高电子迁移率晶体管及其制备方法与流程

1.本技术涉及高电子迁移率晶体管技术领域，具体涉及一种钝化层、其制备方法和高电子迁移率晶体管组件。


背景技术：

2.随着科技水平的提高，对半导体材料的性能要求越来越高，基于氮化物半导体材料的电子器件可满足更高频率、更高功率电子器件的需求，并能提高器件的性能。因为algan/gan异质结构的二维电子气密度高和电子迁移率高，使其在大功率微波器件方面有非常好的应用前景。但是，仍然存在一系列问题阻碍其发展及应用。其中最严重的就是电流崩塌现象，电流崩塌现象使器件在高频下工作时，输出功率大幅度降低。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，本技术提供一种高电子迁移率晶体管及其制备方法、钝化层，可以有效的抑制电流崩塌现象。
4.第一方面，本技术提供了一种高电子迁移率晶体管。高电子迁移率晶体管组件包括衬底、外延层和钝化层。外延层设置在衬底的表面，外延层至少包括沿远离衬底方向层叠的两层异质结构。钝化层设置在外延层远离衬底的一侧。其中，钝化层的材料为alon。钝化层中的n元素浓度沿远离衬底的方向降低。
5.第二方面，本技术提供了一种高电子迁移率晶体管组件的制备方法。制备方法包括如下步骤：
6.提供一衬底。
7.在衬底的表面设置外延层。
8.在外延层远离衬底的一侧设置钝化层；钝化层的材料为alon；钝化层中的n元素浓度沿远离衬底的方向降低。
9.本技术的有益效果是：将钝化层设置在外延层远离衬底的一侧；其中，钝化层的材料为alon；钝化层中的n元素浓度沿远离衬底的方向降低。靠近外延层表面的高n浓度具有很好的钝化效果，而最外层高氧浓度的alon拥有更好的热稳定性和抗氧化性。此外，钝化层降低了界面态缺陷，改善高电子迁移率晶体管器件的电流崩塌现象，并降低了高电子迁移率晶体管器件在瞬态测试中的动态电阻突增的概率，降低了高频工作失效情况，并提高了高电子迁移率晶体管器件的稳定性。
10.上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。
附图说明
11.通过阅读对下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普
effect transistor，2-degfet)、选择掺杂异质结晶体管(selectively-doped heterojunction transistor，sdht)等。这种器件及其集成电路都能够工作于超高频(毫米波)、超高速领域，原因就在于它是利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。
31.请参阅图1，图1为本技术一些实施例的高电子迁移率晶体管的结构示意图。
32.高电子迁移率晶体管组件100包括衬底10、外延层20和钝化层30。外延层20设置在衬底10的表面，外延层10至少包括沿远离衬底方向层叠的两层异质结构。钝化层30设置在外延层20远离衬底10的一侧。其中，钝化层30的材料为氮氧化铝(alon)。钝化层30中的n元素浓度沿远离衬底10的方向降低。
33.其中，衬底10可以是单晶硅或者蓝宝石等半导体衬底，也可以是氮化镓等氮化物衬底。
34.通过设置钝化层30，钝化层30的材料为alon且钝化层30中的n元素浓度沿远离衬底10的方向降低。靠近外延层20表面的高n浓度具有很好的钝化效果，而最外层高氧浓度的alon拥有更好的热稳定性和抗氧化性。此外，钝化层30降低了界面态缺陷，改善高电子迁移率晶体管器件电流崩塌现象，并降低了器件在瞬态测试中的动态电阻突增的概率，降低了高频工作失效情况，并提高了高电子迁移率晶体管器件的稳定性。
35.如图2所示，图2为本技术一些实施例的高电子迁移率晶体管的结构示意图。外延层20可以包括依次层叠设置的缓冲层201、沟道层202和势垒层203。缓冲层201、沟道层202和势垒层203的材料均可以是氮化物。例如，缓冲层201的材料是gan，沟道层202的材料是gan，势垒层203的材料是algan等。
