基于超薄AlN缓冲层和SiN欧姆接触层的GaN高电子迁移率晶体管及制作方法

本发明属于半导体器件，具体涉及一种gan高电子迁移率晶体管，可用作高压功率器件和微波射频器件。

背景技术：

1、随着科学技术的发展，面对逐渐高耐压、高温、大功率、高效率等工作条件的情况，以硅、锗为代表的第一代半导体和以砷化镓为代表的第二代半导体已经不能满足相应的需求，相较于传统的半导体材料，宽禁带半导体因其宽带隙所具有的高击穿场强等优势更能满足日益增长的功率工作需求，因此，第三代半导体氮化镓、碳化硅等宽禁带半导体材料成为微波功率器件的研究重心。

2、第三代半导体材料氮化镓具有高达3.4ev的宽带隙，与硅基器件相比，氮化镓材料具备高击穿场强、高电子迁移率、高开关速度等优异的性能，相关的二极管和晶体管在大功率、射频电子和光电子等方面得到了广泛的研究与应用。相较于传统的调制掺杂异质结，由于氮化镓自身存在的自发极化和在外加应力下导致的压电极化，algan/gan、aln/gan等氮化镓异质结可以产生高浓度的二维电子气2deg，氮化镓异质结的载流子无需外界掺杂提供，避免了电离杂质散射等作用，因此具有更高的电子迁移率，也往往具有更好的高频特性，这种特性使得氮化镓异质结器件得到人们的广泛关注。

3、经过研究人员的努力，gan hemt的性能已经得到很大提升，但是要想最大程度地探究gan自身在大功率和射频方面的优势，仍然存在耐压、散热和高质量欧姆接触等问题的挑战。

4、泄漏电流、栅极漏电和强电场下的碰撞电流都可以引起gan hemt的击穿，器件耐压能力的限制将会影响其在大功率方面的应用，这是功率器件设计与制备很关注的一个问题。目前针对gan hemt耐压能力的研究主要是添加场板、氟离子注入技术、缓冲层掺杂、缓冲层厚度优化、超结和背势垒等方面，以期提高器件击穿电压，提高输出功率。但是场板会引入额外的寄生电容，严重影响器件的频率特性，而氟离子注入、缓冲层掺杂、超结等技术工艺制备相对复杂，成本较高。

5、gan hemt工作时产生的热会形成热点，从而使得器件整体温度上升。在高温环境下，2deg的浓度会有所降低，光学声子散射增强，载流子迁移率降低，沟道电流下降，器件的直流特性和频率特性均会下降，严重的自热问题极大地限制了器件的稳定性和可靠性，也是制约其发展的难点之一。目前针对散热问题的研究，主要有改变衬底材料、掺杂以提高温度稳定性、改变场板结构、在衬底背面键合金属热沉或键合金刚石、研究封装技术等方法。

6、如何形成高质量的欧姆接触也是与宽带隙gan hemt相关的一个重要挑战，欧姆接触电阻影响着器件的输出功率、频率响应和噪声性能，因此高质量的欧姆接触是不可或缺的，这对于得到高质量高可靠性的微波功率器件十分重要。如今常用的方法是利用ti/al/ni/au多层金属堆叠结合高温热退火形成欧姆接触，接触层ti功函数较低，有助于欧姆接触的形成；覆盖层al与ti形成合金从而降低ti的熔点，促进ti的反应；扩散阻挡层ni可以阻挡最上层的au和ti、al的互相扩散；盖帽层au保护欧姆接触，避免高温退火时ti、al被氧化从而破坏欧姆接触。目前改进欧姆接触主要有离子注入、刻蚀减薄、刻蚀再生长、表面处理工艺等方法。

7、申请号为cn202210539031.9的专利文献提供了一种氮化物半导体功率器件的芯片制造方法，其通过完全刻蚀掉对应hemt器件的源漏电极之间以及源漏电极下方的硅衬底部分，阻断经由硅衬底的导电通道，继续沉积导热性良好的绝缘材料如aln以提高芯片的耐压和散热，之后继续在外延片背面沉积高导热的金属或非金属材料进一步提高芯片的散热和外延片机械性能。该方法需要经过刻蚀穿透整个衬底的操作，在垂直厚度方向上不能有硅材料残余，否则便无法完全阻断经由硅衬底的导电通道，可能残留的硅材料也会影响散热能力，这种在高压情况下的垂直方向器件耐压并没有较大提升，且制作条件较为严格，制作步骤较为复杂。另外，该方法通过对势垒层进行部分刻蚀以提高欧姆接触特性，这种方法可以减小欧姆接触电阻，但是由于势垒层一般较薄，而干法刻蚀速率难以精确控制，若对源漏区域刻蚀深度较大，可能会损伤二维电子气，使得器件的电流减小，器件特性变差。

8、公开号为cn113793805a的专利文献公开了一种gan基hemt器件及其制备方法，其通过algan缓冲层缓解沟道层与衬底的晶格不匹配及热膨胀系数不匹配的问题，在形成algan缓冲层之后，形成高阻gan缓冲层来形成良好的防漏电性能，通过形成的aln背势垒层提高2deg浓度。该方法生长多种不同材料的过程复杂，且algan缓冲层al组分的渐变也需严格控制，而高阻的gan缓冲层可能会增大陷阱效应的影响，从而影响器件的射频性能，这也是传统的深能级受主掺杂的gan缓冲层难以避免的问题。此外，该方法采用离子注入对源漏电极区进行掺杂，增大载流子隧穿几率，从而减小欧姆接触电阻。但是离子注入的工艺较为复杂，成本较高，高能离子的注入会引入材料表面损伤，并且1000℃以上的激活温度条件较为苛刻。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的挑战与不足，提出一种基于超薄aln缓冲层和sin欧姆接触层的gan高电子迁移率晶体管及制作方法，以提高器件的耐压能力，改善器件散热问题，进一步降低器件的欧姆接触电阻。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

