一种同时优化击穿特性和反向特性的GaN HEMT器件

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种同时优化击穿特性和反向特性的GaNHEMT器件。

背景技术

传统的GaN HEMT器件与Si基MOSFET不同，它的结构虽然简单但没有寄生的反向二极管存在，使其反向导通特性严重依赖于关态时的栅-源电压，且其反向导通时的沟道压降大于栅阈值电压，也即大于1.5V，比大多数二极管的前向导通电压降要大，反向导通的功耗更高。

另一方面， GaN HEMT器件存在面密度高达10

常规的增强型GaN HEMT器件结构，还存在2个缺点：一是无集成的反向二极管，器件在反向工作时，反向导通电压等于栅-漏阈值电压与栅-源关态电压和器件导通压降三者之和，因而其反向导通压降高，反向工作损耗大；二是器件在栅下漏极侧存在很强的峰值电场，使器件的栅极漏电流很大，且栅极容易被击穿，因而击穿特性不佳落。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同时优化击穿特性和反向特性的GaN HEMT器件，通过设计一个复合双插入层，使电场右移至漏极侧，有效保护栅极和设计的MIS结构肖特基二极管，优化器件的反向击穿特性；并采用双层漏极场板结构，使器件内部电场上移至钝化层，远离器件体材料，进一步优化器件的反向击穿特性；且在凹槽栅式增强型GaN HEMT器件上设计一个集成式MIS结构肖特基二极管，优化反向导通特性，并减小栅极电场，降低栅极被击穿风险。

一种同时优化击穿特性和反向特性的GaN HEMT器件，包括最下层厚度为1um-5um的衬底，衬底之上是厚度为1-3nm的AlN层二，AlN层二之上是厚度为500nm-3um的GaN缓冲层，GaN缓冲层之上是厚度为厚度1-3nm的AlN层一、源电极和漏电极，AlN层一之上是厚度为10-30nm 的Al

优选的，所述衬底材料为蓝宝石、碳化硅或硅，所述Al

优选的，所述插入氧化层一的材质为氧化物Al2O3 ，其高度与源极场板高度一致，宽度为0.3um-2um，所述插入氧化层二的材质为氧化物SiO2 ，其高度与源极场板高度一致，宽度0.3um-2um。

优选的，所述源电极由金属Ti、Al、Ni和Au制成，四种金属的厚度分别为20nm、100nm、20nm和150nm，所述栅电极由金属Ni和Au制成，两种金属的厚度分别为20nm和150nm，所述漏电极、漏极场板一和源极场板的材质与源电极相同。

优选的，所述钝化层一和钝化层二都由氧化物Si3N4制成，且二者的结构空隙处以及金属部分均进行钝化覆盖。

制作一种同时优化击穿特性和反向特性的GaN HEMT器件的工艺，包括如下步骤：

第一步：器件清洗

清洗方法是先依次采用丙酮、 酒精、去离子水各超声5分钟，去除部分油脂；然后采用1号液APM：NH

第二步：欧姆接触

在器件上使用物理气相淀积蒸镀源电极、漏电极；

第三步：台面刻蚀

先做光刻，然后RIE去残胶，然后采用ICP刻蚀，刻蚀时间20秒，刻蚀深度100- 500nm，然后RIE去残胶，再用盐酸对表面进行处理1分钟，再氮气吹干后立刻在110 ℃热台上烘烤5分钟；

第四步：栅凹槽刻蚀

刻蚀方式与第三步相同，在第三步之后再刻蚀一个栅凹槽，栅凹槽的刻蚀深度在5-30nm之间；

第五步：氧化层淀积

包括氧化隔离层一和氧化隔离层二，材料是Al2O3，采用磁控溅射法淀积，其厚度在5-30nm之间；

第六步：二次欧姆接触

器件上使用物理气相淀积蒸镀栅电极；

第七步：钝化

将后三次欧姆接触所在的位置进行开窗刻蚀，使其露出，钝化使用PECVD进行Si

第八步：三次欧姆接触

在上一步开窗露出的位置制备漏、源场板，使用物理气相淀积，单层场板厚度为50-150nm；

第九步：二次钝化

将后一步氧化层淀积所在的位置进行开窗刻蚀，使其露出，钝化使用PECVD进行Si

第十步：氧化层淀积

在上一步开窗露出的地方制备插入氧化层一，采用磁控溅射法淀积Al

第十一步：开窗淀积

在插入层一旁边再次开窗，然后淀积插入氧化层二，采用PECVD进行SiO

第十二步：保护钝化，

将有源区以下区域全部进行钝化保护，使用PECVD进行Si

优选的，第三步还可采用离子注入的方式，采用离子注入的方式不需要做台面刻蚀，能够减少器件的表面损伤。

一种双漏极场板的优化击穿特性和反向特性的GaN HEMT器件，包括最下层厚度为1um-5um的第二衬底，第二衬底之上是厚度为1-3nm的第二AlN层二，第二AlN层二之上是厚度为500nm-3um的第二GaN缓冲层，第二GaN缓冲层之上是厚度为厚度1-3nm的第二AlN层一、第二源电极和第二漏电极，第二AlN层一之上是厚度为10-30nm 的第二Al