36.如图3所示，图3为本技术一些实施例的高电子迁移率晶体管的结构示意图。钝化层30包括多层沿远离衬底方向堆叠的钝化分层301。其中，相邻的两层钝化分层301之间，靠近外延层10的钝化分层301的n元素浓度大于远离外延层10的钝化分层301的n元素浓度。例如，钝化分层301的数量可以是2层、3层、4层、5层、6层等。通过设置多层钝化分层301，且相邻的两层钝化分层301之间，靠近外延层10的钝化分层301的n元素浓度大于远离外延层10的钝化分层301的n元素浓度，钝化分层301不仅会显著增加异质结二维电子气密度，还会明显提高二维电子气迁移率，同时，钝化后二维电子气密度的温度稳定性也更好。这是因为含有alon的钝化层30中产生的极化电荷可以改变外延层20的表面电势，进而使得外延层20的表面电荷能级保持在费米能级之上，成功避免了负电中心的产生。
37.如图4所示，图4为本技术一些实施例的高电子迁移率晶体管的结构示意图。钝化分层301包括沿远离衬底10方向上堆叠的至少一层aln层3011和至少一层alo
x
层3012。例如，钝化分层301可以包括沿远离衬底10方向上堆叠的2层aln层3011和3层alo
x
层3012。具有至少一层aln层3011和至少一层alo
x
层3012的钝化分层301，相对纯aln层拥有更好的热稳定性和抗氧化性，相对于纯alo
x
层拥有更好的钝化效果，有效抑制电流崩塌效应。
38.在一些实施例中，相邻的两层钝化分层301之间，靠近外延层20的钝化分层301中aln层3011与alo
x
层3012之间的比例大于远离外延层的钝化分层中aln层3011与alo
x
层3012之间的比例。例如，靠近外延层20的钝化分层301中aln层3011与alo
x
层3012之间的比例为2:1，远离外延层的钝化分层中aln层3011与alo
x
层3012之间的比例为1:1。通过设置靠近外延层20的钝化分层301中aln层3011与alo
x
层3012之间的比例大于远离外延层的钝化分层中aln层3011与alo
x
层3012之间的比例，能够使得靠近外延层20的钝化分层301中的n元素
浓度更高。
39.在一些实施例中，在钝化分层301中，aln层3011与alo
x
层3012之间可以是多层aln层3011沿远离衬底10的方向堆叠设置，alo
x
层3012也是沿远离衬底10的方向堆叠设置，只要aln层3011与alo
x
层3012之间的比例满足所设置的比例即可。
40.在一些实施例中，aln层3011与alo
x
层3012之间交替设置。aln层3011与alo
x
层3012之间交替设置，可以控制钝化分层301中的n、o浓度。因而，具有不同元素浓度梯度alon钝化层30，相对纯aln层拥有更好的热稳定性和抗氧化性，相对于纯alo
x
层拥有更好的钝化效果，有效抑制电流崩塌效应。
41.如图5所示，图5为本技术一些实施例的高电子迁移率晶体管的结构示意图。钝化层30为沿远离衬底10方向上依次层叠的第一钝化分层310、第二钝化分层320和第三钝化分层330。第一钝化分层的aln层3011和alo
x
层的层数比为2:1，第二钝化分层的aln层3011和alo
x
层的层数比为1:1、第三钝化分层的aln层3011和alo
x
层的层数比为2:3。其中，第一钝化分层的aln层3011和alo
x
层可以分别是2层和1层、4层和2层等。第二钝化分层的aln层3011和alo
x
可以分别是2层和2层、3层和3层等。第三钝化分层的aln层3011和alo
x
可以分别是2层和3层、4层和6层等。通过设置第一钝化分层310、第二钝化分层320和第三钝化分层330，且第一钝化分层的aln层3011和alo
x
层的层数比为2:1，第二钝化分层的aln层3011和alo
x
层的层数比为1:1、第三钝化分层的aln层3011和alo
x
层的层数比为2:3，达到远离衬底10方向上n浓度的依次减少，进而起到梯度性的钝化效果和热稳定性和抗氧化性。
42.如图6所示，图6为本技术一些实施例的高电子迁移率晶体管的结构示意图。钝化层30为沿远离衬底方向上依次层叠的第四钝化分层340、第五钝化分层350和第六钝化分层360。第四钝化分层340中的n元素浓度的浓度大于第五钝化分层350中的n元素浓度，第五钝化分层350中的n元素浓度大于第六钝化分层360中的n元素浓度。
