技术领域
[0001] 本
发明涉及增强型高
电子迁移率
场效应晶体管制备领域，具体涉及一种实现p型栅增强型HEMT器件的方法。
背景技术
[0002] 由于GaN材料独特的极化效应，使得传统的GaN HEMT都是耗尽型，但是增强型器件在高温和射频集成
电路、高速
开关以及
微波单片集成电路中是必不可少的，这是由于增强型器件不需要负
电极电压驱动，在微波功率和低噪音功率
放大器领域中可以降低电路设计的复杂性和成本；在高功率开关应用方面，如
反相器或DC/DC变换器故障安全设计中，能够明显提高电路的安全性；在超高速数字电路应用方面，可采用增强型GaN基器件来替代p型
沟道器件来实现数字
逻辑电路，制作成低功耗的互补逻辑电路。
[0003] 目前增强型HEMT器件的制备方法通常包括
外延结构、器件结构和电路结构上的改变，其中主流方案是凹槽栅
刻蚀、氟
离子注入和p型栅。凹槽栅HEMT器件通过对栅下势垒层部分刻蚀，只降低栅下极化电荷
密度而尽可能不影响沟道电荷，在保证较高输出
电流的情况下实现增强型。但在实际制备过程中，刻蚀
精度和
阈值电压难以控制，工艺重复性差。氟离子注入是在栅金属沉积之前，将氟离子注入栅下势垒层，耗尽栅下的沟道电子从而提高阈值电压。但是氟离子注入不可避免的会造成沟道中存在少量的氟离子，导致沟道载流子迁移率降低，同时注入的氟离子存在高温
稳定性问题，容易导致阈值电压漂移。
[0004] 虽然上述两种方法都能实现增强型，但
干法刻蚀或氟离子注入都会对栅下沟道产生损伤，造成栅
泄漏电流增大，影响器件性能稳定性。而p型栅是通过在栅和势垒层之间插入p型氮化物，将AlGaN层势垒高度提高从而将栅下沟道处的
势能提高到费米能级之上，实现增强型。由于p型栅增强型器件不需要对栅进行额外工艺处理，不存在栅不稳定性问题，可靠性高，因此成为了GaN功率器件商业化的首选结构。但是在p型栅的制备过程中，需要刻蚀栅下区域以外的p型氮化物，这对刻蚀的精度要求非常高，p型氮化物的刻蚀不完全或AlGaN势垒层的过度刻蚀都会造成输出电流下降，因此，设计一种能精准刻蚀栅下区域以外的p型氮化物，同时避免造成器件损伤的方法，对于实现具有高饱和输出电流密度的增强型器件具有重要意义。
发明内容
[0005] 为了克服
现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种实现p型栅增强型HEMT器件的方法。本发明采用
半导体分析仪能够精准地刻蚀栅外势垒层上方的p型氮化物,避免造成器件损伤，有利于实现高阈值电压大饱和电流增强型器件。
[0006] 本发明采用如下技术方案：
[0007] 本发明利用半导体分析仪对栅极施加正向
偏压，使栅下沟道开启，同时在源漏间施加电压，在栅外p型氮化物刻蚀过程中，实时输出源漏间的电流变化。随着栅外p型氮化物厚度的减小，p型氮化物的耗尽作用逐渐减弱，源
漏电流不断增大；当栅外p型氮化物刻蚀完全时，电流达到最大值；但如果继续刻蚀就会损伤势垒层，使输出电流逐渐减小。因此，以半导体分析仪的输出电流最大值作为刻蚀终点，能够实现精准刻蚀，获得大饱和电流的p型栅增强型器件。
[0008] 一种实现p型栅增强型HEMT器件的方法，包括：
[0009] S1在衬底上依次外延GaN沟道层、AlGaN势垒层及p型氮化物层；
[0010] S2在p型氮化物层上进行
光刻，暴露出源金属电极和漏极金属电极区域区域，进行刻蚀处理后，通过蒸
镀、剥离和
退火形成源金属电极和漏金属电极；
[0011] S3进行
台面隔离，然后通过光刻、蒸镀、剥离，形成栅金属电极；
