基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件制造技術

本發明專利技術公開了一種基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件。其自下而上包括：襯底(1)、AlN成核層(2)、GaN緩沖層(3)、AlGaN勢壘層(4)和柵介質層(5)，AlGaN勢壘層的兩端分別為源級(7)和漏級(8)，柵介質層(5)的上部為柵極(6)，該柵介質層(5)自下而上包括Al2O3過渡層(501)和介電常數大于Al2O3的高K介質層(502)。該高K疊柵介質結構設計增加了柵介質與AlGaN勢壘層的導帶偏移量，提高柵介質的介電常數，增強柵電容對溝道電子的控制力，有效減小了柵極泄漏電流，提高了器件的工作電壓，改善了器件的功率特性，可用于高頻大功率電路。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于GaN寬禁帶半導體
，特別涉及一種疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件，可用于無線通訊和雷達設備的高頻大功率電路。技術背景無線通信技術的發展對微波功率器件提出了更高的要求。相比于其他材料，GaN的禁帶寬度大，電子飽和速度高，熱傳導性好，非常適合應用于高溫、高頻和大功率環境下。AlGaN/GaN高電子遷移率器件HEMT在高頻大功率的應用領域已經取得了很大的發展，但是HEMT器件存在的柵極泄漏電流和電流崩塌現象嚴重影響了器件性能，限制了其的應用范圍。引入MOS結構，一方面可以顯著降低HEMT器件的柵極泄漏電流，提高器件飽和漏電流；另一方面在AlGaN上生長一層高質量的柵介質可以起到鈍化作用，從而降低了電流崩塌效應。隨著器件特征尺寸不斷縮小，柵氧化層厚度按比例縮小，引起量子隧穿效應。選取高K材料作為柵介質成為目前MOS-HEMT發展的趨勢，高K材料擁有較高的介電常數使得其與SiO2擁有同樣柵電容時，其厚度遠高于SiO2，降低了隧穿效應發生幾率。在與SiO2厚度相同的情況下，高K材料使柵電容增大很多，增強了器件的柵控能力。高K材料作為柵介質直接與AlGaN勢壘層相接觸，由于其禁代寬度往往比較小而存在較小的導帶不連續性，導致柵極泄漏電流依然存在。另外高K材料與AlGaN勢壘層的界面問題以及表面鈍化特性也是限制其應用的主要原因。對MOS-HEMT器件柵介質的基本要求是，高的介電常數，大的禁帶寬度，大的導帶偏移量，高質量的界面和低的界面態密度。由于高K材料作為柵介質直接與AlGaN勢壘層相接觸，存在著導帶偏移量低，界面質量低和界面態密度高等問題，使得不能直接將高K材料作為AlGaN/GaN的MOS-HEMT器件的柵介質。因此需要對高K介質材料與AlGaN勢壘層的界面質量進行改進，以增加導帶偏移量，降低界面態密度，從而改善器件性能。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服上述已有技術的不足，提出一種高K疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件，以降低常規HEMT器件的柵極泄漏電流，增強器件的柵控能力，增加柵介質材料與AlGaN勢壘層的導帶偏移量，提高柵介質材料與AlGaN勢壘層的界面質量。本專利技術的技術方案是這樣實現的：1.基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件，自下而上包括：襯底、AlN成核層、GaN緩沖層、AlGaN勢壘層、柵介質層，源級和漏級分別位于AlGaN勢壘層的兩端，柵極位于柵介質層的上部，其特征在于：柵介質層包括：Al2O3過渡層和介電常數大于Al2O3介電常數的高K介質層,該高K介質層位于Al2O3過渡層的上部，用于提高柵控能力。2.一種基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件的制作方法，包括如下步驟：1)選用襯底并進行標準RCA清洗；2)在清洗后的襯底上使用金屬有機化合物氣相淀積MOCVD技術外延厚度為0.5μm-1μm的AlN成核層；3)使用金屬有機化合物氣相淀積MOCVD技術在AlN成核層上淀積厚度為2μm-3μm的GaN緩沖層；4)使用金屬有機化合物氣相淀積MOCVD技術在GaN緩沖層上淀積厚度為20nm-30nm的AlGaN勢壘層形成AlGaN/GaN異質結襯底；5)使用原子層淀積ALD技術在AlGaN/GaN異質結襯底上淀積厚度為2nm的Al2O3過渡層；6)使用原子層淀積ALD技術在Al2O3過渡層上淀積厚度為3nm-5nm的高K介質層，形成疊柵介質層；7)將形成疊柵介質層的AlGaN/GaN異質結襯底置于溫度為750-850℃的氮氣環境中，退火50-70s；8)在疊柵介質層上，采用金屬熱蒸發技術淀積柵電極；9)將完成柵電極淀積的AlGaN/GaN異質結襯底置于溫度為550-650℃的氮氣環境中，退火25-35s；10)通過光刻與刻蝕工藝，在完成快速退火的AlGaN/GaN異質結襯底上，制作出源區和漏區；11)采用金屬熱蒸發技術在AlGaN/GaN高電子遷移率器件的源區和漏區上制作出漏級和源級，完成器件制作。本專利技術具有如下優點：1.本專利技術采用疊柵MOS結構，相比較于傳統HEMT器件，使得器件的溝道電子難以越過氧化層勢壘形成泄漏電流，有效的減小了柵極泄漏電流，提高了器件的工作電壓，擴大了器件的應用范圍，改善了器件的功率特性。2.本專利技術采用介電常數大于Al2O3的高K材料作為柵介質的主體部分，對于MOS-HEMT器件而言，可以提高其柵介質材料的介電常數，增強柵電容對溝道電子的控制力。3.本專利技術采用Al2O3作為高K介質材料與AlGaN勢壘層之間的界面過渡層，由于Al2O3與AlGaN勢壘層的導帶偏移量為2.1ev，且與AlGaN勢壘層具有很好的界面質量，因此可以增加柵介質材料與AlGaN勢壘層的導帶偏移量，提高柵介質材料與AlGaN勢壘層的界面質量，提高了器件的可靠性。仿真結果表明，本專利技術器件的柵控能力明顯增強，柵極泄漏電流遠遠小于傳統HEMT器件。以下結合附圖和實施例進一步說明本專利技術的
