技术领域
[0001] 本
发明属于GaN宽禁带
半导体技术领域，特别涉及一种叠栅AlGaN/GaN高电子迁移率MOS器件，可用于无线通讯和雷达设备的高频大功率
电路。
背景技术
[0003] 无线通信技术的发展对
微波功率器件提出了更高的要求。相比于其他材料，GaN的禁带宽度大，电子饱和速度高，热传导性好，非常适合应用于高温、高频和大功率环境下。
[0004] AlGaN/GaN高电子迁移率器件HEMT在高频大功率的应用领域已经取得了很大的发展，但是HEMT器件存在的栅极
泄漏电流和电流崩塌现象严重影响了器件性能，限制了其的应用范围。引入MOS结构，一方面可以显著降低HEMT器件的栅极泄
漏电流，提高器件饱和漏电流；另一方面在AlGaN上生长一层高
质量的栅介质可以起到
钝化作用，从而降低了电流崩塌效应。
[0005] 随着器件特征尺寸不断缩小，栅
氧化层厚度按比例缩小，引起量子隧穿效应。选取高K材料作为栅介质成为目前MOS-HEMT发展的趋势，高K材料拥有较高的
介电常数使得其与SiO2拥有同样栅电容时，其厚度远高于SiO2，降低了隧穿效应发生几率。在与SiO2厚度相同的情况下，高K材料使栅电容增大很多，增强了器件的栅控能
力。高K材料作为栅介质直接与AlGaN势垒层相
接触，由于其禁代宽度往往比较小而存在较小的导带不连续性，导致栅极泄漏电流依然存在。另外高K材料与AlGaN势垒层的界面问题以及表面钝化特性也是限制其应用的主要原因。对MOS-HEMT器件栅介质的基本要求是，高的介电常数，大的禁带宽度，大的导带偏移量，高质量的界面和低的界面态
密度。由于高K材料作为栅介质直接与AlGaN势垒层相接触，存在着导带偏移量低，界面质量低和界面态密度高等问题，使得不能直接将高K材料作为AlGaN/GaN的MOS-HEMT器件的栅介质。因此需要对高K介质材料与AlGaN势垒层的界面质量进行改进，以增加导带偏移量，降低界面态密度，从而改善器件性能。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种高K叠栅AlGaN/GaN高电子迁移率MOS器件，以降低常规HEMT器件的栅极泄漏电流，增强器件的栅控能力，增加栅介质材料与AlGaN势垒层的导带偏移量，提高栅介质材料与AlGaN势垒层的界面质量。
[0007] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0008] 1.基于高K材料的叠栅AlGaN/GaN高电子迁移率MOS器件，
自下而上包括：衬底、AlN成核层、GaN
缓冲层、AlGaN势垒层、栅介质层，源级和漏级分别位于AlGaN势垒层的两端，栅极位于栅介质层的上部，其特征在于：
[0009] 栅介质层包括：Al2O3过渡层和介电常数大于Al2O3介电常数的高K介质层，该高K介质层位于Al2O3过渡层的上部，用于提高栅控能力。
[0010] 2.一种基于高K材料的叠栅AlGaN/GaN高电子迁移率MOS器件的制作方法，包括如下步骤：
[0011] 1)选用衬底并进行标准RCA清洗；
[0012] 2)在清洗后的衬底上使用金属有机化合物气相淀积MOCVD技术
外延厚度为0.5μm-1μm的AlN成核层；
[0013] 3)使用金属有机化合物气相淀积MOCVD技术在AlN成核层上淀积厚度为2μm-3μm的GaN缓冲层；
[0014] 4)使用金属有机化合物气相淀积MOCVD技术在GaN缓冲层上淀积厚度为20nm-30nm的AlGaN势垒层形成AlGaN/GaN
