基于溅射AlON金刚石基板的HEMT器件及其制备方法

1400w。
15.在本发明的一个实施例中，所述氧气、氩气和氮气的流量分别为2-4sccm、 50-80sccm和50-80sccm。
16.在本发明的一个实施例中，所述溅射alon过渡层的厚度为10-100nm。
17.在本发明的一个实施例中，在所述溅射alon过渡层上依次生长gan缓冲层、algan势垒层以及gan帽层，包括：
18.采用mocvd工艺在所述溅射alon过渡层上生长厚度为1-3μm的gan 缓冲层；
19.采用mocvd工艺在所述gan缓冲层上生长厚度为20-60nm的algan势垒层；
20.采用mocvd工艺在所述algan势垒层上生长厚度为2-6nm的gan帽层。
21.在本发明的一个实施例中，在所述gan帽层上制作金属电极，包括：
22.在所述gan帽层两边制作源漏电极；
23.在所述gan帽层中间制作栅电极。
24.在本发明的一个实施例中，在所述gan帽层两边制作源漏电极，包括：
25.在外延片上光刻出源漏区；
26.采用电子束蒸发工艺在所述外延片上依次淀积ti/al/ni/au源漏金属层；
27.将整个外延片放入热退火炉内，在450℃的温度下退火30s，以形成源漏电极。
28.在本发明的一个实施例中，在所述gan帽层中间制作栅电极，包括：
29.在外延片上光刻出栅极区；
30.采用电子束蒸发工艺在所述外延片上依次淀积ti/au金属层，以形成栅电极。
31.本发明的另一个实施例提供了一种基于溅射alon/金刚石基板的 hemt器件，所述器件结构自下而上包括：金刚石衬底、溅射alon过渡层、gan缓冲层、algan势垒层、gan帽层、源漏电极以及栅电极，其中，所述基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件由上述实施例所述的制备方法制备而成
32.本发明的有益效果：
33.1、本发明通过在金刚石衬底与gan缓冲层之间引入溅射alon过渡层，可以实现在金刚石衬底上直接生长gan及其异质结构，避免了传统方法中的衬底剥离和键合技术对器件造成的影响，提高了器件性能，且工艺简单；
34.2、本发明在金刚石衬底与gan缓冲层之间引入溅射alon作为过渡层，还可以很好的调节异质结构中应力，进一步提高器件质量；
35.3、本发明选用金刚石衬底作为器件的底板可以大大提高器件的散热能力，有利于大规模集成。
36.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
37.图1是本发明实施例提供的一种基于溅射alon/金刚石基板的hemt 器件制备方法流程示意图；
38.图2是本发明实施例提供的一种基于溅射alon/金刚石基板的hemt 器件结构示意图；
39.图3a-3f是本发明实施例提供的基于溅射alon/金刚石基板的hemt 器件制备过程
示意图。
具体实施方式
40.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
41.实施例一
42.请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件制备方法流程示意图，包括：
43.s1：获取金刚石衬底并进行预处理。
44.具体地，选取一定晶向的金刚石衬底，并将其依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗2-10min，然后用氮气吹干。
45.本实施例选用金刚石衬底作为器件的底板，是由于金刚石衬底较高的热导率，可以大大提高器件的散热能力，有利于大规模集成。
46.s2：在金刚石衬底表面形成溅射alon过渡层。
47.由于金刚石材料与gan材料相差太大，直接生长很难长上去，因此，本实施例采取磁控溅射工艺在金刚石衬底上溅射一层alon过渡层。
48.具体地，将金刚石衬底放入磁控溅射炉内，并通入氧气、氩气和氮气的混合气体，以在金刚石衬底上形成alon过渡层；其中，溅射炉内气压为50-80torr，溅射功率为1000-1400w，氧气、氩气和氮气的流量分别为2-4sccm、 50-80sccm和50-80sccm。
49.进一步地，溅射alon过渡层的厚度为10-100nm。
50.s3：在溅射alon过渡层上依次生长gan缓冲层、algan势垒层以及gan 帽层，具体包括：
51.s31：采用mocvd工艺在溅射alon过渡层上生长厚度为1-3μm的gan 缓冲层。
52.具体地，将已经溅射好alon过渡层的基板放入金属有机化学气相淀积(mocvd)反应室中，在反应室温度为950-1100℃的条件下，同时通入流量为2500-3500sccm的氨气和流量为150-180sccm的镓源，在保持压力为 20-60torr的条件下，在溅射alon过渡层上生长厚度为1-3μm厚的gan缓冲层。
