[发明专利]基于质子辐照处理的金刚石基InAlN/GaN高电子迁移率晶体管及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于金刚石衬底的InAlN/GaN高电子迁移率晶体管及制备方法，主要解决现有同类器件界面结合强度差、界面热阻高、工艺流程复杂的问题。其自下而上包括：金刚石衬底(1)、GaN沟道层(2)和InAlN势垒层(3)，InAlN势垒层(3)上同时设有源极(4)、漏极(5)和栅极(6)，该衬底采用晶面取向为(111)晶向的金刚石，以提高器件的散热能力；该GaN沟道层的厚度为20‑30nm；该InAlN势垒层的Al组分为80％‑85％，厚度为10‑15nm。本发明增强了器件的散热能力，降低了界面热阻，提高了器件的工作寿命和稳定性，简化了工艺条件，可用于高频、大功率微波毫米波器件的制备。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种高电子迁移率晶体管，可用于高频、大功率微波毫米波器件的制备。

背景技术

基于GaN的高电子迁移率晶体管HEMT在高功率和高频应用中表现出了卓越的性能，它们通常采用AlGaN/GaN异质结构来制备，为了使GaN HEMT微波功率器件达到更高的工作频率，往往要求器件的栅长缩短到150nm以下甚至50nm或更短的10nm，这时器件的短沟道效应将成为一个重要的问题。为了克服短沟道效应并保持高的沟道导电特性，必须增大势垒层Al组分，然而，高Al组分AlGaN和GaN的晶格失配过大，产生的应力会导致界面粗糙度的增加以及AlGaN势垒层结晶质量的恶化，从而降低二维电子气面密度和迁移率。为解决这一问题，将InAlN用作AlGaN的替代材料，即用铟组分约为17％的InAlN与GaN晶格匹配地生长，以消除界面之间的应力，而且由于InAlN/GaN之间存在强大的自发极化电场，可以提供高密度的二维电子气2DEG。

除了短沟道效应，GaN基HEMT性能的充分发挥还受到Si、蓝宝石这些衬底低热导率的限制，具有高热导率的金刚石，可以作为GaN基HEMT热扩散衬底的优良选择。由于GaN难以直接在金刚石上成核生长，近年来，在金刚石与GaN结合方面开展了很多研究，主要包括低温键合技术、GaN外延层背面直接生长金刚石的衬底转移技术、单晶金刚石外延GaN技术和高导热金刚石钝化层散热技术。低温键合技术具有制备温度低、金刚石衬底导热性能可控的优势，但是大尺寸金刚石衬底的高精度加工和界面结合强度较差。GaN外延层背面直接生长金刚石虽然具有良好的界面结合强度，但是涉及到高温、晶圆应力大、界面热阻高等技术难点。单晶金刚石外延GaN技术和高导热金刚石钝化层散热技术则分别受到单晶金刚石尺寸小、成本高和工艺不兼容的限制。

综上，由于现有技术存在工艺流程复杂、界面结合强度差、界面热阻高、工艺不兼容等问题，从而限制了高散热能力的GaN基HEMT的发展和大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于质子辐照处理的金刚石基InAlN/GaN高电子迁移率晶体管及制备方法，以克服传统工艺流程复杂、界面结合强度差、界面热阻高、工艺不兼容的问题，制备能大规模应用、具有高散热能力的HEMT器件。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

1.一种基于质子辐照处理的金刚石基InAlN/GaN高电子迁移率晶体管，其自下而上包括：衬底，GaN沟道层，InAlN势垒层，InAlN势垒层上同时设有源极、漏极和栅极，其特征在于：

所述衬底，采用晶面取向为(111)晶向的金刚石，以提高器件的散热能力；

所述GaN沟道层，其厚度为20-30nm；

所述InAlN势垒层，其Al组分为80％-85％，厚度为10-15nm。

进一步，所述的源极、漏极和栅极，三者水平分布，且栅极位于源极和漏极之间。

2.一种基于质子辐照处理的金刚石基InAlN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对衬底进行清洗和烘干：