技術實現思路
和效果附圖說明圖1是傳統AlGaN/GaNHEMT器件結構圖；圖2是本專利技術基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件的結構圖；圖3是本專利技術制作基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件的流程圖；圖4是對傳統HEMT器件及本專利技術器件仿真所得的柵泄漏電流曲線圖；圖5是對傳統MOS-HEMT器件及本專利技術器件仿真所得的轉移曲線圖；圖6是對傳統MOS-HEMT器件及本專利技術器件仿真所得的跨導曲線圖。具體實施措施參考圖2，本專利技術基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件包括，襯底1、AlN成核層2、GaN緩沖層3、AlGaN勢壘層4、柵介質層5、柵極6、源級7和漏級8，其中襯底1、AlN成核層2、GaN緩沖層3、AlGaN勢壘層4和柵介質層5，其按自下而上的順序排列，柵極6位于柵介質層5的上部，源級7和漏級8分別位于AlGaN勢壘層4的兩端。所述襯底1，可采用藍寶石或碳化硅或其他外延襯底材料；所述AlN成核層2，其厚度為0.5μm-1μm，所述GaN緩沖層3，其厚度為2μm-3μm，所述AlGaN勢壘層4，其厚度為20nm-30nm，所述柵介質層5，其包括Al2O3過渡層501和介電常數大于Al2O3的高K介質層502，且高K介質層502位于Al2O3過渡層501的上部。該Al2O3過渡層501的厚度為2nm-3nm；該高k介質層采用HfO2或La2O3或TiO2或Ta2O5或者其他介電常數大于Al2O3的絕緣介質，其厚度為3nm-5nm。所述柵電極6采用Ni/Au/Ni多層金屬，源級7和漏級8采用Ti/Al/Ni/Au多層金屬。參照圖3，本專利技術制備基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件的方法，給出以下三種實施例。實施例1，制作由厚度為2nmAl2O3過渡層和厚度為3nm的HfO2高K介質層構成柵介質層的AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件。步驟1，選用襯底并進行標準RCA清洗，如圖3(a)。1a)選用碳化硅襯底；1b)將碳化硅襯底放在比例為1:1:5的鹽酸、雙氧水、去離子水的混合溶液中清洗，去除碳化硅襯底上的活潑金屬、金屬本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件，自下而上包括：襯底(1)、AlN成核層(2)、GaN緩沖層(3)、AlGaN勢壘層(4)、柵介質層(5)，源級(7)和漏級(8)分別位于AlGaN勢壘層(4)的兩端，柵極(6)位于柵介質層(5)的上部，其特征在于：柵介質層(5)包括：Al2O3過渡層(501)和介電常數大于Al2O3介電常數的高K介質層(502),該高K介質層(502)位于Al2O3過渡層(501)的上部，用于提高柵控能力。

【技術特征摘要】
1.基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件，自下而上包括：襯底(1)、AlN成核層(2)、GaN緩沖層(3)、AlGaN勢壘層(4)、柵介質層(5)，源級(7)和漏級(8)分別位于AlGaN勢壘層(4)的兩端，柵極(6)位于柵介質層(5)的上部，其特征在于：柵介質層(5)包括：Al2O3過渡層(501)和介電常數大于Al2O3介電常數的高K介質層(502),該高K介質層(502)位于Al2O3過渡層(501)的上部，用于提高柵控能力。2.根據權利要求1所述的基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件，其特征在于襯底(1)采用藍寶石、碳化硅或其他外延襯底材料。3.根據權利要求1所述的基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件，其特征在于Al2O3過渡層(501)的厚度為2nm-3nm，高K介質層(502)的厚度為3nm-5nm。4.根據權利要求1所述的基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件，其特征在于AlN成核層(2)的厚度為0.5μm-1μm。5.根據權利要求1所述的基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件，其特征在于GaN緩沖層(3)的厚度為2μm-3μm。6.根據權利要求1所述的基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件，其特征在于AlGaN勢壘層(4)的厚度為20nm-30nm。7.一種基于高K材料的疊柵AlGaN/GaN高電子遷移率MOS器件的制作方法，包括如下步驟：1)選用襯底并進行標準RCA清洗；2)在清洗后的襯底上使用金屬有機化合物氣相淀積MOCVD技術外延厚度為0.5μ...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉紅俠，曹甲軍，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61