一种双异质结MOS-HEMT器件 【技术领域】
本发明涉及半导体元器件技术，具体指一种Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN双异质结MOS-HEMT器件。
背景技术
以氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带半导体器件，是继第一、二代半导体器件之后，近十年迅速发展起来的新型宽禁带半导体器件。90年代以来，随着氮化镓(GaN)基半导体材料生长工艺的一系列重大突破，以GaN为代表的新一代半导体材料逐渐引起了人们的关注，其禁带宽度大、电子迁移率高、热导率高，具有耐高压、耐热分解、耐腐蚀和耐放射性辐照的特点，特别适合于制作超高频、高温、高功率HEMT器件，被誉为“后硅器时代”的主要代表，其研究与应用是目前全球半导体领域的前沿和热点。
目前，GaN基HEMT器件已经走向了实用化的阶段，在基站信号传输、远距离空间通信等方面发挥着重要的作用，但由于器件工艺技术的不完善，在材料生长过程中各外延层不可避免地出现较高浓度的体陷阱，严重影响了器件的输出特性。当器件作为微波放大电路基本单元使用时，器件中的沟道电子在高电场的作用下会出现严重的量子隧穿和热电子现象，大量电子被体陷阱所捕获，造成饱和电流严重下降，限制了该器件的进一步地推广应用。对于GaN基器件，Binari等人在1997年第一次观察到了GaN基MESFET的强场电流坍塌效应，并使用光电离能谱的方法研究了MESFET的陷阱能级，认为半绝缘的GaN缓冲层中的1.8eV和2.85eV的两个深陷阱俘获电子。之后，Klein等人于2001年，采用这种方法对GaN基HEMT器件进行研究得到相同的结果，最后证实了高电场下缓冲层体陷阱是造成电流坍塌的主要原因。
传统GaN基HEMT器件中的电流坍塌，除了制备工艺上的问题外，器件本身物理结构的缺陷也是一个重要因素。传统GaN基HEMT器件结构简单，沟道区域主要存在于缓冲层，而缓冲层的导带能量却比势垒层小很多，因此在高电场作用下，大量的电子进入缓冲层被消耗掉。另外缓冲层具有较大的厚度，而这又将严重降低沟道中的电子浓度。
因此，为了获得较大的微波输出功率，同时保持传统GaN基HEMT器件中GaN层高电子迁移率的优点，近年来人们提出了一些改进方案以提高势阱的深度，增加对电子的束缚，比如：2004年纽约州立大学的W.Lanfort等人提出了AlGaN/InGaN/GaN异质结构，2005年以色列技术工程学院的O.Katz等提出了InAlN/GaN异质结构，通过实验他们分别证明了这两种结构制作的HEMT器件具有更大的功率。最近，一种带有InGaN嵌入层的AlGaN/GaN/InGaN/GaN双异质结HEMT器件结构被报导，如图1所示。InGaN材料具有强的压电极化现象，电荷的极性与AlGaN材料的相反，当它在GaN材料系统中生长时，InGaN材料被压缩极化，造成InGaN与GaN异质结界面处的极化电荷密度大概为传统GaN基HEMT器件1.5倍，如此高的极化电荷密度使得GaN缓冲层的导带能量上升了很多。因此，相对于传统GaN基HEMT器件，这种双异质结HEMT器件在高电场作用下可以有效地抑制沟道电子被缓冲层体陷阱所捕获，即相对较小的电流坍塌效应。尽管如此，AlGaN/GaN/InGaN/GaN双异质结HEMT器件仍具有以下的缺点：一、自加热效应明显；二、电流坍塌效应明显；三、阈值电压过大；四、栅极漏电流严重。
【发明内容】
本发明的目的是：提供一种Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN双异质结MOS-HEMT器件结构，降低器件的自加热效应、电流坍塌效应和栅极漏电流，增大器件的输出功率，降低器件在耗尽模式工作下的阈值电压。
本发明的Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件结构如图2所示，包括：蓝宝石衬底10和在其上依次生长的GaN成核层9、GaN缓冲层8、InGaN嵌入层7、GaN沟道层6和AlN势垒层5，AlN势垒层5上形成的Al2O3栅极电介质层4、源极1和漏极3，以及Al2O3栅介质层4上形成的栅极2，其中源极1、漏极3分别与势垒层5形成欧姆接触，栅极2、Al2O3栅介质层4和AlN势垒层5形成MOS结构。该结构中GaN成核层9为20nm～22nm，GaN缓冲层8为非故意掺杂，厚度2μm～2.5μm；InGaN嵌入层7中InN的摩尔分数为5％～10％，InGaN层为非故意掺杂，厚度3nm～5nm；GaN沟道层6为非故意掺杂，厚度为6nm～8nm；AlN势垒层5为非故意掺杂，厚度为3nm～7nm；Al2O3栅介质层4的厚度为10nm～16nm。源极1和漏极3为欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，Ti厚度为20nm～25nm，Al厚度为100nm～120nm，Ni厚度为40nm～45nm，Au厚度为50nm～55nm，栅极2为金属Ni/Au，Ni厚度为20nm～25nm，Au厚度为180nm～200nm。源极1和漏极3的长度均为1μm～1.2μm，栅极2地长度为1μm～1.4μm，源极1与栅极2的扩展区长度为1μm～1.2μm，栅极2与漏极3的扩展区长度为1μm～1.4μm。
