，所述沟道层与势垒层的界面处还形成有二维电子气；其中，所述高阻层至少作为原位钝化层，所述栅极分布在高阻层上。

在一些实施方式中，所述势垒层上还形成有绝缘介质层，所述绝缘介质层与基板结合。

本申请的一些实施例提供了一种制作所述N面GaN HEMT器件的方法，其包括：

至少在衬底上依次生长缓冲层、高阻层、沟道层和势垒层，获得外延结构；

将所述衬底与外延结构分离，并至少去除所述缓冲层；

制作源极、漏极和栅极，使所述栅极分布在高阻层上，以及，使所述源极、漏极与沟道层电性接触。

在一些实施方式中，所述的制作方法还包括：在衬底上依次生长缓冲层、高阻层、沟道层、势垒层、盖帽层，并在盖帽层上生长形成绝缘介质层，且将所述绝缘介质层与基板键合。

较之现有技术，本申请以上实施例提供的技术方案至少具有如下优点：

(1)N面GaN外延结构的制作采用转移技术取代直接生长，克服了较为困难的N面GaN生长工艺，可以获得高质量的N面GaN材料；

(2)借助于Ga面GaN HEMT基本结构，通过背部刻蚀至高阻层，一方面保护高阻层后方的异质结，避免刻蚀带来的损伤，维持二维电子气高的载流子浓度及迁移率，另一方面利用高阻层作为原位钝化层，避免二次外延钝化层引入表面态，可以为后续微波大功率器件的实现奠定基础。

附图说明

图1是现有的一种N面GaN HEMT器件的结构示意图；

图2是现有的一种N面GaN HEMT器件的制作工艺示意图；

图3是本申请一典型实施例提供的一种N面GaN HEMT器件的结构示意图；

图4是本申请一典型实施例提供的一种N面GaN HEMT器件的制作工艺示意图；

图5是本申请一实施例提供的一种N面GaN HEMT器件的制作工艺流程图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本申请的技术方案。如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请实施例的一个方面提供的一种N面GaN HEMT器件包括外延结构以及与外延结构配合的源极、漏极、栅极；所述外延结构包括沿设定方向依次生长形成的高阻层、沟道层和势垒层，所述沟道层与势垒层的界面处还形成有二维电子气；其中，所述高阻层至少作为原位钝化层，所述栅极分布在高阻层上。

其中，所述高阻层、沟道层和势垒层是一次外延生长形成。

在一些实施方式中，所述势垒层上还形成有绝缘介质层，所述绝缘介质层与基板结合。

其中，所述绝缘介质层的材质可以是本领域已知的，例如可以是SiO₂、Si₃N₄或AlN等，且不限于此。进一步的，所述绝缘介质层的厚度可以为200nm-1000nm。

在一些实施方式中，所述绝缘介质层与基板通过键合工艺键合。其中，键合工艺可以选用金属键合或有机键合等，例如，可以采用Au-Au键合或者HSQ(氢硅倍半环氧乙烷)胶键合。

在一些实施方式中，所述基板可选择Si衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底或者金刚石衬底等，但不限于此。

在一些实施方式中，所述势垒层生长有盖帽层，所述盖帽层上形成有绝缘介质层。

其中，所述高阻层、沟道层、势垒层、盖帽层是一次外延生长形成。

在一些实施方式中，所述源极、漏极与沟道层形成欧姆接触。

在一些实施方式中，所述沟道层的材质包括GaN，且不限于此。

在一些实施方式中，所述沟道层的厚度可以为20-100nm。

在一些实施方式中，所述势垒层的材质包括AlGaN，且不限于此。

在一些实施方式中，所述势垒层的厚度为15-35nm。

在一些实施方式中，所述高阻层的材质包括高阻(Al)GaN(Al_xGa_1-xN，0≦x≦1)，且不限于此。

在一些实施方式中，所述高阻层的厚度可以为20nm-500nm。

在一些实施方式中，所述盖帽层的材质包括GaN，且不限于此。

在一些实施方式中，所述盖帽层的厚度可以为2-5nm。

进一步的，所述沟道层、势垒层、高阻层等结构层的材质还可以是其它的III-V族半导体材料。

在一些实施方式中，所述沟道层与势垒层之间还分布有插入层。其中，所述插入层的材质包括AlN等，且不限于此。进一步的，所述插入层的厚度也可以是本领域已知的，例如可以是1-10nm。