43.在一些实施例中，第四钝化分层340的n元素浓度为30％-50％，第五钝化分层350的n元素浓度为20％-30％、第六钝化分层360的n元素浓度为10％-20％。第四钝化分层21的n元素浓度可以为30％，33.5％，35％，36％，37.5％，38％，40％，42.5％，44％，45％，47.5％，50％等，或是上述任意数值所组成的范围，例如可以是30％-33.5％，35％-36％，37.5％-38％，40％-42.5％，44％-45％，47.5％-50％等。第五钝化分层22的n元素浓度可以为20％，21.5％，23％，25％，26.5％，28.5％，29％，30％等，或是上述任意数值所组成的范围，例如可以是20％-21.5％，23％-25％，26.5％-28.5％，29％-30％等。第六钝化分层22的n元素浓度可以为10％，12.5％，13％，14％，16.5％，17.5％，18％，20％等，或是上述任意数值所组成的范围，例如可以是10％-12.5％，12.5％-14％，16.5％-18％，18％-20％等。将第四钝化分层340的n元素浓度、第五钝化分层350的n元素浓度、第六钝化分层360的n元素浓度选定在以上浓度，可以达到远离衬底10方向上n浓度的依次减少，进一步起到梯度性的钝化效果和热稳定性和抗氧化性。
44.如图7所示，图7为本技术一些实施例的高电子迁移率晶体管的制备方法的流程示意图。制备方法包括如下步骤：
45.s10：提供一衬底。
46.其中，衬底10可以是单晶硅或者蓝宝石等半导体衬底，也可以是氮化镓等氮化物衬底。
47.s20：在衬底的表面设置外延层。
48.其中，外延层20可以包括依次层叠设置的缓冲层201、沟道层202和势垒层203。缓冲层201、沟道层202和势垒层203的材料均可以是氮化物。例如，缓冲层201的材料是gan，沟道层202的材料是gan，势垒层203的材料是algan等。
49.s30：在外延层远离衬底的一侧设置钝化层；钝化层的材料为alon；钝化层中的n元素浓度沿远离衬底的方向降低。
50.例如，沿远离衬底的方向的n元素浓度由30％-50％降低至10％-20％。
51.如图8所示，图8为本技术一些实施例的高电子迁移率晶体管的制备方法的流程示意图。在外延层远离衬底的一侧设置钝化层，包括：
52.s301：在外延层远离衬底的一侧设置多层沿远离衬底方向堆叠的钝化分层。
53.其中，钝化层的材料为alon，相邻的两层钝化分层之间，靠近外延层的钝化分层的n元素浓度大于远离外延层的钝化分层的n元素浓度。
54.如图9所示，图9为本技术一些实施例的高电子迁移率晶体管的制备方法的流程示意图。在外延层远离衬底的一侧设置多层沿远离衬底方向堆叠的钝化分层，包括：
55.s302：在外延层远离衬底的一侧，设置多层沿远离衬底方向堆叠的钝化分层，在钝化分层内设置沿远离衬底方向上堆叠的至少一层aln层和至少一层alo
x
层。
56.例如，钝化分层301可以包括沿远离衬底10方向上堆叠的2层aln层3011和3层alo
x
层3012。
57.如图10所示，图10为本技术一些实施例的高电子迁移率晶体管的制备方法的流程示意图。在外延层远离衬底的一侧设置多层沿远离衬底方向堆叠的钝化分层，还包括：
58.s303：在相邻的两层钝化分层之间，靠近外延层的钝化分层中aln层与alo
x
层之间的比例大于远离外延层的钝化分层中aln层与alo
x
之间的比例。
59.例如，靠近外延层20的钝化分层301中aln层3011与alo
x
层3012之间的比例为2:1，远离外延层的钝化分层中aln层3011与alo
x
层3012之间的比例为1:1。
60.如图11所示，图11为本技术一些实施例的高电子迁移率晶体管的制备方法的流程示意图。在钝化分层内设置沿远离衬底方向上堆叠的至少一层aln层和至少一层alo
x
层，包括：
61.s3021：在钝化分层内设置沿远离衬底方向上堆叠的至少一层aln层和至少一层alo
x
层，aln层与alo
x
层之间交替设置。
62.如图12所示，图12为本技术第十二实施例的高电子迁移率晶体管的制备方法的流程示意图。设置多层沿远离衬底方向堆叠的钝化分层，包括：
