本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件，涉及一種增強型高電子遷移率晶體管及制備方法，具體涉及一種基于scaln的增強型高電子遷移率晶體管及制備方法，可用作微波功率器件和電力電子器件。

背景技術(shù)：

1、高電子遷移率晶體管通常采用傳統(tǒng)的gan/algan異質(zhì)結(jié)中，二維電子氣(2deg)的載流子濃度和遷移率受到材料特性的限制，導(dǎo)致載流子濃度和遷移率有限。這在高頻和高功率應(yīng)用中尤為明顯，因為這些應(yīng)用需要更高的電流密度和更快的開關(guān)速度。傳統(tǒng)ga極性gan材料在生長過程中會在界面處形成高密度的極化電荷，導(dǎo)致界面態(tài)密度較高。高界面態(tài)密度不僅增加了器件的漏電流，還降低了其可靠性和電學(xué)性能。相比之下，n極性gan材料的表面具有較低的極化電荷密度，可以顯著減少界面態(tài)密度和漏電流，提高器件的可靠性和性能。

2、增強型高電子遷移率晶體管是指在施加正向的柵極電壓時開始導(dǎo)通的晶體管。增強型高電子遷移率晶體管實現(xiàn)的方式主要是p-gan、薄勢壘、凹槽柵、氟離子注入、cascode。薄勢壘結(jié)構(gòu)通過減薄勢壘層厚度使得溝道中2deg濃度減小，但是會導(dǎo)致器件導(dǎo)通電阻的增大；凹槽柵技術(shù)和薄勢壘類似，原理是只刻蝕柵下區(qū)域的勢壘層，柵下勢壘層薄到一定程度，則柵下溝道處的2deg濃度可忽略并形成常關(guān)器件，但這種結(jié)構(gòu)減少了柵下方的二維電子氣濃度；無法實現(xiàn)提高閾值電壓的同時提高器件開啟狀態(tài)下的2deg濃度。

3、影響增強型高電子遷移率晶體管性能的主要指標(biāo)包括擊穿電壓、開關(guān)速度、導(dǎo)通損耗、開態(tài)電流、關(guān)態(tài)泄漏電流、閾值電壓，為了提高閾值電壓，例如申請公布號為cn118800795a，名稱為“一種具有雙溝道的增強型氮化鎵hemt器件及其制備方法”的專利文獻，公開了一種能夠有效提升閾值電壓的雙溝道的增強型氮化鎵hemt器件及其制備方法。該發(fā)明通過雙溝道結(jié)構(gòu)使兩個溝道的電流在漏極匯合，從而得到更大的飽和電流，通過該器件的p型gan(氮化鎵)背勢壘層對第一溝道中的2deg(二維電子氣)有輔助耗盡作用，將背勢壘層結(jié)合mis柵極或在勢壘層上方插入的p-gan柵極，實現(xiàn)了對柵極下方2deg的耗盡作用，二者共同實現(xiàn)器件增強型；結(jié)合場板和柵場板，對柵極和漏極之間的電場進行調(diào)制。該發(fā)明通過優(yōu)化柵極和漏極之間的電場分布，提高了增強型氮化鎵hemt器件的閾值電壓，但由于半導(dǎo)體層的界面處，存在界面態(tài)導(dǎo)致電流泄漏，閾值電壓仍然較低，且由于采用p型gan背勢壘層，影響了柵極邊緣電場峰值的提高，進而導(dǎo)致增強型高電子遷移率晶體管開啟狀態(tài)下2deg濃度較差。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出了一種基于scaln的增強型高電子遷移率晶體管及制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的晶體管閾值電壓和開啟狀態(tài)下電流密度較低的技術(shù)問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

3、一種基于scaln的增強型高電子遷移率晶體管，包括自下而上依次層疊的襯底、緩沖層、漸變層、勢壘層、成核層和溝道層，以及設(shè)置在溝道層上的漏極d和源極s，漏極d與源極s之間設(shè)置有帽層，該帽層上設(shè)置有柵極g；

4、作為優(yōu)選，所述漸變層，采用al的組分為0～0.38，厚度為20nm～30nm的lnaln；所述勢壘層，采用sc組分為0.16～0.18，厚度為5nm～10nm的scaln；所述溝道層，采用厚度為10nm～15nm的n極性gan材料；所述帽層，采用厚度為10nm～30nm的scaln。

5、作為優(yōu)選，所述襯底、緩沖層、成核層和鈍化層，其中襯底采用厚度為300μm～600μm的si或藍寶石；緩沖層采用厚度為1μm～1.5μm的gan；成核層采用厚度為2nm～4nm的aln；鈍化層采用厚度為0.1μm～1μm的sio2或si3n4。

6、作為優(yōu)選，所述溝道層，其中的漏極d和源極s采用厚度為10～80nm/70～200nm/30～50nm/40～70nm的ti/al/ni/au；柵極g采用厚度為20～80nm/60～300nm的ni/au。

7、一種增強型高電子遷移率晶體管的制備方法，包括如下步驟：

8、(1)在備用襯底上沉積外延片：

9、將aln、gan、n極性gan、aln、scaln、lnaln、gan自下而上依次沉積在備用襯底上的上表面上，形成包括備用襯底和由aln成核層、gan緩沖層、n極性gan溝道層、aln成核層、scaln勢壘層、lnaln漸變層和gan鍵合帽層層疊的外延片的復(fù)合結(jié)構(gòu)；

10、(2)對復(fù)合結(jié)構(gòu)與襯底進行異質(zhì)鍵合后進行刻蝕：

11、對復(fù)合結(jié)構(gòu)與襯底進行異質(zhì)鍵合，并對異質(zhì)鍵合后的鍵合體中的備用襯底和gan緩沖層進行刻蝕，然后對刻蝕后的鍵合體進行退火處理，得到暴露出gan溝道層表面的鍵合體；

