基于金刚石衬底的垂直型GaNHEMT半导体器件及其制备方法与流程

本发明属于半导体器件，具体涉及一种基于金刚石衬底的垂直型ganhemt半导体器件及其制备方法。

背景技术：

1、gan hemt代表高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor），它利用氮化镓材料的高电子迁移率来实现高速、高功率、高效率的操作。由于其具有低电阻和高开关速度的特点，常用于射频功率放大器、交流变换器、dc-dc转换器和电源管理等应用中。

2、氮化镓作为第三代半导体的代表材料，具备较高的电子迁移率，也是近20余年以来研制微波功率器件最理想的半导体材料。射频器件和功率器件是发挥gan宽禁带半导体特性的主要应用领域。氮化镓晶体管开关更适用于高频场景，目前的gan hemt中，常用的衬底主要包括sic(碳化硅)衬底、si(硅)衬底以及蓝宝石衬底等等，然而这些衬底的热导率都较低，难以满足高功率条件下的散热需求。

3、与sic相比，gan具有出色的高速开关特性。但是，gan自身的热导率只有130w/(m·k) (瓦/米·开尔文)， 即便是采用了高热导率的sic衬底，也远不能满足未来微波大功率场景下的gan效应管对散热的需求。

4、金刚石作为一种超宽禁带半导体材料，不仅运算速度快，而且耐温性好，金刚石可加热至近 700℃而不损坏。高功率的金刚石半导体运算时，其热量的排除无需借助其他散热装置，因此是理想的积体电路材料。用高热导率金刚石作为高频、大功率gan器件的衬底，也成为了近几年的一个国际研究热点。但由于金刚石具有致密的晶格结构，晶格常数小，在应用过程中，p 型掺杂原子很难掺入金刚石晶格中，所以目前依旧无法实现大规模商用，因此，如何解决氮化镓高电子迁移率晶体管与金刚石衬底材料之间生长匹配的问题也成为了目前需要解决的技术问题之一。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种基于金刚石衬底的垂直型gan hemt半导体器件及其制备方法，可以进一步提高gan hemt在微波大功率场景下的散热能力，满足大功率高速开关的应用需求。

2、本发明的目的通过以下技术方案来实现：

3、基于金刚石衬底的垂直型gan hemt半导体器件，由下至上包括金刚石衬底、h-bn介质层、gan本征层、algan势垒层，所述algan势垒层上沉积有二维bn层，所述二维bn层上沉积有sin钝化层，所述金刚石衬底的背面设置有漏极，半导体器件的正面两侧设置有源极和栅极。