本发明的目的是这样实现的：本发明用高质量的AlN材料代替传统的AlGaN材料作为势垒层使用，加强了对沟道电子的束缚，有效地降低了电流坍塌效应；利用AlN材料强的极化能力，大大地提高了沟道的电子浓度，增大了饱和电流；利用AlN材料良好的热导性质，降低了器件的自加热效应；利用AlN材料大的禁带宽度和高电阻的性质，大大地减小了势垒层的厚度，增强了栅极电压对沟道电子的控制能力；本发明还采用Al2O3作为栅极介质，大大地减小了器件的栅漏电流，提高了器件的击穿电压，另外Al2O3层还起到钝化的作用，降低了器件表面态的浓度和器件在高频应用下的频散现象。
本发明的另一目的是提供所述高电子迁移率场效应晶体管的制备方法，具体步骤如下所示：
(1)在进行异质结材料生长之前，先对蓝宝石衬底10进行氮化；
(2)在蓝宝石衬底10的c-平面上，利用金属有机物化学气相沉积的方法，生长GaN成核层9；
(3)在GaN成核层9之上，利用金属有机物化学气相沉积的方法，生长非故意掺杂的GaN缓冲层8；
(4)在GaN缓冲层8之上，利用金属有机物化学气相沉积的方法，生长In组分为5％～10％的InGaN嵌入层7；
(5)在InGaN嵌入层7之上，利用金属有机物化学气相沉积的方法，生长非故意掺杂的GaN沟道层6；
(6)在GaN沟道层6之上，利用金属有机物化学气相沉积的方法，生长AlN势垒层5；
(7)在AlN势垒层5上，采用原子层沉积工艺淀积Al2O3栅介质层4；
(8)在Al2O3栅介质层4形成后，通过光刻工艺在源、漏极区域形成刻蚀所需的窗口，采用反应离子刻蚀工艺去除源、漏极区域的Al2O3介质薄膜；
(9)刻蚀完成后，利用光刻工艺获得源、漏极区域窗口，然后采用电子束蒸发工艺，在源、漏极区域窗口上蒸发欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，形成源极1和漏极3；
(10)源极1、漏极3形成后，在Al2O3栅介质层4上利用光刻工艺获得栅极区域窗口，并在该栅极区域窗口上采用电子束蒸发工艺蒸发栅极金属Ni/Au，形成栅极2，至此完成器件制造。
上述的一种新型的Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件的工艺步骤所说的蓝宝石衬底10的氮化，其具体步骤是：首先在1100℃真空环境下，将蓝宝石衬底去污退火1小时，然后在850℃在氨气氛下氮化10分钟。
上述的一种新型的Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件的工艺步骤所说的生长GaN成核层9，其生长条件是：反应温度550℃，生长速率2nm/分钟，厚度为20～22nm。
上述的一种新型的Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件的工艺步骤所说的生长GaN缓冲层8，其生长条件是：反应温度1185℃，生长速率为0.5～1.0μm/小时，厚度为2～2.5μm。
上述的一种新型的Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件的工艺步骤所说的生长InGaN嵌入层7，其生长条件是：反应温度810℃，纯的氮气作为载气，In组分为5％～10％，生长速率为1nm/分钟，生长厚度为3～5nm。
上述的一种新型的Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件的工艺步骤所说的生长GaN沟道层6，其生长条件是：反应温度810℃，生长速率为2nm/分钟，厚度为6～8nm。
上述的一种新型Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件的工艺步骤，所说的生长AlN势垒层5，其生长条件是：反应温度为810℃，生长速率为2nm/分钟，厚度为3～7nm。