63.s3011：沿远离衬底方向上依次层叠的第一钝化层、第二钝化层和第三钝化分层；第一钝化分层的aln层和alo
x
层的层数比为2:1，第二钝化分层的aln层和alo
x
层的层数比为1:1、第三钝化分层的aln层和alo
x
层的层数比为2:3。
64.例如，第一钝化分层的aln层3011和alo
x
层可以分别是2层和1层、4层和2层等。第二钝化分层的aln层3011和alo
x
可以分别是2层和2层、3层和3层等。第三钝化分层的aln层3011和alo
x
可以分别是2层和3层、4层和6层等。
65.如图13所示，图13为本技术一些实施例的高电子迁移率晶体管的制备方法的流程示意图。在钝化分层内设置沿远离衬底方向上堆叠的至少一层aln层和至少一层alo
x
层，包
括：
66.在钝化分层内设置沿远离衬底方向上堆叠的至少一层aln层和至少一层alo
x
层。具体可以包括如下步骤：
67.s3022：采用原子层沉积法，向反应腔中通入铝源气体和氧源气体，形成alo
x
层。
68.铝源气体包括三甲基铝气体等；氧源气体包括o2、o3等。
69.s3023：采用原子层沉积法，向反应腔中通入铝源气体和氮源气体，形成aln层。氮源气体包括：nh3和n2。
70.在一些实施例中，控制反应腔的温度为300℃-400℃；在一些实施例中，控制反应腔的温度为340℃-350℃；在一些实施例中，控制反应腔的温度为345℃。
71.综上所述，本技术通过将钝化层30设置在外延层20远离衬底10的一侧；其中，钝化层的材料为alon；钝化层30中的n元素浓度沿远离衬底10的方向降低。靠近外延层20表面的高n浓度具有很好的钝化效果，而最外层高氧浓度的alon拥有更好的热稳定性和抗氧化性。此外，钝化层30降低了界面态缺陷，改善高电子迁移率晶体管器件100的电流崩塌现象，并降低了高电子迁移率晶体管器件100在瞬态测试中的动态电阻突增的概率，降低了高频工作失效情况，并提高了高电子迁移率晶体管器件100的稳定性。
72.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
73.以上仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述高电子迁移率晶体管组件包括：衬底；外延层，设置在所述衬底的表面，所述外延层至少包括沿远离所述衬底方向层叠的两层异质结构；钝化层，设置在所述外延层远离所述衬底的一侧；其中，所述钝化层的材料为alon；所述钝化层中的n元素浓度沿远离所述衬底的方向降低。2.如权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述钝化层包括多层沿远离所述衬底方向堆叠的钝化分层，其中，相邻的两层所述钝化分层之间，靠近所述外延层的所述钝化分层的n元素浓度大于远离所述外延层的所述钝化分层的n元素浓度。3.如权利要求2所述的高电子迁移晶体管，其特征在于，所述钝化分层包括沿远离所述衬底方向上堆叠的至少一层aln层和至少一层alo
x
层。4.如权利要求3所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，相邻的两层所述钝化分层之间，靠近所述外延层的所述钝化分层中所述aln层与所述alo
x
层之间的比例大于远离所述外延层的所述钝化分层中所述aln层与所述alo
x
之间的比例。5.如权利要求3或4所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述aln层与所述alo
x
层之间交替设置。6.如权利要求5所述的高电子迁移晶体管，其特征在于，所述钝化层为沿远离所述衬底方向上依次层叠的第一钝化分层、第二钝化分层和第三钝化分层；第一钝化分层的aln层和alo
x
层的层数比为2:1，第二钝化分层的aln层和alo
x
层的层数比为1:1、第三钝化分层的aln层和alo
x
