[发明专利]一种提高硅基GaNHEMT关态击穿电压的器件结构及实现方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及GaN基电力电子器件制作

背景技术

近年来，宽禁带半导体GaN以其高电子迁移率、高击穿场强等优越的材料特性而受到广泛关注。除此之外，由于强自发极化效应，在常规的AlGaN/GaN异质结界面天然存在高浓度的二维电子气。因此理论上来讲，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在高频、高压功率开关等领域有着极其广阔的应用前景。

GaN器件的衬底材料一般为硅、碳化硅、蓝宝石三种，其中硅基AlGaN/GaN HEMT因为其价格低、良好的晶圆尺寸可伸缩性而备受青睐。尽管良好的材料特性和异质结特性，但硅基GaN HEMT的关态击穿电压仍然远低于理论上的极限值，这极大的限制了其在高压开关领域中的应用。

硅基GaN HEMT中，由于衬底硅并非如碳化硅、蓝宝石那样完全绝缘，所以其关态击穿特性与常规的HEMT器件不同：硅基GaN HEMT的关态击穿电压随着栅漏间距的增大会逐渐饱和而非逐渐增大。饱和关态击穿电压的大小在栅漏间距不是很大时，与垂直方向上的外延层厚度有直接关系。基于晶格失配以及大晶圆尺寸下弯曲度等的考量，外延层不能太厚，因此在提高硅基GaN HEMT的关态击穿电压方面具有一定的挑战。

目前提高硅基GaN HEMT关态击穿电压的方法主要有：1.局部移除源漏区域下的硅衬底；2.衬底转移技术：将原始的硅衬底全部移除后，让HEMT结构转移到一个绝缘的载体晶圆上，该方法虽能完全消除硅衬底对GaN HEMT击穿电压的限制，但比较复杂繁琐且成本较高；3.一定程度上提高缓冲层的厚度也能控制垂直方向的漏电从而获得高的击穿电压，该法简单但提高程度有限。

发明内容

本发明的目的在于用更简单的方法提高硅基GaN HEMT的关态击穿电压。在深入探索硅基GaN HEMT关态击穿机制的基础上，从器件结构设计的角度出发，在传统的硅基GaN HEMT结构上进行改进，在源端形成源端混合肖特基-欧姆电极结构，以实现高击穿电压的硅基GaN HEMT，满足GaN基电力电子器件对高开关电压的应用需求。

本发明的技术思路如下：在利用漏注入测量技术研究硅基GaN HEMT关态击穿机制 中发现，当栅漏间距较大时(例如10um)，关态击穿电压随着器件夹断立马跃升到一个很高的值，但随着栅压进一步负向移动，又慢慢减小到一个恒定的值，这与常规器件表现出来的夹断之后击穿电压立即饱和或者逐渐升高均不同。随之进行的两端击穿电压测试中发现，若欧姆电极旁边有一部分二维电子气(如附图1所示)，其击穿电压明显高于没有二维电子气的。由此可以说明二维电子气对高压起到了一定的屏蔽作用，也正因为如此，在三端器件耐压测试中，才会有着随栅压负向移动，二维电子气逐渐被耗尽，屏蔽作用减弱，关态击穿电压也就在夹断之后逐渐减小，直到耗尽到最大程度后，耐压饱和。这说明硅基GaN HEMT的关态击穿和源端的欧姆注入有关，源端欧姆接触形成过程中本就会产生损伤，在高压过程中，注入电流会很大，从而导致器件的击穿电压降低。沿着这一击穿机制，可以将硅基GaN HEMT的源端欧姆接触改进成源端肖特基-欧姆混合接触，即在欧姆接触的基础上，多加一段肖特基接触，该肖特基接触的金属起到了和二维电子气异曲同工的屏蔽作用，当器件加以高压，这段肖特基接触的金属屏蔽掉了一部分高压的影响，减少了源端欧姆接触的注入，从而提高了硅基GaN HEMT的关态击穿电压。

依据上述技术思路，为了提高硅基GaN HEMT关态击穿电压，一种利用源端肖特基-欧姆混合接触的新型器件结构，包括如下制备过程：

(1)在硅衬底上按照一定的生长条件依次生长碳掺杂的GaN或AlN缓冲层、本征GaN沟道层、本征AlGaN势垒层；

(2)对外延生长好的AlGaN/GaN材料进行有机清洗，用流动的去离子水清洗后放入HCl∶H₂O＝1∶10的溶液中清洗1～2min，而后可利用PECVD、ICPCVD或LPCVD在其表面形成一层薄的栅介质层；

(3)对形成栅介质层的AlGaN/GaN材料进行光刻，刻蚀出源漏欧姆接触区域，通过电子束蒸发或者磁控溅射制备欧姆接触金属并进行剥离，最后在氮气环境中快速热退火(800～900℃，30s)，形成欧姆接触；

(4)形成欧姆接触之后，进一步光刻，定义出有源区，利用平面离子注入(一般为氟离子)或者刻蚀的方法实现器件的有源区隔离；

(5)隔离形成之后，光刻栅电极区域，用电子束蒸发或者测控溅射制备金属栅电极材料，随后对器件进行剥离工艺处理形成栅电极；