上述的一种新型Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件的工艺步骤，所说的淀积Al2O3栅介质层4，其生长条件是：先在300℃下沉积Al2O3薄膜，然后在600℃下氧气气氛中退火60s，厚度为10～16nm。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明提出的方法，是用高质量的AlN材料替代传统的AlGaN材料作为器件的势垒层使用。与AlGaN材料相比，AlN材料具有优良的热导性能(2.85W/Kcm)，大大增强了器件的散热能力，降低了器件在高电压下的自加热效应。AlN材料可以防止金属电极Ti原子与Ga原子的互扩散造成的表面陷阱浓度的增加。与AlGaN材料相比，AlN材料具有高阻特性，从而减弱了电子通过势垒区的能力。在所有的基于III-氮化物材料体系中，AlN材料具有最大的禁带宽度，从而降低了势垒区的厚度，增强了栅电压对沟道电子的控制能力，提高了电子的迁移率(＞1300cm2/Vs)。与AlGaN材料相比，AlN具有更强的极化能力，从而提高了沟道的电子浓度和器件的输出功率。
(2)本发明提出的方法，是用Al2O3薄膜替代传统的钝化材料Si3N4，Al2O3不仅可以起到钝化的作用，降低表面态的浓度和器件在高频应用下的频散现象，而且还可以作为优良的栅极介质材料，它具有很高的介电常数、宽的禁带宽度和高的击穿电压。Al2O3介质层的存在，大大地减小了栅极漏电流，可以使得势垒层的厚度进一步降低，有效地抑制了短沟道效应的不利影响。
(3)本发明的工艺步骤均是当前国内相对比较成熟的工艺，工艺过程比较简单，完全和传统的GaN基HEMT器件制备工艺兼容。
【附图说明】
图1为现有的AlGaN/GaN/InGaN/GaN HEMT器件的结构示意图。
图2为本发明的Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件的结构示意图。
图3为传统的AlGaN/GaN HEMT器件的结构示意图。
图4为本发明的Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件、现有的AlGaN/GaN/InGaN/GaN HEMT器件、传统的AlGaN/GaN HEMT器件的导带结构对比图。
图5为本发明的Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件、现有的AlGaN/GaN/InGaN/GaN HEMT器件、传统的AlGaN/GaN HEMT器件的基于自加热效应的传输特性的比较。
图6为本发明的Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件、现有的AlGaN/GaN/InGaN/GaN HEMT器件、传统的AlGaN/GaN HEMT器件的基于电流坍塌效应的传输特性的比较。
图7为本发明的Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件、现有的AlGaN/GaN/InGaN/GaN HEMT器件、传统的AlGaN/GaN HEMT器件的栅极漏电流的比较。
图8为本发明的Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件、现有的AlGaN/GaN/InGaN/GaN HEMT器件、传统的AlGaN/GaN HEMT器件的转移特性曲线的比较。
图9、图10、图11分别为-2V栅极偏压下本发明的Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件、现有的AlGaN/GaN/InGaN/GaN HEMT器件、传统的AlGaN/GaN HEMT器件晶格温度等高线图。
图12为-2V栅极偏压下本发明的Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件、现有的AlGaN/GaN/InGaN/GaN HEMT器件、传统的AlGaN/GaN HEMT器件在热点中心处垂直方向的晶格温度分布图。
【具体实施方式】
以下通过实施例及附图对本发明作进一步的详细说明：
参见图2，它是本发明提出的新型Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件结构图。制备过程中以蓝宝石作为衬底，分别以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)作为Ga源、Al源和In源，以高纯NH3气为氮源，氮气作为载气，具体制备流程如下：
1、用常规有机溶剂对衬底进行清洗，使用1∶3的磷酸、硫酸混合液腐蚀液去除表面损伤，经去离子水冲洗、甩干后在1100℃的真空环境下退火处理1个小时，然后在850℃在氨气氛下氮化10分钟，氨气流量为175sccm。
2、将生长温度降低到550℃，保持生长压力为40Torr，氮气流量为1500sccm，氨气流量为1500sccm，向反应室中通入流量为50μmol/min的镓源，以生长厚度为20～22nm的GaN成核层；
3、将生长温度升高到1185℃，保持生长压力为40Torr，氮气流量为3000sccm，氨气流量为3000sccm，向反应室中通入流量为400μmol/min的镓源，以生长厚度为2～2.5μm的GaN缓冲层；