异质结衬底；
[0015] 5)使用
原子层淀积ALD技术在AlGaN/GaN异质结衬底上淀积厚度为2nm的Al2O3过渡层；
[0016] 6)使用原子层淀积ALD技术在Al2O3过渡层上淀积厚度为3nm-5nm的高K介质层，形成叠栅介质层；
[0017] 7)将形成叠栅介质层的AlGaN/GaN异质结衬底置于
温度为750-850℃的氮气环境中，
退火50-70s；
[0018] 8)在叠栅介质层上，采用金属热
蒸发技术淀积栅
电极；
[0019] 9)将完成栅电极淀积的AlGaN/GaN异质结衬底置于温度为550-650℃的氮气环境中，退火25-35s；
[0020] 10)通过
光刻与
刻蚀工艺，在完成快速退火的AlGaN/GaN异质结衬底上，制作出源区和漏区：
[0021] 11)采用金属热蒸发技术在AlGaN/GaN高电子迁移率器件的源区和漏区上制作出漏级和源级，完成器件制作。
[0022] 本发明具有如下优点：
[0023] 1.本发明采用叠栅MOS结构，相比较于传统HEMT器件，使得器件的
沟道电子难以越过氧化层势垒形成泄漏电流，有效的减小了栅极泄漏电流，提高了器件的工作
电压，扩大了器件的应用范围，改善了器件的功率特性。
[0024] 2.本发明采用介电常数大于Al2O3的高K材料作为栅介质的主体部分，对于MOS-HEMT器件而言，可以提高其栅介质材料的介电常数，增强栅电容对沟道电子的控制力。
[0025] 3.本发明采用Al2O3作为高K介质材料与AlGaN势垒层之间的界面过渡层，由于Al2O3与AlGaN势垒层的导带偏移量为2.1ev，且与AlGaN势垒层具有很好的界面质量，因此可以增加栅介质材料与AlGaN势垒层的导带偏移量，提高栅介质材料与AlGaN势垒层的界面质量，提高了器件的可靠性。
[0026] 仿真结果表明，本发明器件的栅控能力明显增强，栅极泄漏电流远远小于传统HEMT器件。
[0027] 以下结合
附图和
实施例进一步说明本发明的技术内容和效果
附图说明
[0028] 图1是传统AlGaN/GaNHEMT器件结构图；
[0029] 图2是本发明基于高K材料的叠栅AlGaN/GaN高电子迁移率MOS器件的结构图；
[0030] 图3是本发明制作基于高K材料的叠栅AlGaN/GaN高电子迁移率MOS器件的
流程图；
[0031] 图4是对传统HEMT器件及本发明器件仿真所得的栅泄漏电流曲线图；
[0032] 图5是对传统MOS-HEMT器件及本发明器件仿真所得的转移曲线图；
[0033] 图6是对传统MOS-HEMT器件及本发明器件仿真所得的跨导曲线图。
[0034] 具体实施措施
[0035] 参考图2，本发明基于高K材料的叠栅AlGaN/GaN高电子迁移率MOS器件包括，衬底1、AlN成核层2、GaN缓冲层3、AlGaN势垒层4、栅介质层5、栅极6、源级7和漏级8，其中衬底1、AlN成核层2、GaN缓冲层3、AlGaN势垒层4和栅介质层5，其按自下而上的顺序排列，栅极6位于栅介质层5的上部，源级7和漏级8分别位于AlGaN势垒层4的两端。
[0036] 所述衬底1，可采用蓝
宝石或
碳化
硅或其他外延衬底材料；
[0037] 所述AlN成核层2，其厚度为0.5μm-1μm，
[0038] 所述GaN缓冲层3，其厚度为2μn-3μm，
[0039] 所述AlGaN势垒层4，其厚度为20nm-30nm，