12、(3)制備增強型高電子遷移率晶體管的電極：

13、對步驟(2)得到的鍵合體的溝道層表面沉積一層scain后對其進行選區(qū)刻蝕，并在沉積scain帽層的鍵合體上制備增強型高電子遷移率晶體管的漏極d、源極s和柵極g，得到暴露n極性gan溝道層表面的基本器件結(jié)構(gòu)；

14、(4)獲取增強型高電子遷移率晶體管的制備結(jié)果：

15、在步驟(2)得到的基本器件結(jié)構(gòu)n極性gan表面的裸露部位淀積sio2或si3n4鈍化層，得到增強型高電子遷移率晶體管。

16、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：

17、1)本發(fā)明n極性gan/scaln異質(zhì)結(jié)的溝道層上所生長的寬帶隙scaln帽層，能夠誘導(dǎo)足夠的負極化電荷在柵極下方形成電勢阱，有效地耗盡溝道層中2deg的濃度，進而提高了晶體管的閾值電壓，與現(xiàn)有技術(shù)相比，有效提高晶體管在關(guān)態(tài)下的穩(wěn)定性和可靠性。

18、2)本發(fā)明勢壘層所采用的scaln寬禁帶材料具有更強的極化效應(yīng)，有助于在異質(zhì)界面處形成更高的2deg濃度，從而提高器件的電流密度。

19、3)本發(fā)明溝道層所采用的n極性gan材料具有更好的界面質(zhì)量，可以減少界面態(tài)密度，載流子受到的散射減少，提高了載流子遷移率，溝道層的方塊電阻更低，避免了現(xiàn)有技術(shù)所采用的ga極性gan材料工作時能耗較高的缺陷。

技術(shù)特征：

1.一種基于scaln的增強型高電子遷移率晶體管，包括自下而上依次層疊的襯底、緩沖層、漸變層、勢壘層、成核層和溝道層，以及設(shè)置在溝道層上的漏極d和源極s，漏極d與源極s之間設(shè)置有帽層，該帽層上設(shè)置有柵極g；其特征在于，所述漸變層采用al的組分為0～0.38且厚度為20nm～30nm的allnn；所述勢壘層采用sc組分為0.16～0.18且厚度為5nm～10nmscaln；所述溝道層采用厚度為10nm～15nm的n極性gan材料；所述帽層采用厚度為10nm～30nm的scaln。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強型高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述襯底、緩沖層、成核層和鈍化層，其中襯底采用厚度為300μm～600μm的si或藍寶石；緩沖層采用厚度為1μm～1.5μm的gan；成核層采用厚度為2nm～4nm的aln；鈍化層采用厚度為0.1μm～1μm的sio2或si3n4。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強型高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述溝道層，其中的漏極d和源極s采用厚度為10～80nm/70～200nm/30～50nm/40～70nm的ti/al/ni/au；柵極g采用厚度為20～80nm/60～300nm的ni/au。

4.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述增強型高電子遷移率晶體管的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述的將aln、gan、n極性gan、aln、scaln、allnn、gan自下而上依次沉積在備用襯底上的上表面上，其中沉積aln、gan、n極性gan、gan采用金屬有機物化學(xué)氣相mocvd方法，并通過填充nh3、tmal、tmga的腔體實現(xiàn)的，具體為：

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述的將aln、gan、n極性gan、aln、scaln、allnn、gan自下而上依次沉積在備用襯底上的上表面上，其中沉積lnaln、scaln采用分子束外延生長mbe方法，并通過填充sc源、n源、al源、ln源的腔體實現(xiàn)的，具體為：

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述的對復(fù)合結(jié)構(gòu)與襯底進行異質(zhì)鍵合，在鍵合前在復(fù)合結(jié)構(gòu)中的鍵合帽層和襯底分別涂抹sog，以實現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)與襯底的可靠粘接。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述的對異質(zhì)鍵合后的鍵合體中的備用襯底和gan緩沖層進行刻蝕，采用等離子刻蝕icp方法，并通過填充sf6、bcl3、cl2和o2的腔體實現(xiàn)的，實現(xiàn)步驟為：

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(3)中所述的制備增強型高電子遷移率晶體管的電極，實現(xiàn)步驟為：

10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(4)中所述的鈍化層，其中淀積si3n4采用等離子增強化學(xué)氣相沉積pecvd方法，并通過填充sih4和nh3的腔體實現(xiàn)的，實現(xiàn)條件為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種基于ScAlN的增強型高電子遷移率晶體管及制備方法，所制備的晶體管中包括AllnN漸變層、ScAlN勢壘層和帽層以及GaN溝道層；制備方法包括備用襯底上沉積外延片；對鍵合體進行刻蝕；制備晶體管的電極并獲取制備結(jié)果。本發(fā)明N極性GaN/ScAlN異質(zhì)結(jié)的溝道層上所生長的寬帶隙ScAlN帽層，能夠誘導(dǎo)足夠的負極化電荷在柵極下方形成電勢阱，有利于消耗溝道層中2DEG的濃度以提高晶體管的閾值電壓；ScAlN寬禁帶材料具有更強的極化效應(yīng)，有助于在異質(zhì)界面處形成更高的2DEG濃度，從而提高器件的電流密度；N極性GaN材料具有更好的界面質(zhì)量，可以降低Ga極性GaN材料工作時的能耗。

技術(shù)研發(fā)人員：馮欣,殷梓航,周弘,張葦杭,董鵬飛,吳銀河,劉先河,劉志宏,張進成,郝躍
受保護的技術(shù)使用者：西安電子科技大學(xué)廣州研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8