[发明专利]具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaNHEMT元胞结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构，属于半导体器件技术领域。

背景技术

功率开关器件作为DC/AC、AC/DC、DC/DC以及AC/AC等电能变换器的核心部件，在现代电子设备中具有重要应用需求，是实现相关系统集成控制和保证系统安全性、可靠性、稳定性和高效性的关键核心器件。GaN作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，与传统的半导体材料Si相比，具有禁带宽度宽、击穿电场大、电子饱和漂移速度高、介电常数小以及良好的化学稳定性等特点。GaN材料异质结构(典型如AlGaN/GaN)界面存在大密度的界面极化电荷，可以诱导出高密度的二维电子气(2DEG)(＞10¹³cm-2)。由于沟道材料无故意掺杂，电子在沟道内能够保持很高的迁移率(＞1000cm²V^-1s^-1)。因此，GaN材料适合制作高电子迁移率晶体管(HEMT)，它的导通电阻只有SiC器件的1/2～1/3，比Si器件低三个数量级以上，因此具有更低的开关损耗和更优的频率特性，非常适于研制更高耐压、更大电流、更高频率、更小体积和更恶劣环境的应用，在通讯电源、航空航天、船舶舰载电源等领域具有十分广阔的应用前景。

以GaN为代表的III-V族材料异质结构(典型如AlGaN/GaN)界面由于存在高密度带正电的极化电荷，通过极化电场可以诱导材料中的电子并使之束缚在异质结构界面处，形成在二维平面运动的2DEG导电沟道。为了实现GaN材料HEMT器件的常关型操作，目前常规的方法都是基于削弱或者抵消异质结构界面处极化电荷所形成强电场的原理，主要有栅极势垒层刻蚀形成凹槽栅、氟离子注入势垒层形成氟化栅、以及栅极生长p型盖帽层三种方案。

如图1所示，凹槽栅方案器件结构通过切断2DEG沟道而达到常关型操作，方法直接简单，但是对于大面积器件栅极刻蚀深度均匀性难以保证，另外具有刻蚀损伤表面的区域尺寸较大(2～3μm)，器件的导通电阻一般较大。

如图2所示，氟离子注入势垒层形成氟化栅结构常关型GaN基HEMT器件结构，在栅极区域AlGaN势垒层通过氟离子注入而带负电从而排斥AlGaN/GaN界面处的2DEG，可以使器件实现常关型操作，引入氟离子杂质的AlGaN/GaN界面沟道将作为器件开启的导电沟道。氟离子注入势垒层方案不破坏2DEG沟道界面，但是由于氟离子的热稳定性问题，器件在使用过程的可靠性是潜在隐患，另外对于大面积器件，其阈值电压均匀性不好。

如图3所示，栅极势垒层上方生长p型GaN(或者InGaN)盖帽层常关型器件结构，则利用内建电场来耗尽2DEG沟道电子，器件沟道导电性能较好，但高浓度p型掺杂较难控制，外延片各个位置的浓度均匀性不完全一致，因此器件阈值电压较小且均匀性同样不好。另外由于栅电极距离2DEG沟道过远，器件的开关速率受到影响。以上三种设计方案的栅极结构通过常规光学光刻来实现，栅极长度较大，一般在2～3μm范围，其典型特征是栅极横向电流沟道开关控制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点，提供一种优化的具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构，具体技术方案为：

具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构的制备方法，包括如下步骤：

1)放置衬底(衬底可采用SiC单晶片，AlN单晶片，蓝宝石基片或者硅片等)，在衬底片上生长一层AlN成核层；

2)在AlN层上淀积生长一层石墨烯掩埋散热层；

3)在石墨烯掩埋层上依次淀积生长AlN隔离层，GaN缓冲层和沟道层，AlGaN势垒层；

4)再依次进行GaN器件的制作工艺，包括以下步骤：常规的GaN HEMT器件工艺如MESA刻蚀等不做详述；

5)在制作器件栅极时，采用离子刻蚀技术如ICP等，先刻蚀出栅槽通孔一直刻到露出石墨烯掩埋层；然后先在通孔底部采用溅射等技术沉积一薄层的掩埋源极金属，源掩埋金属的厚度要高出AlN隔离层并与，金属材料选用孔填充能力较好的材料如钨等；然后在栅通孔里淀积一层栅介质层，可以采用溅射、ALD或者LPCVD方法生长，栅介质层的厚度为10-50nm，栅介质层可以是任意单层或者多层栅极介质层材料，包括二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)以及氧化铪(HfO2)等；介质层生长方法可以是ALD、LPCVD、PECVD、PLD(脉冲激光沉积)、MOCVD(金属有机物化学气相沉积)、电子束蒸发以及溅射等；