[0040] 所述栅介质层5，其包括Al2O3过渡层501和介电常数大于Al2O3的高K介质层502，且高K介质层502位于Al2O3过渡层501的上部。该Al2O3过渡层501的厚度为2nm-3nm；该高k介质层采用HfO2或La2O3或TiO2或Ta2O5或者其他介电常数大于Al2O3的绝缘介质，其厚度为3nm-5nm。
[0041] 所述栅电极6采用Ni/Au/Ni多层金属，源级7和漏级8采用Ti/Al/Ni/Au多层金属。
[0042] 参照图3，本发明制备基于高K材料的叠栅AlGaN/GaN高电子迁移率MOS器件的方法，给出以下三种实施例。
[0043] 实施例1，制作由厚度为2nmAl2O3过渡层和厚度为3nm的HfO2高K介质层构成栅介质层的AlGaN/GaN高电子迁移率MOS器件。
[0044] 步骤1，选用衬底并进行标准RCA清洗，如图3(a)。
[0045] 1a)选用碳化硅衬底；
[0046] 1b)将碳化硅衬底放在比例为1∶1∶5的
盐酸、双氧
水、去离子水的混合溶液中清洗，去除碳化硅衬底上的活泼金属、金属氧化物和氢氧化物等杂质；
[0047] 1c)将清洗后的碳化硅衬底在
氢氟酸溶液内浸泡30秒，去除碳化硅衬底上的自然氧化物，去离子水冲洗，氮气吹干。
[0048] 步骤2，在碳化硅衬底上淀积AlN成核层，如图3(b)。
[0049] 采用三甲基
铝与高纯
氨气分别作为铝源与氮源，在温度为1100℃，压力为60托的条件下，使用金属
有机化学气相淀积MOCVD方法，在碳化硅衬底上淀积厚度为1μm的AlN成核层。
[0050] 步骤3，在AlN成核层上淀积GaN缓冲层，如图3(c)。
[0051] 采用三乙基镓与高纯氨气分别作为镓源与氮源，在温度为1050℃，压力为60托的条件下，使用金属有机化学气相淀积MOCVD方法，在AlN成核层上淀积厚度为3μm的GaN缓冲层。
[0052] 步骤4，在GaN缓冲层上淀积AlGaN势垒层，形成AlGaN/GaN异质结衬底，如图3(d)。
[0053] 采用三乙基镓、三甲基铝和高纯氨气分别作为镓源、铝源和氮源，在温度为1060℃，压力为60托的条件下，使用金属有机化学气相淀积MOCVD方法，在GaN缓冲层上淀积厚度为30nm的AlGaN势垒层。
[0054] 步骤5，在AlGaN/GaN异质结衬底上淀积Al2O3过渡层，如图3(e)。
[0055] 将清洗后的AlGaN/GaN异质结衬底放入原子层淀积设备反应腔，采用原子层淀积ALD方法淀积厚度为2nm的Al2O3过渡层，淀积的工艺条件是：腔体压力为15hPa，温度为300℃，铝源和氧源分别为三甲基铝和去离子水，氮气流量为150sccm。
[0056] 步骤6，在Al2O3过渡层上淀积HfO2高K介质层，如图3(f)。
[0057] 采用原子层淀积ALD方法在完成Al2O3过渡层淀积的AlGaN/GaN异质结衬底上淀积3nm厚的HfO2高K介质，形成栅介质层。
[0058] 淀积的工艺条件是：腔体压力为15hPa，温度为300℃，铪源和氧源分别为四乙基甲基胺基铪和去离子水，铪源温度为95℃，氮气流量为150sccm。
[0059] 步骤7，将完成栅介质层淀积的AlGaN/GaN异质结衬底置于温度为800℃的氮气环境中，退火60s。
[0060] 步骤8，在栅介质层上淀积栅电极，如图3(g)。
[0061] 在栅介质层上，采用金属热蒸发法，淀积Ni/Au/Ni多层金属，其厚度分别为：Ni为Au为Ni为
[0062] 步骤9，将完成栅电极淀积的AlGaN/GaN异质结衬底置于温度为500℃的氮气环境中，退火30s。
[0063] 步骤10，通过光刻与刻蚀工艺，在完成栅电极淀积的AlGaN/GaN异质结衬底上制作AlGaN/GaN高电子迁移率MOS器件的源区和漏区。