在一些实施方式中，所述高阻层的栅极区形成有凹槽结构，所述栅极至少局部设置在所述凹槽结构内。

进一步的，所述N面GaN HEMT器件还可以包含本领域人员所知悉的其它结构层或功能部分。

进一步的，所述源、漏、栅极的材质、尺寸等也可以是本领域已知的，其设置方式也可以依据实际需求而调整，例如可以使栅极分布有源、漏之间且靠近源极。

本申请实施例的另一个方面提供的一种制作所述N面GaN HEMT器件的方法包括：

至少在衬底上依次生长缓冲层、高阻层、沟道层和势垒层，获得外延结构；

将所述衬底与外延结构分离，并至少去除所述缓冲层；

制作源极、漏极和栅极，使所述栅极分布在高阻层上，以及，使所述源极、漏极与沟道层电性接触。

其中，可以采用干法刻蚀、湿法腐蚀或其组合等本领域已知的方式将衬底与外延结构分离。

在一些实施方式中，所述的制作方法具体包括：在衬底上依次生长缓冲层、高阻层、沟道层、势垒层、盖帽层，并在盖帽层上生长形成绝缘介质层。

在一些实施方式中，所述的制作方法具体包括：在衬底上依次生长成核层、缓冲层、高阻层、沟道层、势垒层、盖帽层，并在盖帽层上生长形成绝缘介质层。

其中，所述成核层、缓冲层、高阻层、沟道层、势垒层、盖帽层可以通过MOCVD、MBE等本领域已知的外延工艺生长形成。

其中，所述绝缘介质层可以通过LPCVD、PECVD等本领域已知的方式沉积形成。

在一些实施方式中，所述的制作方法还包括：将所述绝缘介质层与基板键合。

在一些实施方式中，所述的制作方法还包括：刻蚀去除所述缓冲层及部分的高阻层，再在余留的高阻层上制作源极、漏极和栅极。

在一些实施方式中，所述的制作方法还包括：在所述高阻层上进行有源区台面隔离。

其中，可以采用离子注入或者ICP刻蚀等方式实现有源区的电隔离，但不限于此。

其中，所述源、漏、栅极可以采用本领域已知的方式制作，例如对作为原位钝化层的高阻层进行光刻，然后通过磁控溅射或其它金属蒸发-剥离工艺形成源、漏、栅极。

其中，还可以采用退火等方式使源、漏极与沟道层、盖帽层形成欧姆接触。

本发明以上实施例提供的N面GaN HEMT器件的制作方法采用转移技术取代直接生长而获得高质量N面GaN材料，工艺简单，可控性好，同时可以利用与沟道层、势垒层等一次外延生长形成的高阻(Al)GaN作为原位钝化层，一方面可以减小乃至杜绝刻蚀对GaN-AlGaN异质结造成的损伤，维持高二维电子气迁移率及载流子浓度，另一方面还避免二次生长钝化层引入表面态恶化器件性能。

如下将结合附图及若干具体实施例对本申请的技术方案及其工作原理作进一步的解释说明，但不应该理解为本申请上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本申请上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本申请的保护范围内。

请参阅图3所示是本发明一典型实施例中的一种N面GaN HEMT器件包括一次外延生长形成的高阻层1、沟道层2、势垒层3，该沟道层2、势垒层3与配合形成异质结，该异质结内形成有二维电子气9(2DEG)，其中势垒层3上还形成有绝缘介质层4，该绝缘介质层4与基板5键合。该高阻层1的栅极区形成有凹槽结构，栅极6设置于所述凹槽结构内，源极7、漏极8均透过该高阻层1而与沟道层2形成欧姆接触。栅极6分布于源极7、漏极8之间。该源极7、漏极8通过2DEG电连接。

再请参阅图4，该典型实施例中一种N面GaN HEMT器件的制作方法可以包括如下步骤：

在衬底11上外延生长形成缓冲层10、高阻层1、沟道层2、势垒层3(也可以在势垒层上一次外延生长盖帽层，图中未示出)；

在势垒层上沉积绝缘介质层4；

通过刻蚀工艺去除衬底、缓冲层，使高阻层暴露出(也可以去除部分的高阻层，使其减薄)；

在高阻层上制作源、漏、栅极6、7、8，以及，将绝缘介质层4与基板5键合。

在一更为具体的案例中，参阅图5，一种基于转移技术的高阻(Al)GaN原位钝化层的N面GaN HEMT器件的制作方法包括如下步骤：

S1：选取Si(111)衬底；

S2：利用MOCVD设备在衬底上依次生长100-200nmAlN成核层、1000-2000nmAlGaN缓冲层、高阻(Al)GaN层、50-100nm GaN沟道层、1nm AlN插入层、25nm AlGaN势垒层以及2nmGaN盖帽层；