[0012] S4将源金属电极、漏金属电极及栅金属电极分别通过
导线与半导体分析仪连接；
[0013] S5将S4连接完成的外延片放置在感应耦合
等离子体刻蚀腔内，进行刻蚀工艺，当半导体分析仪显示的源漏输出电流最大时，工艺停止。
[0014] 优选地，所述S4具体为：半导体分析仪对栅极施加1-10V的正向电压，使栅下产生二维电子气，同时在源极和漏极之间施加1-10V电压。
[0015] 优选地，所述p型氮化物为p-GaN或p-AlGaN。
[0016] 优选地，所述的GaN沟道层、AlGaN势垒层、p型氮化物厚度分别为1-5μm、20-30nm、10-100nm，其中Al元素的摩尔含量为20％-30％。
[0017] 优选地，所述源金属电极和漏金属电极的区域面积为10mm2-20mm2。
[0018] 优选地，所述S2中退火的气氛为N2，退火
温度为850℃，保温时间为30s，升温速率为15℃/s。
[0019] 优选地，所述栅金属电极由Ni及Au两种金属构成，栅金属电极的长度为3μm-5μm，并引出面积为10mm2-20mm2的
焊接金属区域。
[0020] 优选地，所述S2及S5中，所述刻蚀为干法刻蚀，刻蚀为反应气体为Cl2和BCl3混合气体，压强为5mTorr，上射频功率为300W，下射频功率为50W。
[0021] 优选地，所述源、漏金属电极为Ti、Al、Ni、Au形成的
合金。
[0022] 本发明的有益效果：
[0023] (1)本发明在实现p型栅增强型器件的同时，避免了p型氮化物刻蚀不完全或过度刻蚀而引起的输出电流密度下降，有利于获得大饱和电流的p型栅增强型器件；
[0024] (2)本发明通过半导体分析仪的输出电流示数变化判断p型氮化物的终点，结果直观、易操作。同时，可通过电流变化实时监控刻蚀腔内情况，有利于及时对工艺做出调整和优化。
[0025] (3)本发明方法只需对现有的感应耦合等离子体刻蚀设备增加3个穿板电极，将刻蚀腔内的样品与半导体分析仪联通，步骤简便。同时还可用于制备凹槽结构和氟注入的增强型器件，用途广泛。
附图说明
[0026] 图1是本方法器件刻蚀前的电路示意图；
[0027] 图2是本方法器件刻蚀后的电路示意图；
[0028] 图3是本发明
实施例1中所制备器件所测得的转移特性曲线图。
[0029] 图4为本发明实施例1中所制备器件所测得的输出特性曲线图。
具体实施方式
[0030] 下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0031] 实施例
[0032] 如图1及图2所示，一种实现p型栅增强型HEMT器件的方法，包括如下步骤：
[0033] S1在衬底1上依次外延GaN沟道层2、AlGaN势垒层3及p型氮化物层5；
[0034] 所述p型氮化物层5为p-GaN和p-AlGaN中的一种。
[0035] 所述的GaN沟道层2、AlGaN势垒层3、p型氮化物层5厚度分别为1μm、20nm、10nm，其中Al元素的摩尔含量为20％。
[0036] S2在S1中所述的外延片上进行光刻，暴露出源金属电极6和漏极金属电极7区域后，进行干法刻蚀处理；
[0037] 其中，源金属电极6和漏金属电极7的区域面积为10mm2。
[0038] 所述的刻蚀为感应耦合等离子体刻蚀(ICP),刻蚀反应气体为Cl2和BCl3混合气体，压强为5mTorr，上射频功率为300W，下射频功率为50W，刻蚀时间分别为10s。
[0039] S3通过蒸镀、剥离和退火形成源金属电极6和漏金属电极7；
