[发明专利]一种含InGaN插入层的增强型GaN_HEMT制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含InGaN插入层的增强型GaN_HEMT制备方法，属于集成电路制造领域。

背景技术

GaN材料以其较宽的禁带宽度使其为基底的GaN HEMT器件具备高的击穿电压、高的电流密度、低的导通电阻，是现代电力传输系统的核心器件。GaN HEMT作为电力电子器件的首要条件是增强型工作模式，但是由于AlGaN、GaN异质结的特性，在材料生长完成后沟道中具备高浓度二维电子气，使之成为天然的耗尽型器件。要实现GaN HEMT从耗尽型到增强型的转变，常规的方法主要有栅极区域的氟离子注入，栅极刻蚀，P型GaN栅极结构以及串联增强型Si基MOS来使GaN HEMT器件的阈值电压达到0V以上。但是以上方法都有很大的局限性，其工艺过程复杂，可控性低，重复性难而使GaN材料本征的优异特性无法实现。在工业界常使用含P型GaN栅极的GaN HEMT结构，通过革新材料设计在普通GaN HEMT结构上生长一层P型GaN层，从而抬高AlGaN、GaN异质结的三角形势垒至费米能级之上，实现GaN HEMT结构由常开型向常关型的转变。但是在上述结构上制备场效应晶体管，需要移除栅极区域以外的P型GaN层，而GaN的性质较为稳定很难通过湿法腐蚀的方法实现，通常使用干法刻蚀的方法移除P型GaN层，但是干法刻蚀的低可控性以及等离子体轰击对异质结沟道带来不可逆的损伤，造成器件性能大幅度下降。

为了实现增强型GaN HEMT器件，业界常用的方法有以下四种：1.在栅极下方势垒层中注入强电负性的氟离子，从而使二维电子气沟道耗尽，实现器件的增强型工作状态，该方法的优点是工艺过程简单，能实现栅极自对准工艺，缺点是通过该方法制备的增强型器件的阈值电压热稳定性差，氟离子的注入会对沟道带来损伤导致器件电流较小导通电阻较大，阻碍该项技术的产业化进程。2.使用一支硅基增强型MOS管与普通耗尽型GaN HEMT串联，从而实现增强型工作模式，该方法广泛运用于商用电力电子器件中，但该方法的栅极是输入端为硅基MOS管，因此输入信号的频率会大幅度降低。3.栅极刻蚀技术，移除栅极下方的AlGaN势垒层来实现对二维电子气沟道的截止，再用介质层去填充经过刻蚀的区域，从而形成一个混合的GaN MOSHEMT，混合GaN MOSHEMT在导通的时候，栅极下方的载流子的输运脱离了二维电子气沟道，且在输运过程中受到介质层和被刻蚀后的GaN界面很强的散射作用，载流子的迁移率衰减严重，虽然该类器件的阈值电压达到0V以上，但是相比于耗尽型器件具有更大的导通电阻和较低的输出电流密度，这使作为电力电子开关器件的输出功率和转化效率大幅度下降，GaN材料高电子迁移率、高二维电子气浓度的优势无法充分体现。4.P型GaN栅极实现增强型工作的方法也是业界常用的一种方法，原理为通过P型GaN栅和沟道之间的内建电势来耗尽二维电子气沟道，实现增强型工作状态。该方法优点是电导调制，缺点是工艺实现难度较大需要准确移除栅极区域之外的P型GaN层和避免对沟道的损伤。综上所述，通过进一步革新外延层结构设计和制备工艺来实现高性能增强型GaN HEMT是有其必要和紧急性。

发明内容

为解决传统的GaN HEMT器件制造工艺中存在的问题，本发明提出了一种基于InGaN插入层的增强型GaN HEMT结构及工艺方法，其特征在于：在P型GaN和AlGaN势垒层中插入薄层InGaN层作为氧化腐蚀自停止层。

所述薄层InGaN氧化腐蚀自停止层比其下方的AlGaN层更易氧化，在氧化过程中氧化能够自动停止在InGaN层，所生成的氧化物能够在湿法腐蚀液中溶解，在溶解的过程中能够带动其上方的P型GaN剥离，从而达到移除P型GaN的目的，而且湿法腐蚀中的侧向腐蚀有助于制备细栅长的P型GaN栅极，对于提高增强型器件的工作频率有重要意义

本发明采用的技术方案是：一种含InGaN插入层的增强型GaN_HEMT制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长GaN HEMT异质结构，从下至上包括成核层、缓冲层、插入层和势垒层；

步骤2：在上述异质结构之上继续生长InGaN氧化层，作为后续工艺的氧化腐蚀自停止层；

步骤3：在氧化层上继续生长GaN层，和氧化层配合抬高下方异质结中二维电子气沟道至内部费米能级之上，至此完成外延结构生长；

步骤4：通过光刻显影方式和剥离工艺，在上述外延结构上形成P型栅极氧化保护掩膜，并打开P型栅极以外的区域，通过氧等离子和热氧化方法对该区域进行氧化；