层的层数比为2:3。7.如权利要求2所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述钝化层为沿远离所述衬底方向上依次层叠的第四钝化分层、第五钝化分层和第六钝化分层，所述第四钝化分层中的n元素浓度的浓度大于所述第五钝化分层中的n元素浓度，所述第五钝化分层中的n元素浓度大于所述第六钝化分层中的n元素浓度。8.如权利要求7所述的高电子迁移率晶体管组件，其特征在于，第四钝化分层的n元素浓度为30％-50％，第五钝化分层的n元素浓度为20％-30％、第六钝化分层的n元素浓度为10％-20％。9.一种高电子迁移率晶体管组件的制备方法，其特征在于，包括：提供一衬底；在衬底的表面设置外延层；在所述外延层远离所述衬底的一侧设置钝化层；所述钝化层的材料为alon；所述钝化层中的n元素浓度沿远离所述衬底的方向降低。10.如权利要求9所述的高电子迁移率晶体管组件的制备方法，其特征在于，所述在所述外延层远离所述衬底的一侧设置钝化层，包括：在所述外延层远离所述衬底的一侧设置多层沿远离所述衬底方向堆叠的钝化分层；其中，相邻的两层所述钝化分层之间，靠近所述外延层的所述钝化分层的n元素浓度大于远离所述外延层的所述钝化分层的n元素浓度。11.如权利要求10所述的高电子迁移率晶体管组件的制备方法，其特征在于，所述在所述外延层远离所述衬底的一侧设置多层沿远离所述衬底方向堆叠的钝化分层，包括：
在所述外延层远离所述衬底的一侧，设置多层沿远离所述衬底方向堆叠的钝化分层，在所述钝化分层内设置沿远离所述衬底方向上堆叠的至少一层aln层和至少一层alo
x
层。12.如权利要求10所述的高电子迁移率晶体管组件的制备方法，其特征在于，所述在所述外延层远离所述衬底的一侧设置多层沿远离所述衬底方向堆叠的钝化分层，还包括：在相邻的两层所述钝化分层之间，靠近所述外延层的所述钝化分层中所述aln层与所述alo
x
层之间的比例大于远离所述外延层的所述钝化分层中所述aln层与所述alo
x
之间的比例。13.如权利要求11或12所述的高电子迁移率晶体管组件的制备方法，其特征在于，所述在所述钝化分层内设置沿远离所述衬底方向上堆叠的至少一层aln层和至少一层alo
x
层，包括：在所述钝化分层内设置沿远离所述衬底方向上堆叠的至少一层aln层和至少一层alo
x
层，所述aln层与所述alo
x
层之间交替设置。14.如权利要求11所述的高电子迁移率晶体管组件的制备方法，其特征在于，所述设置多层沿远离所述衬底方向堆叠的钝化分层，包括：沿远离所述衬底方向上依次层叠的第一钝化层、第二钝化层和第三钝化分层；第一钝化分层的aln层和alo
x
层的层数比为2:1，第二钝化分层的aln层和alo
x
层的层数比为1:1、第三钝化分层的aln层和alo
x
层的层数比为2:3。15.如权利要求11所述的高电子迁移率晶体管组件的制备方法，其特征在于，所述在所述钝化分层内设置沿远离所述衬底方向上堆叠的至少一层aln层和至少一层alo
x
层，包括：在所述钝化分层内设置沿远离所述衬底方向上堆叠的至少一层aln层和至少一层alo
x
层；其中，采用原子层沉积法，向反应腔中通入铝源气体和氧源气体，形成所述alo
x
层；采用原子层沉积法，向反应腔中通入铝源气体和氮源气体，形成所述aln层。16.一种钝化层，应用于具有包含异质结构的外延层的高电子迁移晶体管上，所述钝化层设置在所述外延层上，其特征在于，所述钝化层的材料为alon；所述钝化层中的n元素浓度沿远离所述衬底的方向降低。

技术总结
本申请公开了一种高电子迁移率晶体管及其制备方法、钝化层。高电子迁移率晶体管组件包括衬底、外延层和钝化层。外延层设置在衬底的表面，外延层至少包括沿远离衬底方向层叠的两层异质结构。钝化层设置在外延层远离衬底的一侧。其中，钝化层的材料为AlON。钝化层中的N元素浓度沿远离衬底的方向降低。制备方法包括如下步骤：提供一衬底；在衬底的表面设置外延层；在外延层远离衬底的一侧设置钝化层，钝化层的材料为AlON，钝化层中的N元素浓度沿远离衬底的方向降低。通过上述方式，本申请提供的高电子迁移率晶体管降低了界面态缺陷，改善高电子迁移率晶体管电流崩塌现象，避免高频工作失效情况，并提高了高电子迁移率晶体管的稳定性。性。性。


技术研发人员：陈东坡 廖楚剑 叶念慈 刘成
受保护的技术使用者：湖南三安半导体有限责任公司
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/13