53.s32：采用mocvd工艺在gan缓冲层上生长厚度为20-60nm的algan 势垒层。
54.将步骤s31得到的样品放入mocvd反应室中，在反应室温度为 950-1100℃的条件下，同时通入流量为1000-1200sccm的氨气，流量为 40-80sccm的镓源以及流量为20-40sccm的铝源这三种气体，在保持压力为 20-60torr的条件下，在gan缓冲层上生长厚度为20-60nm的algan势垒层。
55.s33：采用mocvd工艺在algan势垒层上生长厚度为2-6nm的gan帽层。
56.将步骤s32得到的样品继续放入mocvd反应室中，保持反应室温度为 950-1100℃，同时通入流量为2500-3500sccm的氨气和流量为150-180sccm的镓源，保持反应式压力为20-60torr的条件下，在algan势垒层上生长厚度为2-6nm的gan帽层。
57.s4：在gan帽层上制作金属电极以完成器件的制备，包括：
58.s41：在gan帽层两边制作源漏电极。
59.首先，在外延片上光刻出源漏区。
60.然后，采用电子束蒸发工艺在外延片上依次淀积ti/al/ni/au源漏金属层；其中，ti/al/ni/au金属层，厚度为分别40/140/25/50nm；
61.最后，将整个外延片放入热退火炉内，在450℃的温度下退火30s，以形成源漏电极。
62.s42：在gan帽层中间制作栅电极。
63.首先，在外延片上光刻出栅极区；
64.然后，采用电子束蒸发工艺在外延片上依次淀积ti/au金属层，以形成栅电极。其中，ti/au金属层的厚度分别为50/100nm。
65.至此，完成基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件的制备。
66.本实施例通过在金刚石衬底与gan缓冲层之间引入溅射alon过渡层，可以实现在金刚石衬底上直接生长gan及其异质结构，避免了传统方法中的衬底剥离和键合技术对器件造成的影响，提高了器件性能，且工艺简单；同时，溅射alon过渡层还可以很好的调节异质结构中应力，进一步提高器件质量。
67.实施例二
68.在上述实施例一的基础上，本实施例提供了一种基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件。请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件结构示意图，该器件结构自下而上包括：金刚石衬底、溅射alon过渡层、gan缓冲层、algan势垒层、gan 帽层、源漏电极以及栅电极。其中，alon过渡层的厚度为10-100nm，gan 缓冲层的厚度为1-3μm，algan势垒层的厚度为20-60nm，gan帽层的厚度为2-6nm。
69.本实施例提供的基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件可由上述实施例一提供的制备方法制备而成，具体制备过程在此不再赘述。
70.实施例三
71.下面以制备alon过渡层厚度为10nm的gan基hemt器件为例对上述实施例一提供的制备方法进行详细说明。
72.请参见图3a-3f，图3a-3f是本发明实施例提供的基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件制备过程示意图。具体如下：
73.步骤一：对金刚石衬底进行处理。
74.将金刚石衬底依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗2min，然后用氮气吹干。
75.步骤二：溅射alon过渡层。
76.将处理好的金刚石衬底放入磁控溅射炉内进行生长，在气压为50torr，溅射功率为1000w，通入氧气的流量为2sccm，氩气的流量为50sccm，氮气的流量为50sccm，在金刚石衬底上通过磁控溅射形成10nm厚的溅射 alon层，如图3a所示。
77.步骤三：生长gan缓冲层。
78.将已经溅射好的基板放入金属有机化学气相淀积mocvd反应室中，在反应室温度为950℃的条件下，同时通入流量为2500sccm的氨气，流量为150sccm的镓源，在保持压力为20torr的条件下，在溅射alon层上生长厚度为1μm厚的gan缓冲层，如图3b所示。
79.步骤四：生长algan势垒层。
80.在gan缓冲层上采用mocvd工艺在反应室温度为950℃的条件下，同时通入流量为
1000sccm的氨气，流量为40sccm的镓源和流量为20sccm 的铝源这三种气体，在保持压力为20torr的条件下生长厚度为20nm的 algan势垒层，如图3c所示。
