[發(fā)明專利]基于質(zhì)子輻照處理的金剛石基InAlN/GaN高電子遷移率晶體管及制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110028079.9
• 申請(qǐng)日: 2021-01-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112736135B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許晟瑞;許文強(qiáng);贠博祥;張金風(fēng);彭利萍;張雅超;周弘;張進(jìn)成;郝躍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01L29/20
• 分類(lèi)號(hào): H01L29/20;H01L29/778;H01L21/335;H01L21/02;H01L23/373
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于金剛石襯底的InAlN/GaN高電子遷移率晶體管及制備方法，主要解決現(xiàn)有同類(lèi)器件界面結(jié)合強(qiáng)度差、界面熱阻高、工藝流程復(fù)雜的問(wèn)題。其自下而上包括：金剛石襯底(1)、GaN溝道層(2)和InAlN勢(shì)壘層(3)，InAlN勢(shì)壘層(3)上同時(shí)設(shè)有源極(4)、漏極(5)和柵極(6)，該襯底采用晶面取向?yàn)?111)晶向的金剛石，以提高器件的散熱能力；該GaN溝道層的厚度為20?30nm；該InAlN勢(shì)壘層的Al組分為80％?85％，厚度為10?15nm。本發(fā)明增強(qiáng)了器件的散熱能力，降低了界面熱阻，提高了器件的工作壽命和穩(wěn)定性，簡(jiǎn)化了工藝條件，可用于高頻、大功率微波毫米波器件的制備。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高電子遷移率晶體管，可用于高頻、大功率微波毫米波器件的制備。

背景技術(shù)

基于GaN的高電子遷移率晶體管HEMT在高功率和高頻應(yīng)用中表現(xiàn)出了卓越的性能，它們通常采用AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)制備，為了使GaN HEMT微波功率器件達(dá)到更高的工作頻率，往往要求器件的柵長(zhǎng)縮短到150nm以下甚至50nm或更短的10nm，這時(shí)器件的短溝道效應(yīng)將成為一個(gè)重要的問(wèn)題。為了克服短溝道效應(yīng)并保持高的溝道導(dǎo)電特性，必須增大勢(shì)壘層Al組分，然而，高Al組分AlGaN和GaN的晶格失配過(guò)大，產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致界面粗糙度的增加以及AlGaN勢(shì)壘層結(jié)晶質(zhì)量的惡化，從而降低二維電子氣面密度和遷移率。為解決這一問(wèn)題，將InAlN用作AlGaN的替代材料，即用銦組分約為17％的InAlN與GaN晶格匹配地生長(zhǎng)，以消除界面之間的應(yīng)力，而且由于InAlN/GaN之間存在強(qiáng)大的自發(fā)極化電場(chǎng)，可以提供高密度的二維電子氣2DEG。

除了短溝道效應(yīng)，GaN基HEMT性能的充分發(fā)揮還受到Si、藍(lán)寶石這些襯底低熱導(dǎo)率的限制，具有高熱導(dǎo)率的金剛石，可以作為GaN基HEMT熱擴(kuò)散襯底的優(yōu)良選擇。由于GaN難以直接在金剛石上成核生長(zhǎng)，近年來(lái)，在金剛石與GaN結(jié)合方面開(kāi)展了很多研究，主要包括低溫鍵合技術(shù)、GaN外延層背面直接生長(zhǎng)金剛石的襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)、單晶金剛石外延GaN技術(shù)和高導(dǎo)熱金剛石鈍化層散熱技術(shù)。低溫鍵合技術(shù)具有制備溫度低、金剛石襯底導(dǎo)熱性能可控的優(yōu)勢(shì)，但是大尺寸金剛石襯底的高精度加工和界面結(jié)合強(qiáng)度較差。GaN外延層背面直接生長(zhǎng)金剛石雖然具有良好的界面結(jié)合強(qiáng)度，但是涉及到高溫、晶圓應(yīng)力大、界面熱阻高等技術(shù)難點(diǎn)。單晶金剛石外延GaN技術(shù)和高導(dǎo)熱金剛石鈍化層散熱技術(shù)則分別受到單晶金剛石尺寸小、成本高和工藝不兼容的限制。

綜上，由于現(xiàn)有技術(shù)存在工藝流程復(fù)雜、界面結(jié)合強(qiáng)度差、界面熱阻高、工藝不兼容等問(wèn)題，從而限制了高散熱能力的GaN基HEMT的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種基于質(zhì)子輻照處理的金剛石基InAlN/GaN高電子遷移率晶體管及制備方法，以克服傳統(tǒng)工藝流程復(fù)雜、界面結(jié)合強(qiáng)度差、界面熱阻高、工藝不兼容的問(wèn)題，制備能大規(guī)模應(yīng)用、具有高散熱能力的HEMT器件。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

1.一種基于質(zhì)子輻照處理的金剛石基InAlN/GaN高電子遷移率晶體管，其自下而上包括：襯底，GaN溝道層，InAlN勢(shì)壘層，InAlN勢(shì)壘層上同時(shí)設(shè)有源極、漏極和柵極，其特征在于：

所述襯底，采用晶面取向?yàn)?111)晶向的金剛石，以提高器件的散熱能力；

所述GaN溝道層，其厚度為20-30nm；

所述InAlN勢(shì)壘層，其Al組分為80％-85％，厚度為10-15nm。

進(jìn)一步，所述的源極、漏極和柵極，三者水平分布，且柵極位于源極和漏極之間。

2.一種基于質(zhì)子輻照處理的金剛石基InAlN/GaN高電子遷移率晶體管的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)對(duì)襯底進(jìn)行清洗和烘干：