[發(fā)明專利]一種金剛石基氮極性面氮化鎵高電子遷移率晶體管及其制作方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110594370.2
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113314598A
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 薛軍帥;孫志鵬;姚佳佳;楊雪妍;吳冠霖;李祖懋;張進成;郝躍
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L29/20
• 分類號: H01L29/20;H01L29/778;H01L21/335;H01L23/373
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華;李勇軍

本發(fā)明公開了一種金剛石基氮極性面氮化鎵高電子遷移率晶體管及其制作方法，主要解決現(xiàn)有氮極性面氮化鎵器件材料外延質(zhì)量低、在高壓高功率工作條件下散熱能力差和電流崩塌及可靠性退化的問題。其自下而上包括金剛石襯底(1)、過渡層(2)、支撐層(3)、勢壘層(4)、插入層(5)、溝道層(6)和絕緣柵介質(zhì)層(7)，該溝道層(6)的兩側(cè)均為歐姆接觸區(qū)，這兩側(cè)歐姆接觸區(qū)上分別設(shè)置源電極和漏電極，該絕緣柵介質(zhì)層(7)上設(shè)置柵電極。本發(fā)明器件材料外延質(zhì)量高，能改善自熱效應和電流崩塌現(xiàn)象，器件輸出功率和工作可靠性高，制作工藝簡單，器件性能一致性高，可用于高頻微波功率放大器和單片微波毫米波集成電路。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導體器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種氮化鎵高電子遷移率晶體管，可用于制作微波功率放大器和單片微波毫米波集成電路。

背景技術(shù)

隨著材料外延技術(shù)和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計及其制備工藝的不斷發(fā)展，氮化鎵高電子遷移率晶體管性能不斷提升，成為制備高頻大功率固態(tài)微波功率放大器的首選。目前，氮化鎵電子器件主要基于鎵極性面異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料制造，這是由于鎵極性面材料的外延生長技術(shù)成熟，易于實現(xiàn)高的結(jié)晶質(zhì)量和低的背景載流子濃度。然而，氮極性面氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料在提高器件工作頻率和輸出功率方面有諸多天然優(yōu)勢。氮極性面氮化鎵異質(zhì)結(jié)中勢壘層在溝道層下方形成天然的背勢壘，能提高二維電子氣限域性，勢壘層厚度不受等比例縮小規(guī)則限制。同時，窄帶隙氮化鎵溝道層位于外延材料頂部，易實現(xiàn)低歐姆接觸電阻。

然而，氮極性面氮化鎵器件材料外延生長和器件性能提升存在兩個主要難題。首先，氮極性面氮化鎵材料外延生長過程易發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，極性控制難度大，且外延氮極性面氮化鎵材料背景載流子濃度高，易形成體漏電通道降低器件擊穿電壓和輸出功率。其次，氮極性面氮化鎵器件在高偏置電壓和高功率密度工作狀態(tài)下，器件有源區(qū)熱積累效應導致器件結(jié)溫迅速上升，其可靠性和穩(wěn)定性迅速惡化。傳統(tǒng)的氮極性面氮化鎵器件材料外延生長在低熱導率襯底上，其散熱能力有限，熱量向周圍環(huán)境擴散受到限制，易產(chǎn)生電流崩塌效應。因此，為進一步提升氮極性面氮化鎵器件性能，需要采用更高熱導率的襯底，解決器件有源區(qū)熱積累問題，提升有源區(qū)附近傳熱能力，改善器件自熱效應，抑制載流子輸運特性衰減，提高器件可靠性和穩(wěn)定性。同時，需要對氮極性面氮化鎵材料外延技術(shù)進行創(chuàng)新，有效降低背景載流子濃度，提高外延材料質(zhì)量。

常規(guī)氮極性面氮化鎵高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)如圖1所示，其自下而上，包括襯底、成核層、緩沖層、勢壘層、插入層和溝道層，其中襯底多為硅、藍寶石和碳化硅等低熱導率襯底，溝道層上設(shè)有柵電極、源電極和漏電極。該器件存在以下缺點：

一是氮極性面氮化鎵材料外延時材料極性控制難度大，易發(fā)生極性翻轉(zhuǎn)，出現(xiàn)鎵極性面氮化鎵材料；

二是生長的氮極性面氮化鎵材料背景載流子濃度高，需要采用鐵摻雜補償背景載流子，增加了材料外延工藝控制難度；

三是襯底熱導率低，氮極性面氮化鎵器件有源區(qū)熱量不能即時耗散，熱積累效應導致器件出現(xiàn)電流崩塌現(xiàn)象，器件可靠性和穩(wěn)定性惡化；

四是在將氮極性面氮化鎵器件轉(zhuǎn)移至高熱導率金剛石襯底上時，器件剝離轉(zhuǎn)移工藝復雜，刻蝕工藝難以精確控制，剝離界面粗糙不平整，器件剝離完整度低，剝離后器件性能出現(xiàn)衰退的問題；

五是高熱導率襯底金剛石與氮極性面氮化鎵材料之間存在大的晶格失配和晶相失配及其熱失配等問題，在其上直接異質(zhì)外延生長氮極性面氮化鎵材料難以實現(xiàn)高的結(jié)晶質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于針對上述已有技術(shù)的缺點，提出一種金剛石基氮極性面氮化鎵高電子遷移率晶體管及其制作方法，以提高材料外延質(zhì)量，降低材料背景載流子濃度和器件剝離轉(zhuǎn)移工藝難度，改善器件自熱效應和電流崩塌效應，提升器件可靠性和工作穩(wěn)定性。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

1、一種金剛石基氮極性面氮化鎵高電子遷移率晶體管，自下而上，包括金剛石襯底、勢壘層、插入層、溝道層，其特征在于：