优选的，所述第二氧化隔离层一的材质为氧化物Al2O3 ，厚度为3-20nm，第二氧化隔离层二的材质为氧化物Al2O3，厚度为5-30nm。

优选的，所述第二插入氧化层一的材质为氧化物Al2O3 ，其高度与源极场板高度一致，宽度为0.3um-2um，所述第二插入氧化层二的材质为氧化物SiO2 ，其高度与源极场板高度一致，宽度0.3um-2um。

所述第二源电极由金属Ti、Al、Ni和Au制成，四种金属的厚度分别为20nm、100nm、20nm和150nm，所述第二栅电极4a由金属Ni和Au制成，两种金属的厚度分别为20nm和150nm，所述第二漏电极、第二漏极场板一和第二源极场板的材质与源电极相同。

所述第二钝化层一和第二钝化层二都由氧化物Si3N4制成，且二者的结构空隙处以及金属部分均进行钝化覆盖。

本发明的优点在于：通过设计一个复合双插入层，使电场右移至漏极侧，有效保护栅极和设计的MIS结构肖特基二极管，优化器件的反向击穿特性；并采用双层漏极场板结构，使器件内部电场上移至钝化层，远离器件体材料，进一步优化器件的反向击穿特性；且在凹槽栅式增强型GaN HEMT器件上设计一个集成式MIS结构肖特基二极管，优化反向导通特性，并减小栅极电场，降低栅极被击穿风险。

附图说明

图1为本发明单漏极场板的优化击穿特性和反向特性的GaN HEMT器件的结构示意图；

图2为本发明双漏极场板的优化击穿特性和反向特性的GaN HEMT器件的结构示意图；

图3为本发明的器件击穿特性对比图；

图4为本发明的器件反向特性对比图；

图5为常规增强型GaN HEMT器件的结构示意图；

图6为单漏极场板的优化击穿特性和反向特性的GaN HEMT器件的制作工艺流程图；

其中，1、源电极，2、源极场板，3、氧化隔离层一，4、栅电极，5、氧化隔离层二，6、插入氧化层一，7、插入氧化层二，9、漏极场板一， 11、漏电极，12、钝化层一，13、钝化层二，14、Al

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图6所示，一种同时优化击穿特性和反向特性的GaN HEMT器件，包括最下层厚度为1um-5um的衬底18，衬底18之上是厚度为1-3nm的AlN层二17，AlN层二17之上是厚度为500nm-3um的GaN缓冲层16，GaN缓冲层16之上是厚度为厚度1-3nm的AlN层一15、源电极1和漏电极11，AlN层一15之上是厚度为10-30nm 的Al

所述衬底18材料为蓝宝石、碳化硅或硅，所述Al

所述插入氧化层一6的材质为氧化物Al2O3 ，其高度与源极场板高度一致，宽度为0.3um-2um，所述插入氧化层二7的材质为氧化物SiO2 ，其高度与源极场板高度一致，宽度0.3um-2um。

所述源电极1由金属Ti、Al、Ni和Au制成，四种金属的厚度分别为20nm、100nm、20nm和150nm，所述栅电极4由金属Ni和Au制成，两种金属的厚度分别为20nm和150nm，所述漏电极11、漏极场板一9和源极场板2的材质与源电极1相同。

所述钝化层一12和钝化层二13都由氧化物Si3N4制成，且二者的结构空隙处以及金属部分均进行钝化覆盖。

制作一种同时优化击穿特性和反向特性的GaN HEMT器件的工艺，包括如下步骤：

第一步：器件清洗

清洗方法是先依次采用丙酮、 酒精、去离子水各超声5分钟，去除部分油脂；然后采用1号液APM：NH

第二步：欧姆接触

在器件上使用物理气相淀积蒸镀源电极1、漏电极11；

第三步：台面刻蚀

先做光刻，然后RIE去残胶，然后采用ICP刻蚀，刻蚀时间20秒，刻蚀深度100- 500nm，然后RIE去残胶，再用盐酸对表面进行处理1分钟，再氮气吹干后立刻在110 ℃热台上烘烤5分钟；

