[发明专利]基于超级结的氮化镓HEMT器件及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于超级结的氮化镓HEMT（高电子迁移率晶体管）器件及制备方法。 

背景技术

继硅（Si）、砷化镓（GaAs）之后，具有优良高温、高压及高频特性的被称为第三代半导体的氮化镓（GaN）材料成为目前国际上研究的热点。宽禁带半导体氮化镓(GaN)具有禁带宽度大、临界击穿电场高、饱和电子漂移速度高、热导率大、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，非常适合于制作抗辐射、高温、高频、大功率和高密度集成的电路，是电力电子、汽车电子、通讯、雷达、制导等现代化国防装备的核心部件。 

随着微电子技术的发展，传统Si和GaAs半导体器件性能已接近其材料本身决定的理论极限,宽禁带半导体GaN材料其临界击穿电场比硅(Si)高近10倍，AlGaN/GaN HEMTs功率器件的导通电阻在耐压超过350V的应用中比Si器件低近三个数量级，因此其制作的功率器件突破了主流硅功率器件的理论极限，并可同步减小芯片面积和减轻驱动电路的重量。在工作温度高的（大于250℃）的功率电子应用中，GaN功率电子因无少数载流子存储效应、具有优良的高温可靠性等优点超越了硅基功率半导体工作的温度上限150℃，GaN基功率电子将成为Si基功率器件的理想替代者，并在未来的智能电网、混合动力汽车、航空航天以及高速铁路等新型产业中扮演着举足轻重的地位。 

然而，作为一种功率器件，氮化镓HEMT在性能上仍然存在很大的问题。其中最关键的一个就是击穿电压和导通电子之间的制约关系，由于肖特基栅边缘下方存在强电场，导致漂移区电场分布不均匀，使实现高击穿电压和低导通电阻难以同时实现，因此器件在大电压下工作时会有很大的能量损耗。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于超级结的氮化镓HEMT器件及制备方法，其能够在低导通电阻的情况下提高器件击穿电压。 

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的： 

一种基于超级结的氮化镓HEMT器件的制备方法，包括如下步骤： 

1）清洗已激活Mg（镁）元素的蓝宝石衬底； 

2）在步骤1）所得蓝宝石衬底上按顺序外延生长AlN（氮化铝）层、GaN（氮化镓）层和AlGaN（氮化镓铝）层，并形成外延片； 

3）清洗步骤2）所得外延片，并在该外延片上生长SiO₂（二氧化硅）作 为掩膜层，涂光刻胶，曝光有源区图形，采用干法ICP（反应耦合等离子体）刻蚀工艺，形成HEMT器件有源区； 

4）清洗步骤3）所得外延片，涂光刻胶，曝光源极和漏极欧姆接触图形，蒸发欧姆接触金属，剥离金属形成金属源极和金属漏极，并在N₂（氮气）气氛中退火形成源极和漏极欧姆接触； 

5）清洗步骤4)所得外延片，涂光刻胶，曝光栅极图形，蒸发栅极金属，剥离金属形成金属栅极； 

6）清洗步骤5)所得外延片，涂光刻胶，曝光超级结图形，使用RIE（反应离子刻蚀）设备进行F（氟）离子处理形成超级结。由于F离子在外延层中能够捕获其中的自由电子，变成负F离子；与未进行F离子处理的区域形成超级结区域，进而使栅-漏极区域的电场分布趋于均匀分布，提高器件的击穿电压和降低导通电子，因此该技术可用于高压、大功率的GaN基器件和电路的制造中，不仅解决GaN材料难以采用常规硅工艺中形成超级结技术的问题，还可以实现高击穿电压和低导通电阻的GaN基HEMT器件制备。 

7）去除步骤6）所得外延片的光刻胶、并清洗外延片； 

8）在N₂气氛中，对步骤7）所得外延片进行快速退火修复晶格损伤,然后清洗外延片。 

上述步骤2）中所述AlN层的生长厚度为350～450nm，GaN层的生长厚度为2～2.5um，AlGaN层的生长厚度为30～40nm。 

上述步骤3）中所述干法ICP刻蚀工艺的条件为：ICP线圈功率500W，源功率120W，源气体Cl₂和He分别为25sccm和10sccm，刻蚀时间20～25秒。 

上述步骤4）中采用电子束蒸发设备蒸发金属，蒸发的欧姆接触金属即源金属极和漏金属极均为Ti、Al、Pt和Au。 

上述步骤5）中采用电子束蒸发设备蒸发金属，蒸发的栅极金属为Ni和Au。 

上述步骤6）所述F离子处理所用RIE设备的功率为200～350W，离子处理时间为120～200秒。 

上述步骤8）中所述退火温度为400～450℃，修复时间为5～10min。