3、1.一种基于超薄aln缓冲层和sin欧姆接触层的gan高电子迁移率晶体管，包括衬底、缓冲层、gan沟道层、势垒层、源电极、漏电极、钝化层和t型栅电极，其特征在于：

4、所述衬底采用高热导率aln单晶材料，利用其作为超宽禁带半导体高导热性和高电绝缘性的优势，提高器件的散热能力，缓解器件自热效应；

5、所述缓冲层采用厚度为50nm～200nm的超薄aln材料，以抑制2deg的泄漏，利于器件的散热，提高器件的耐压能力和可靠性；

6、所述势垒层采用厚度为3nm～6nm的aln材料，其与gan沟道层形成aln/gan异质结，以产生更大的2deg浓度，该aln势垒层上方设有厚度为2nm～4nm的sin欧姆接触层，以与源、漏电极形成良好的欧姆接触。

7、进一步，所述衬底、缓冲层、gan沟道层、势垒层自下而上设置；所述gan沟道层，其厚度为200nm～500nm。

8、进一步，所述源电极和所述漏电极位于sin欧姆接触层上的两端，其均采用ti/al/ni/au金属叠层材料。

9、进一步，所述t型栅电极，其栅脚位于aln势垒层上表面，栅帽向左右延伸至所述钝化层的上方，其采用ni/au两层金属材料，栅长为80nm～150nm。

10、进一步，所述钝化层采用氮化硅或二氧化硅材料，其覆盖在除源电极、漏电极以及t型栅电极区域外的sin欧姆接触层上表面。

11、2.一种基于超薄aln缓冲层和sin欧姆接触层的gan高电子迁移率晶体管及制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

12、1)选取aln单晶衬底，依次放入丙酮、异丙醇、去离子水中超声清洗，再将该aln衬底放入hf溶液中浸泡，最后用去离子水清洗aln衬底并用氮气吹干；

13、2)在清洗后的aln单晶衬底上，通过金属化学气相淀积系统依次外延生长厚度为50nm～200nm的aln缓冲层、厚度为200nm～500nm的gan沟道层、厚度为3nm～6nm的aln势垒层、厚度为2nm～4nm的sin欧姆接触层；

14、3)将完成步骤2)的样品转移到光刻操作台，通过涂胶烘胶操作，在sin欧姆接触层上光刻出源、漏电极区域；

15、4)将完成步骤3)的样品置于电子束蒸发淀积系统的反应腔中，在其上表面自下而上淀积ti、al、ni、au四层金属，并利用剥离工艺将源、漏电极区域之外的金属剥离，再在氮气氛围中进行高温热退火，在sin欧姆接触层上两端形成源、漏金属电极；

16、5)将热退火后的样品转移至等离子体增强化学气相淀积设备中，采用等离子体增强化学气相淀积技术在样品上表面淀积氮化硅或二氧化硅，形成钝化层；

17、6)利用电感耦合等离子体刻蚀icp技术通过干法刻蚀掉源、漏金属电极上的钝化层，再将其转移到光刻操作台，通过涂胶烘胶操作，在钝化层上光刻出栅电极区域；

18、7)将光刻出栅电极区域的样品，利用电感耦合等离子体刻蚀icp技术，对栅电极区域的钝化层和sin欧姆接触层进行刻蚀至aln势垒层的上表面，形成栅脚区域，再将样品依次放入丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗去除光刻胶，最后用氮气吹干；

19、8)在完成步骤7)的样品上再次旋涂一层光刻胶，在钝化层上方光刻出栅电极区域向左右延伸的栅帽区域，其与栅脚区域共同构成t型栅电极区域；

20、9)将完成步骤8)的样品置于电子束蒸发淀积系统的反应腔中，在其上表面依次淀积金属ni、au，并利用剥离工艺，将t型栅电极区域以外的金属剥离，形成t型栅电极，完成器件制作。

21、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

22、其一，本发明由于采用高热导率且高电绝缘性的aln单晶材料作为衬底，可提高器件的散热能力和功率容量。

23、其二，本发明由于采用厚度为50nm～200nm的超薄aln材料作为缓冲层，可抑制2deg的泄漏，进一步提高器件的散热能力、耐压能力和可靠性。

24、其三，本发明由于采用aln材料代替传统的algan材料作为势垒层，其可与gan沟道层形成极化效应更强的aln/gan异质结，产生更高的2deg浓度和更高的电子迁移率，提高器件的高频特性。

25、其四，本发明由于在aln势垒层上方设有sin欧姆接触层，且将源、漏电极淀积在sin欧姆接触层上的两端，并利用silicide技术结合高温热退火，可以降低源、漏电极欧姆接触电阻，提高欧姆接触质量。

26、其五，本发明的器件结构和制备工艺简单，所涉及到的工艺成熟稳定，制备成本低。