基于氟化石墨烯鈍化的AlGaN/GaN HEMT器件及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子與固體電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于氟化石墨烯鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件及制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高電子遷移率晶體管HEMT (High Electron Mobility Transistor)是一種異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，又稱為調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管(M0DFET)、二維電子氣場效應(yīng)晶體管(2-DEGFET)、選擇摻雜異質(zhì)結(jié)晶體管(SDHT)等。這種器件及其集成電路都能夠工作于超高頻(毫米波)、超高速領(lǐng)域，原因就在于它是利用具有很高迀移率的所謂二維電子氣來工作的。
[0003]HEMT的基本結(jié)構(gòu)就是一個調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)。高迀移率的二維電子氣(2-DEG)存在于調(diào)制摻雜的異質(zhì)結(jié)中，這種2-DEG不僅迀移率很高，而且在極低溫度下也不“凍結(jié)”，則HEMT有很好的低溫性能，可用于低溫研究工作(如分?jǐn)?shù)量子Hall效應(yīng))中。HEMT是電壓控制器件，柵極電壓Vg可控制異質(zhì)結(jié)勢阱的深度，則可控制勢阱中2-DEG的面密度，從而控制著器件的工作電流。對于GaAs體系的HEMT，通常其中的n-AlxGal_xAs控制層應(yīng)該是耗盡的(厚度一般為數(shù)百nm，摻雜濃度為107?10 8/cm3)。若n_AlxGal_xAs層厚度較大、摻雜濃度又高，則在Vg = 0時就存在有2-DEG，為耗盡型器件，反之則為增強(qiáng)型器件(Vg = 0時Schottky耗盡層即延伸到1-GaAs層內(nèi)部)；但該層如果厚度過大、摻雜濃度過高，貝1J工作時就不能耗盡，而且還將出現(xiàn)與S-D并聯(lián)的漏電電阻?？傊?，對于HEMT，主要是要控制好寬禁帶半導(dǎo)體層一控制層的摻雜濃度和厚度，特別是厚度。在考慮HEMT中的2-DEG面密度Ns時，通常只需要考慮異質(zhì)結(jié)勢阱中的兩個二維子能帶(i = 0和1)即可。2-DEG面電荷密度Ns將受到柵極電壓Vg的控制。
[0004]AIGaN/GaN HEMT良好的高頻高功率性能使其在微波功率放大器和高溫數(shù)字電路領(lǐng)域頗具競爭力。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)由于較強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化，在AlGaN/GaN界面處存在高濃度的二維電子氣。與Si基及GaAs基器件相比，AlGaN/GaNHEMT輸出功率密度表現(xiàn)出了一個量級的提高。
[0005]然而，由于表面電子陷阱的存在，未鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件常表現(xiàn)出嚴(yán)重的電流崩塌現(xiàn)象，輸出性能大幅下降。
[0006]基于以上所述，提供一種能夠有效抑制電流崩塌效應(yīng)的AIGaN/GaN HEMT器件及其制作方法實(shí)屬必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于氟化石墨烯鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件及制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中AIGaN/GaN HEMT器件具有比較嚴(yán)重電流崩塌效應(yīng)的問題。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于氟化石墨烯鈍化的AlGaN/GaN HEMT器件，所述HEMT器件包括:基底；GaN層，位于所述基底之上；AlGaN層，結(jié)合于所述GaN層，且與所述GaN層之間的界面形成二維電子氣面；源極及漏極，形成于所述AlGaN層上；絕緣的石墨烯鈍化層，結(jié)合于所述AlGaN層表面；柵介質(zhì)層，結(jié)合于所述絕緣的石墨烯鈍化層表面；以及柵金屬層，結(jié)合于所述柵介質(zhì)層表面。
[0009]作為本發(fā)明的基于氟化石墨烯鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件的一種優(yōu)選方案，所述基底與GaN層之間具有緩沖層。
[0010]作為本發(fā)明的基于氟化石墨烯鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件的一種優(yōu)選方案，所述基底包括(111)晶向的硅襯底。
[0011]作為本發(fā)明的基于氟化石墨烯鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件的一種優(yōu)選方案，所述緩沖層的厚度范圍為2?10 μ m。
[0012]作為本發(fā)明的基于氟化石墨烯鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件的一種優(yōu)選方案，所述柵介質(zhì)層為高K柵介質(zhì)層。
[0013]本發(fā)明還提供一種基于氟化石墨烯鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件的制作方法，包括步驟:1)提供一基底，于所述基底表面依次形成GaN層及AlGaN層，所述GaN層與AlGaN層之間的界面形成二維電子氣面；2)于所述AlGaN層上形成源歐姆接觸以及漏歐姆接觸；3)于所述AlGaN層表面形成石墨烯，并對所述石墨烯進(jìn)行氟化處理形成絕緣的石墨烯鈍化層；4)于所述絕緣的石墨烯鈍化層表面形成柵介質(zhì)層，并于所述柵介質(zhì)層表面形成柵金屬層。5)對器件區(qū)域進(jìn)行臺面隔離；6)于器件表面沉積隔離層；7)于所述隔離層中刻蝕出與源歐姆接觸、漏歐姆接觸及柵金屬層對應(yīng)的窗口 ；8)基于各窗口制作金屬引出電極。