[0064] 步骤11，采用金属热蒸发法在AlGaN/GaN异质结衬底的源区和漏区上制作源级和漏级，完成器件制作，如图3(h)。
[0065] 实施例2，制作由厚度为2nmAl2O3过渡层和厚度为5nm的La2O3高K介质层构成栅介质层的AlGaN/GaN高电子迁移率MOS器件。
[0066] 步骤一，选用衬底并进行标准RCA清洗，如图3(a)。
[0067] 选用蓝宝石衬底，其清洗过程与实施例1中步骤1的清洗过程相同。
[0068] 步骤二，在蓝宝石衬底上淀积AlN成核层，如图3(b)。
[0069] 采用三甲基铝与高纯氨气分别作为铝源与氮源，在温度为1050℃，压力为40托的条件下，使用金属有机化学气相淀积MOCVD方法，在蓝宝石衬底上淀积厚度为0.5μm的AlN成核层。
[0070] 步骤三，在AlN成核层上淀积GaN缓冲层，如图3(c)。
[0071] 采用三乙基镓与高纯氨气分别作为镓源与氮源，在温度为1000℃，压力为40托的条件下，使用金属有机化学气相淀积MOCVD方法，在AlN成核层上淀积厚度为2μm的GaN缓冲层。
[0072] 步骤四，在GaN缓冲层上淀积AlGaN势垒层，形成AlGaN/GaN异质结衬底，如图3(d)。
[0073] 采用三乙基镓，三甲基铝和高纯氨气分别作为镓源，铝源和氮源，在温度为1000℃，压力为40托的条件下，使用金属有机化学气相淀积MOCVD方法，在GaN缓冲层上淀积厚度为20nm的AlGaN势垒层。
[0074] 步骤五，在AlGaN/GaN异质结衬底上淀积Al2O3过渡层，如图3(e)。
[0075] 本步骤的具体实施与实施例1中的步骤5相同。
[0076] 步骤六，在Al2O3过渡层上淀积La2O3高K介质层，如图3(f)。
[0077] 采用原子层淀积ALD方法在完成Al2O3过渡层淀积的AlGaN/GaN异质结衬底上淀积5nm厚的La2O3高K介质，形成栅介质层。
[0078] 本步骤的淀积的工艺条件与实施例1中步骤6的淀积工艺条件相同。
[0079] 步骤七，将完成栅介质层淀积的AlGaN/GaN异质结衬底置于温度为800℃的氮气环境中，退火60s。
[0080] 步骤八，在栅介质层上淀积栅电极，如图3(g)。
[0081] 本步骤的具体实施与实施例1中步骤8相同。
[0082] 步骤九，将完成栅电极淀积的AlGaN/GaN异质结衬底置于温度为500℃的氮气环境中，退火30s。
[0083] 步骤十，通过光刻与刻蚀工艺，在完成栅电极淀积的AlGaN/GaN异质结衬底上制作AlGaN/GaN高电子迁移率MOS器件的源区和漏区，并采用金属热蒸发法在AlGaN/GaN异质结衬底的源区和漏区上制作源级和漏级，完成器件制作，如图3(h)。
[0084] 实施例3，制作由厚度为2nmAl2O3过渡层和厚度为3nm的La2O3高K介质层构成栅介质层的AlGaN/GaN高电子迁移率MOS器件。
[0085] 步骤A，选用衬底并进行标准RCA清洗，如图3(a)。
[0086] 本步骤的具体实施与实施例1中的步骤1相同。
[0087] 步骤B，在蓝宝石衬底上淀积AlN成核层，如图3(b)。
[0088] 采用三甲基铝与高纯氨气分别作为铝源与氮源，在温度为1080℃，压力为50托的条件下，使用金属有机化学气相淀积MOCVD方法，在碳化硅衬底上淀积厚度为0.8μm的AlN成核层。
[0089] 步骤C，在AlN成核层上淀积GaN缓冲层，如图3(c)。