S3：在所述盖帽层上生长200nm-1000nm的绝缘介质层；

S4：准备半导体晶圆作为基板，将绝缘介质层与基板通过键合工艺键合；

S5：通过干法刻蚀结合湿法腐蚀将Si衬底刻蚀剥离；

S6：通过ICP干法刻蚀方式将AlN成核层、AlGaN缓冲层、部分高阻(Al)GaN层去除，剩余20nm-500nm高阻(Al)GaN层；

S7：在上述高阻(Al)GaN层进行有源区台面隔离；

S8：在上述高阻(Al)GaN层制作源漏欧姆接触电极；

S9：在上述高阻(Al)GaN层制作栅金属电极；

进一步的，步骤S3可以包括：采用PECVD或者LPCVD生长SiO₂、Si₃N₄或AlN等材质的绝缘介质层；

进一步的，步骤S4可以包括：

(1)基板可以选择Si衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底或者金刚石衬底；

(2)键合工艺可以采用Au-Au键合或者HSQ(氢硅倍半环氧乙烷)胶键合。

其中，所述Au-Au键合具体可以包括：

①在基板表面生长200nm SiO₂介质；

②在基板及上述绝缘介质层两侧分别生长30nm/500nm Ti/Au金属；

③利用键合机将基板与绝缘介质层进行键合。

其中，所述HSQ胶键合具体可以包括：

①利用匀胶机在基板表面均匀涂覆HSQ胶；

②利用匀胶机在绝缘介质层表面均匀涂覆HSQ胶；

③将涂覆的HSQ胶250℃预烘烤1min去除有机溶剂；

④将基板与绝缘介质层通过胶贴合后先加压力然后升温至400℃，热压键合60min。

进一步的，步骤S5可以包括：

(1)利用深硅刻蚀机干法刻蚀Si衬底至Si衬底剩余100μm；

(2)以硝酸：氢氟酸：醋酸的体积比为1:1:1配置Si腐蚀溶液，将剩余Si衬底通过湿法腐蚀方式去除，剩余GaN HEMT外延结构。

进一步的，步骤S7可以包括：

(1)在上述高阻(Al)GaN层上光刻有源区的电隔离区域；

(2)可选择离子注入或者ICP刻蚀实现有源区的电隔离；

(3)ICP刻蚀方式具体为依次刻蚀所述电隔离区域对应的高阻(Al)GaN层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层、GaN盖帽层，完成对有源区的台面隔离。

其中，所述离子注入方式具体可以为：采用F离子注入，按注入能量及计量不同分三次注入，实现对高阻(Al)GaN层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层、GaN盖帽层的电隔离。

进一步的，步骤S8可以包括：

(1)在上述高阻(Al)GaN层光刻源电极和漏电极区域；

(2)在上述源、漏区域进行刻蚀至AlGaN势垒层，形成凹槽；

(3)对凹槽区域进行金属蒸发和金属剥离，形成所述源电极和漏电极。

进一步的，步骤S9可以包括：

(1)在上述高阻(Al)GaN层光刻栅电极区域；

(2)在所述栅极区域进行刻蚀至剩余20nm高阻(Al)GaN层，形成凹槽；

(3)在上述凹槽区域进行金属蒸发和金属剥离，形成所述栅电极。

该具体实施例中通过采用转移技术取代直接生长，可以容易、可控地获得高质量N面GaN材料，其中利用高阻(Al)GaN作为原位钝化层，一方面有效减小了刻蚀对GaN-AlGaN异质结造成的损伤，可以维持高二维电子气迁移率及载流子浓度，另一方面还避免了二次生长钝化层引入表面态恶化器件性能的问题，使得所获N面GaN HEMT器件具有显著改善的各项性能。

尽管已参考说明性实施例描述了本申请，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本申请的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本申请的范围的情况下作出许多修改以使特定情形或材料适应本申请的教示。因此，本文并不打算将本申请限制于用于执行本申请的所揭示特定实施例，而是打算使本申请将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。