[0040] 所述的源、漏金属电极为Ti、Al、Ni、Au形成的合金。
[0041] 所述退火的气氛为N2，退火温度为850℃，保温时间为30s，升温速率为15℃/s。
[0042] S4通过光刻和刻蚀，进行台面隔离；
[0043] S5通过光刻、蒸镀、剥离，形成栅金属电极8；
[0044] 所述S5中栅金属电极由Ni、Au两种金属组成，其长度为3μm，并引出面积为10mm2的焊接金属区域。
[0045] S6利用电烙
铁和焊接金属分别将源、漏、栅金属电极与导线相连；
[0047] S7将步骤S6中所述的3根导线与半导体分析仪相连，其电路示意图如图1所示；
[0048] 半导体分析仪对栅极施加1V的正向电压，使栅下产生二维电子气4，同时在源极和漏极之间施加1V电压。
[0049] S8连接完成的外延片放置在感应耦合等离子体刻蚀腔内，进行刻蚀工艺，当半导体分析仪显示的源漏输出电流最大时，工艺停止。
[0050] 所述的刻蚀为反应气体为Cl2和BCl3混合气体，压强为5mTorr，上射频功率为300W，下射频功率为50W。
[0051] 本实施例制备的p型栅增强型器件测得的转移特性曲线和输出特性曲线分别如图3和图4所示，所得器件阈值电压为0.2V，最大跨导为127mS/mm；在栅极电压为4V时，输出饱和电流密度为319mA/mm，器件实现增强型，同时保持高输出饱和电流密度。
[0052] 实施例2
[0053] 本实施例与实施例1的制备过程相同，其不同之处在于：
[0054] 所述S1中，GaN沟道层2、AlGaN势垒层3、p型氮化物层5厚度分别为3μm、25nm、50nm，其中Al元素的摩尔含量为25％。
[0055] 所述S2中源金属电极6和漏金属电极7的区域面积为15mm2。
[0056] 所述S2中刻蚀为感应耦合等离子体刻蚀(ICP),刻蚀反应气体为Cl2和BCl3混合气体，压强为5mTorr，上射频功率为300W，下射频功率为50W，刻蚀时间分别为50s。
[0057] 所述S5中栅金属电极由Ni、Au两种金属组成，其长度为5μm，并引出面积为15mm2的焊接金属区域。
[0058] 所述S7中半导体分析仪对栅极施加5V的正向电压，使栅下产生二维电子气4，同时在源极和漏极之间施加5V电压。
[0059] 本实施例制备的p型栅增强型器件测得的转移特性曲线和输出特性曲线结果与实施例1类似，证明依照该实施例所制得的器件性能稳定。
[0060] 实施例3
[0061] 本实施例与实施例1的制备过程相同，其不同之处在于：
[0062] 所述S1中，GaN沟道层2、AlGaN势垒层3、p型氮化物层5厚度分别为5μm、30nm、100nm，其中Al元素的摩尔含量为30％。
[0063] 所述S2源金属电极6和漏金属电极7的区域面积为20mm2。
[0064] 所述S2中，刻蚀为感应耦合等离子体刻蚀(ICP),刻蚀反应气体为Cl2和BCl3混合气体，压强为5mTorr，上射频功率为300W，下射频功率为50W，刻蚀时间分别为100s。
[0065] 所述S5中，的栅金属电极由Ni、Au两种金属组成，其长度为5μm，并引出面积为2
20mm的焊接金属区域。
[0066] 所述S7中，的半导体分析仪对栅极施加10V的正向电压，使栅下产生二维电子气4，同时在源极和漏极之间施加10V电压。
[0067] 本实施例制备的p型栅增强型器件测得的转移特性曲线和输出特性曲线结果与实施例1类似，证明依照该实施例所制得的器件性能稳定。
[0068] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