[0090] 采用三乙基镓与高纯氨气分别作为镓源与氮源，在温度为1020℃，压力为50托的条件下，使用金属有机化学气相淀积MOCVD方法，在AlN成核层上淀积厚度为2.5μm的GaN缓冲层。
[0091] 步骤D，在GaN缓冲层上淀积AlGaN势垒层，形成AlGaN/GaN异质结衬底，如图3(d)。
[0092] 采用三乙基镓、三甲基铝和高纯氨气分别作为镓源、铝源和氮源，在温度为1040℃，压力为50托的条件下，使用金属有机化学气相淀积MOCVD方法，在GaN缓冲层上淀积厚度为25nm的AlGaN势垒层。
[0093] 步骤E，在AlGaN/GaN异质结衬底上淀积Al2O3过渡层，如图3(e)。
[0094] 本步骤的具体实施与实施例1中的步骤5相同。
[0095] 步骤F，在Al2O3过渡层上淀积La2O3高K介质层，如图3(f)。
[0096] 采用原子层淀积ALD方法在完成Al2O3过渡层淀积的AlGaN/GaN异质结衬底上淀积3nm厚的La2O3高K介质，形成栅介质层。
[0097] 本步骤的淀积的工艺条件与实施例1中步骤6的淀积工艺条件相同。
[0098] 步骤G，将完成栅介质层淀积的AlGaN/GaN异质结衬底置于温度为800℃的氮气环境中，退火60s。
[0099] 步骤H，在栅介质层上淀积栅电极，如图3(g)。
[0100] 本步骤的具体实施与实施例1中步骤1相同。
[0101] 步骤I，将完成栅电极淀积的AlGaN/GaN异质结衬底置于温度为500℃的氮气环境中，退火30s。
[0102] 步骤J，通过光刻与刻蚀工艺，在完成栅电极淀积的AlGaN/GaN异质结衬底上制作AlGaN/GaN高电子迁移率MOS器件的源区和漏区，并采用金属热蒸发法在AlGaN/GaN异质结衬底的源区和漏区上制作源级和漏级，完成器件制作，如图3(h)。
[0103] 本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明。
[0104] 仿真1，设漏级电压为6v，栅极电压从-4v增加到6v，用传统HEMT器件和本发明器件仿真在不同栅压下的栅极泄漏电流，结果是图4。
[0105] 图4可见，相比于传统HEMT器件，本发明器件的栅极泄漏电流基本为0A/mm，有效的减小了栅极泄漏电流。
[0106] 仿真2，设栅介质层厚度相同，漏级电压为5v，栅极电压从-10v到6v，用栅介质为SiO2的MOS-HEMT器件和本发明器件仿真在不同栅压下的转移特性，结果是图5。
[0107] 图5可见，相比于栅介质为SiO2的MOS-HEMT器件，本发明器件的
阈值电压明显增大，大约从-5.84V增大到-3.64V，本发明器件栅电容对沟道电子的控制能力更强。
[0108] 仿真3，设栅介质层厚度相同，漏级电压为5v，栅极电压从-10v到6v，用栅介质为SiO2的MOS-HEMT器件和本发明器件仿真在不同栅压下的跨导特性，结果是图6。
[0109] 图6可见，相比于栅介质为SiO2的MOS-HEMT器件，本发明器件的跨导明显增大，大约从0.08s/mm增大到0.13s/mm，本发明器件的栅控能力明显增强，该图6的结论与附图5的结论相一致。
[0110] 以上描述仅是本发明的几个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然，对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种
修改和改变，但是这些基于本发明的修改和改变仍在本发明的
权利要求保护范围之内。