[0014]作為本發(fā)明的基于氟化石墨烯鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件的制作方法的一種優(yōu)選方案，步驟1)還包括在所述基底與GaN層之間形成緩沖層的步驟。
[0015]作為本發(fā)明的基于氟化石墨烯鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件的制作方法的一種優(yōu)選方案，步驟3)于所述AlGaN層表面覆蓋石墨烯的方法有兩種:a、于Cu基底上生長石墨烯，然后將生長在Cu基底上的石墨烯轉(zhuǎn)移到所述AlGaN層表面；或者b、直接在AlGaN表面生長石墨烯。作為本發(fā)明的基于氟化石墨烯鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件的制作方法的一種優(yōu)選方案，步驟3)對所述石墨烯進(jìn)行氟化處理包括步驟:采用SF6等離子體對所述石墨稀進(jìn)行處理，處理時間為60?120s。
[0016]作為本發(fā)明的基于氟化石墨烯鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件的制作方法的一種優(yōu)選方案，所述柵介質(zhì)層為高K柵介質(zhì)層。
[0017]如上所述，本發(fā)明的基于氟化石墨烯鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件及其制作方法，具有以下有益效果:本發(fā)明將單層石墨烯轉(zhuǎn)移到AlGaN表面，經(jīng)過氟離子處理后絕緣，以此替代常規(guī)氮化物鈍化層。然后在石墨烯上生長高k材料，兩者共同作為柵介質(zhì)，制備AlGaN/GaN金屬-絕緣層-半導(dǎo)體(MIS)HEMT器件。石墨烯相比于傳統(tǒng)鈍化結(jié)構(gòu)，具有物理厚度薄(亞納米量級)，附加閾值電壓小的優(yōu)點(diǎn)。同時，單層石墨烯也具有很好的隔離性能，防止生長高k材料的過程中，AlGaN表面被氧化而產(chǎn)生表面陷阱，以達(dá)到鈍化的效果。另外，氟化過程能使石墨烯中引入負(fù)電荷，有利于HEMT器件的閾值電壓正向移動，為實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件提供可能。本發(fā)明結(jié)構(gòu)和方法簡單，效果顯著，在微電子與固體電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0018]圖1顯示為本發(fā)明的基于氟化石墨烯鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件的制作方法步驟流程示意圖。
[0019]圖2?圖5顯示為本發(fā)明的基于氟化石墨烯鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件的制作方法各步驟所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖6及圖7顯示為本發(fā)明的基于氟化石墨烯鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件與無石墨烯鈍化的HEMT器件的1-V性能曲線對比圖。
[0021]元件標(biāo)號說明
[0022]101基底
[0023]102緩沖層
[0024]103GaN 層
[0025]104二維電子氣面
[0026]105AlGaN 層
[0027]106源極
[0028]107漏極
[0029]108絕緣的石墨烯鈍化層
[0030]109柵介質(zhì)層
[0031]110柵金屬層
[0032]S11?S18步驟1)?步驟8)
【具體實(shí)施方式】
[0033]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0034]請參閱圖1?圖7。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖示中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0035]如圖5所示，本實(shí)施例提供一種基于氟化石墨烯鈍化的AIGaN/GaN HEMT器件，所述HEMT器件包括:基底101 ;GaN層103，位于所述基底101之上；AlGaN層104，結(jié)合于所述GaN層103，且與所述GaN層103之間的界面形成二維電子氣面；源極106及漏極107，形成于所述AlGaN層104兩端；絕緣的石墨稀鈍化層108，結(jié)合于所述AlGaN層104表面；柵介質(zhì)層109，結(jié)合于所述絕緣的石墨稀鈍化層108表面；以及柵金屬層110，結(jié)合于所述柵介質(zhì)層109表面。
[0036]如圖5所示，作為示例，所述基底101與GaN層103之間具有緩沖層102。所述緩沖層102可以有效地緩沖基底101與GaN層103之間的應(yīng)力失配以及晶格失配，從而大大提高GaN層103生長的質(zhì)量。
[0037]作為示例，所述基底101包括(111)晶向的硅襯底。當(dāng)然，在其它的實(shí)施例中，所述基底101也可以為SiC襯底等，并不限于此處所列舉的示例。
[0038]作為示例，所述緩沖層102的厚度范圍為2?10 μ m。在本實(shí)施例中，所述緩沖層102的厚度為3.9 μ m0
[0039]作為示例，所述柵介質(zhì)層109為高K柵介質(zhì)層109。所述高Κ柵介質(zhì)層109可以為Α1203、!1?)2等，且并不限于此處所列舉的示例。
[0040]本發(fā)明以絕緣的石墨烯鈍化層108替代常規(guī)氮化物鈍化層，然后在絕緣的石墨烯鈍化層108上生長高k材料，兩者可以共同作為柵介質(zhì)，形成AIGaN/GaN金屬-絕緣層-半導(dǎo)體(MIS)HEMT。石墨烯相比于傳統(tǒng)鈍化結(jié)構(gòu)，具有物理厚度薄(亞納米量級)，附加閾值電壓小的優(yōu)點(diǎn)。同時，單層石墨烯也具有很好的隔