4、优选地，所述源极于algan势垒层水平向上设置，所述源极的顶部延伸暴露于sin钝化层外。

5、优选地，所述栅极水平向上设置于gan本征层上，分别设置于所述源极的外侧及相邻源极之间。

6、优选地，以上所述的基于金刚石衬底的垂直型gan hemt半导体器件的制备方法，包括如下步骤：

7、s1、预处理制备获得gan外延片和金刚石衬底；

8、s2、对所得gan外延片的一个面进行n 型离子注入，将漏极区域的预埋层刻蚀至暴露中间的gan缓冲层形成沟道孔；

9、s3、在金刚石衬底表面通过气相沉积法进行生长h-bn介质层；

10、s4、将获得的gan外延片粘合于生长有h-bn介质层的金刚石衬底上方；

11、s5、在gan外延片表面继续生长algan势垒层；

12、s6、在algan势垒层上依次沉积二维bn层和sin钝化层；

13、s7、对二维bn层、sin钝化层和algan势垒层进行刻蚀，通过源极窗口刻蚀至algan/gan界面层，最后生长n型注入的gan源极；

14、s8、通过对二维bn层、sin钝化层进行刻蚀，将栅极窗口暴露出algan层，对栅极部分区域外延p型氮化镓层；

15、s9、对器件栅极窗口的沟道层表面进行清洁后，在栅极窗口沉积金属形成栅极；

16、s10、采用电子束蒸发金属沉积用于源极/栅极欧姆接触的相应的金属层，随后在氮气环境中热退火，形成与p型埋层相连的栅极；

17、s11、在金刚石衬底背面开孔沉积欧姆金属，引出漏极。

18、优选地，所述s1中gan外延片的制备处理为：

19、s11a、在si衬底上依次生长aln缓冲层、非掺杂gan层形成gan外延层；

20、s12a、进行gan外延层与si衬底的分离获得gan外延片，对获得的gan外延片进行清洗，吹干；

21、所述s1中金刚石衬底的制备处理为：

22、s11b、对金刚石表面进行粗糙度抛光获得金刚石衬底；

23、s12b、对s11b中金刚石衬底在80℃的硫酸-双氧水清洗混合物中浸泡后进行冲洗、甩干，经氮气吹干获得所需的金刚石衬底。

24、优选地，所述s2中包括如下步骤：

25、s21、采用化学气相沉积法，通入氢气，对反应腔进行加热，并退火；

26、s22、以氨硼烷作为前驱物, 氢气作为载气，在所需的生长温度下，使其在金刚石衬底表面的吸附、分解和扩散，形成h-bn复合层，所述h-bn复合层厚度为20-100nm。

27、优选地，所述s3包括如下步骤：

28、s31、将获得的金刚石衬底及gan外延片置于真空设备中进行抽真空；

29、s32、在真空压力下，对两种衬底进行氩原子束的辐照；

30、s33、在室温下，将gan外延片置于金刚石衬底上方，施加压力后进行粘合，得到集成衬底。

31、优选地，所述s7包括如下步骤：

32、s71、先通过干法刻蚀工艺将sin钝化层、二维bn层、algan势垒层刻蚀掉；

33、s72、对漏出来的gan本征层进行湿法刻蚀，湿法刻蚀的厚度控制在100~200nm，再将mg离子通过炉管退火工艺注入，形成p型埋层。

34、优选地，所述s9中金属为钛、铝、镍、金。

35、本发明的有益效果体现在：本发明器件的垂直结构中通过栅极数量和分布的设置，且栅极周边为p-gan/algan/gan，电流流经路径的一部分会形成与hemt通道（chanel）类似的二维电子气（2deg），易于降低阻值，从而改善了 gan hemt在垂直方向上的电场分布形貌，让电场均匀分布，有效的增强了器件的耐压性，解决了器件的电流崩塌，同时也降低了器件的接触电阻和散热问题。

技术特征：

1.基于金刚石衬底的垂直型gan hemt半导体器件，其特征在于：由下至上包括金刚石衬底、h-bn介质层、gan本征层、algan势垒层，所述algan势垒层上沉积有二维bn层，所述二维bn层上沉积有sin钝化层，所述金刚石衬底的背面设置有漏极，半导体器件的正面设置有源极和栅极。

2.如权利要求1所述的基于金刚石衬底的垂直型gan hemt半导体器件，其特征在于：所述源极于algan势垒层水平向上设置，所述源极的顶部延伸暴露于sin钝化层外。

3.如权利要求2所述的基于金刚石衬底的垂直型gan hemt半导体器件，其特征在于：所述栅极水平向上设置于gan本征层上，分别设置于所述源极的外侧及相邻源极之间。

4.如权利要求1-3中任意一所述的基于金刚石衬底的垂直型gan hemt半导体器件的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

5.如权利要求4所述的基于金刚石衬底的垂直型gan hemt半导体器件的制备方法，其特征在于：所述s1中gan外延片的制备处理为：

6.如权利要求4所述的基于金刚石衬底的垂直型gan hemt半导体器件的制备方法，其特征在于：所述s2中包括如下步骤：

7.如权利要求4所述的基于金刚石衬底的垂直型gan hemt半导体器件的制备方法，其特征在于：所述s3包括如下步骤：

8.如权利要求4所述的基于金刚石衬底的垂直型gan hemt半导体器件的制备方法，其特征在于：所述s7包括如下步骤：

9.如权利要求4所述的基于金刚石衬底的垂直型gan hemt半导体器件的制备方法，其特征在于：所述s9中金属为钛、铝、镍、金。

技术总结本发明提供了一种基于金刚石衬底的垂直型GaN HEMT半导体器件及其制备方法，所述半导体器件由下至上包括金刚石衬底、h‑BN介质层、GaN本征层、AlGaN势垒层，所述AlGaN势垒层上沉积有二维BN层，所述二维BN层上沉积有SiN钝化层，所述金刚石衬底的背面设置有漏极，半导体器件的正面设置有源极和栅极。本发明的结构有效的增强了器件的耐压性，解决了器件的电流崩塌，同时也降低了器件的接触电阻和散热问题。技术研发人员：李振毅,沈国荣,吴企周,范丽萍受保护的技术使用者：上海灏谷集成电路技术有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25