4、将生长温度降低到810℃，保持生长压力为40Torr，氮气流量为1500sccm，氨气流量为1500sccm，向反应室中通入流量为27～30μmol/min的镓源、3μmol/min的铟源，以生长厚度为3～5nm的InGaN嵌入层；
5、保持生长温度为810℃，保持生长压力为40Torr，氮气流量为1500sccm，氨气流量为1500sccm，向反应室中通入流量为50μmol/min的镓源，以生长厚度为6～8nm的GaN沟道层；
6、向反应室中同时通入铝源和镓源，维持反应温度为810℃，控制好流量，生长厚度为3～7nm的AlN势垒层，同时通入镓源是为了增加铝原子在表面的扩散率；
7、形成Al2O3栅介质层：采用ALD工艺在300℃下沉积Al2O3薄膜，然后在600℃下的氧气气氛中退火60s，获得厚度为10～16nm的Al2O3层，然后对样品表面甩正胶，转速为5000转/min，再在温度为80℃的烘箱中烘10min，通过光刻以及显影在源、漏极区域形成刻蚀所需的窗口，采用反应离子刻蚀工艺去除源、漏极区域的Al2O3介质薄膜；
8、光刻源、漏极区域：为了更好地剥离金属，首先在样品上甩黏附剂，转速为8000转/min，时间为30s，在温度为160℃的高温烘箱中烘20min，然后再在该样品上甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得源、漏极区域窗口；
9、蒸发源、漏金属：采用电子束蒸发工艺淀积Ti/Al/Ni/Au四层金属；
10、剥离源、漏金属及退火：在丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干。将样品放入快速退火炉中退火：首先向退火炉内通入氮气大约7分钟，然后在氮气气氛下，温度为800℃条件下进行30s快速退火；
11、光刻栅极区域窗口：在样品上甩黏附剂，转速为8000转/min，时间为30s；在温度为160℃的高温烘箱内烘20min；然后再在该样品上甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的烘箱中烘10min，光刻获得栅极区域窗口；
12、蒸发栅极金属：采用电子束蒸发工艺沉积Ni/Au两层金属，随后将样品浸泡在剥离液中2分钟，获得栅极。至此完成器件制造。
实施例
本发明模拟了Al2O3/AlN/GaN/InGaN/GaN双异质结MOS-HEMT器件的电学特性以证明其优点，图1是现有的AlGaN/GaN/InGaN/GaN双异质结HEMT器件结构图，图3是传统的AlGaN/GaN HEMT器件的结构图，本发明器件的区别在于将势垒层换成AlN，并采取了MOS结构。在图4中我们示意地画出了这三种器件的导带能量分布图，可以看出由于InGaN层的反向极化作用，现有的双异质结HEMT器件和本发明的双异质结MOS-HEMT器件缓冲层部分的导带能量明显高于传统的GaN基HEMT器件，从而大大地降低了缓冲层漏电流和电流坍塌效应。从图4可以看出，现有的双异质结HEMT器件的沟道没有传统GaN基HEMT器件的深，虽然缓冲层能量提高了，但势垒层导带能量过低，造成沟道电子浓度不如传统GaN基HEMT器件的高，因此输出功率不如传统GaN基HEMT器件的高，本发明的双异质结MOS-HEMT器件由于势垒层具有大的禁带宽度和强的极化能力，使其势垒区的导带能量远大于传统GaN基HEMT器件和现有双异质结HEMT器件的势垒区导带能量。图5是栅极电压为-2V时的三种器件的输出特性曲线，可以看出双异质结MOS-HEMT器件的饱和电流是传统GaN基HEMT器件的2.5倍多，是现有的双异质结HEMT器件的3.5倍。图6是栅极电压为0V和-2V时，对三种器件在高场应用下的电流坍塌效应的比较，可以看出传统GaN基HEMT器件的电流坍塌效应最为明显，现有的双异质结HEMT器件也有比较明显的坍塌现象，而在本发明的双异质结MOS-HEMT器件并未观察到电流坍塌现象。图7是对三种器件的栅极漏电流的考察，其中势垒层的厚度为4nm，栅极电压为0V，可以看出本发明的双异质结MOS-HEMT器件的栅极漏电流比现有的双异质结HEMT器件、传统的HEMT器件的栅极漏电流要小10个数量级以上。图8是三种器件的转移特性曲线，其中势垒层的厚度为4nm，可以看出随着势垒层厚度的降低，器件的阈值电压减小(耗尽模式工作下)，本发明的双异质结MOS-HEMT器件的阈值电压比传统的HEMT器件和现有的双异质结HEMT器件的阈值电压要低2V以上，说明栅极电压对沟道电子的控制能力增强了。图9、图10、图11分别是传统的GaN基HEMT器件、现有的双异质结HEMT器件、本发明的双异质结MOS-HEMT器件的晶格温度分布图，图12是以热点为中心，在器件纵向上的晶格温度分布，可以看出本发明的HEMT器件比以上两种器件具有更好的散热能力。