第四步：栅凹槽刻蚀

刻蚀方式与第三步相同，在第三步之后再刻蚀一个栅凹槽，栅凹槽的刻蚀深度在5-30nm之间；

第五步：氧化层淀积

包括氧化隔离层一3和氧化隔离层二5，材料是Al2O3，采用磁控溅射法淀积，其厚度在5-30nm之间；

第六步：二次欧姆接触

器件上使用物理气相淀积蒸镀栅电极4；

第七步：钝化

将后三次欧姆接触所在的位置进行开窗刻蚀，使其露出，钝化使用PECVD进行Si

第八步：三次欧姆接触

在上一步开窗露出的位置制备漏、源场板，使用物理气相淀积，单层场板厚度为50-150nm；

第九步：二次钝化

将后一步氧化层淀积所在的位置进行开窗刻蚀，使其露出，钝化使用PECVD进行Si

第十步：氧化层淀积

在上一步开窗露出的地方制备插入氧化层一6，采用磁控溅射法淀积Al

第十一步：开窗淀积

在插入层一旁边再次开窗，然后淀积插入氧化层二7，采用PECVD进行SiO

第十二步：保护钝化

将有源区以下区域全部进行钝化保护，使用PECVD进行Si

第三步还可采用离子注入的方式，采用离子注入的方式不需要做台面刻蚀，能够减少器件的表面损伤。

一种双漏极场板的优化击穿特性和反向特性的GaN HEMT器件，包括最下层厚度为1um-5um的第二衬底18a，第二衬底18a之上是厚度为1-3nm的第二AlN层二17a，第二AlN层二17a之上是厚度为500nm-3um的第二GaN缓冲层16a，第二GaN缓冲层16a之上是厚度为厚度1-3nm的第二AlN层一15a、第二源电极1a和第二漏电极11a，第二AlN层一15a之上是厚度为10-30nm 的第二Al

所述第二衬底18a材料为蓝宝石、碳化硅或硅，所述第二Al

所述第二插入氧化层一6a的材质为氧化物Al2O3 ，其高度与源极场板高度一致，宽度为0.3um-2um，所述第二插入氧化层二7a的材质为氧化物SiO2 ，其高度与源极场板高度一致，宽度0.3um-2um。

所述第二源电极1a由金属Ti、Al、Ni和Au制成，四种金属的厚度分别为20nm、100nm、20nm和150nm，所述第二栅电极4a由金属Ni和Au制成，两种金属的厚度分别为20nm和150nm，所述第二漏电极11a、第二漏极场板一9a和第二源极场板2a的材质与源电极1a相同。

所述第二钝化层一12a和第二钝化层二13a都由氧化物Si3N4制成，且二者的结构空隙处以及金属部分均进行钝化覆盖。

具体实施方式及原理：

第一步是采用对器件表面进行清洗。清洗方法是先依次采用丙酮、酒精、去离子水各超声5分钟，去除部分油脂；然后采用1号液APM：NH

第二步是在器件上使用物理气相淀积（ PVD ）蒸镀漏电极11、源电极1，电极材料可以是Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ni/Al/Au或其它金属材料，淀积厚度推荐但不仅限于20nm/100nm/20nm/150nm 。

第三步是台面刻蚀或离子注入。先做光刻（光刻胶厚度应达到3μm以上），然后RIE去残胶；然后采用ICP刻蚀，刻蚀时间20秒，刻蚀深度100- 500nm；然后RIE去残胶，再用盐酸（30% HCl：去离子水=1:5）对表面进行处理1分钟，再氮气吹干后立刻在110 ℃热台上烘烤5分钟。如果采用硼离子注入，则不需要做台面刻蚀，可减少器件的表面损伤。

第四步是栅凹槽刻蚀。该步骤与第三步的刻蚀相同，只是在第三步之后再刻蚀一定的深度，确保2个器件不会产生相互影响，其刻蚀深度在5-30nm。

第五步是氧化层淀积，针对氧化隔离层一3和氧化隔离层二5，材料是Al2O3，采用磁控溅射法淀积厚度5-30nm。

第六步是在器件上使用物理气相淀积（ PVD ）蒸镀栅极电极，电极材料可以是Ni/Au或其它金属材料，淀积厚度推荐但不仅限于20nm/150nm 。

第七步是钝化，并将后一步工艺欧姆接触所需的地方开窗刻蚀露出，钝化使用PECVD进行Si

第八步是在上一步开窗露出的地方制备漏、源场板，采用的步骤也是欧姆接触，工艺方法与第二步相同，单层厚度50-150nm。

第九步钝化，并将后一步工艺欧姆接触所需的地方开窗刻蚀露出，钝化使用PECVD进行Si

第十步是在上一步开窗露出的地方制备插入氧化层一6，采样磁控溅射的方法淀积Al

第十一步，同样地，通过再次开窗，然后淀积插入氧化层二7，采用PECVD进行SiO

第十二步是保护钝化，目的是将有源区以下区域全部由钝化保护起来。使用PECVD进行Si

基于上述，本发明通过设计一个复合双插入层，使电场右移至漏极侧，有效保护栅极和设计的MIS结构肖特基二极管，优化器件的反向击穿特性；并采用双层漏极场板结构，使器件内部电场上移至钝化层，远离器件体材料，进一步优化器件的反向击穿特性；且在凹槽栅式增强型GaN HEMT器件上设计一个集成式MIS结构肖特基二极管，优化反向导通特性，并减小栅极电场，降低栅极被击穿风险。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。