81.步骤五：生长gan帽层。
82.在algan势垒层上采用mocvd工艺在反应室温度为950℃的条件下，同时通入流量为2500sccm的氨气，流量为150sccm的镓源，在保持压力为20torr的条件下生长厚度为2nm的gan帽层，如图3d所示。
83.步骤六：制作源漏电极。
84.在外延片上光刻出源漏区，再放入电子束蒸发台内依次淀积 ti/al/ni/au金属层，厚度为分别40/140/25/50nm；将淀积了源漏金属的外延片放入热退火炉内，在450℃的温度下退火30s，形成源漏电极，如图3e 所示。
85.步骤七：制作栅电极。
86.在退火后的外延片上进行栅极光刻，再放入电子束蒸发台内，依次淀积厚度分别为50nm的ti金属层和100nm的au金属层，形成栅电极，如图3f所示。
87.至此，完成整个器件的制作。
88.实施例四
89.下面以制备alon过渡层厚度为50nm的gan基hemt器件为例对上述实施例一提供的制备方法进行详细说明。
90.步骤1：对金刚石衬底进行处理。
91.将金刚石衬底依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗6min，然后用氮气吹干。
92.步骤二：溅射alon过渡层。
93.将处理好的金刚石衬底放入磁控溅射炉内进行生长，在气压为60torr，溅射功率为1200w，通入氧气的流量为3sccm，氩气的流量为60sccm，氮气的流量为60sccm，在金刚石衬底上通过磁控溅射形成50nm厚的溅射 alon层。
94.步骤3：生长gan缓冲层。
95.将已经溅射好的基板放入金属有机化学气相淀积mocvd反应室中，在反应室温度为1000℃的条件下，同时通入流量为3000sccm的氨气，流量为160sccm的镓源，在保持压力为40torr的条件下，在溅射alon层上生长厚度为2μm厚的gan缓冲层。
96.步骤4：生长algan势垒层。
97.在gan缓冲层上采用mocvd工艺在反应室温度为1000℃的条件下，同时通入流量为1100sccm的氨气，流量为60sccm的镓源和流量为30sccm 的铝源这三种气体，在保持压力为40torr的条件下生长厚度为40nm的 algan势垒层。
98.步骤5：生长gan帽层。
99.在algan势垒层上采用mocvd工艺在反应室温度为1000℃的条件下，同时通入流量为3000sccm的氨气，流量为160sccm的镓源，在保持压力为40torr的条件下生长厚度为4nm的gan帽层。
100.步骤6：制作源漏电极。
101.在外延片上光刻出源漏区，再放入电子束蒸发台内依次淀积 ti/al/ni/au金属层，厚度为分别40/140/25/50nm；将淀积了源漏金属的外延片放入热退火炉内，在450℃的
温度下退火30s，形成源漏电极。
102.步骤7：制作栅电极。
103.在退火后的外延片上进行栅极光刻，再放入电子束蒸发台内，依次淀积厚度分别为50nm的ti金属层和100nm的au金属层，形成栅电极，完成整个器件的制作。
104.实施例五
105.下面以制备alon过渡层厚度为100nm的gan基hemt器件为例对上述实施例一提供的制备方法进行详细说明。
106.步骤a：对金刚石衬底进行处理。
107.将金刚石衬底依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗10min，然后用氮气吹干。
108.步骤b：溅射alon层。
109.将处理好的金刚石衬底放入磁控溅射炉内进行生长，在气压为80torr，溅射功率为1400w，通入氧气的流量为4sccm，氩气的流量为80sccm，氮气的流量为80sccm，在金刚石衬底上通过磁控溅射形成100nm厚的溅射 alon层。
110.步骤c：生长gan缓冲层。
111.将已经溅射好的基板放入金属有机化学气相淀积mocvd反应室中，在反应室温度为1100℃的条件下，同时通入流量为3500sccm的氨气，流量为180sccm的镓源，在保持压力为60torr的条件下，在溅射alon层上生长厚度为3μm厚的gan缓冲层。
112.步骤d：生长algan势垒层。
113.在gan缓冲层上采用mocvd工艺在反应室温度为1100℃的条件下，同时通入流量为1200sccm的氨气，流量为80sccm的镓源和流量为40sccm 的铝源这三种气体，在保持压力为60torr的条件下生长厚度为60nm的 algan势垒层。
114.步骤e：生长gan帽层。
115.在algan势垒层上采用mocvd工艺在反应室温度为1100℃的条件下，同时通入流量为3500sccm的氨气，流量为180sccm的镓源，在保持压力为60torr的条件下生长厚度为6nm的gan帽层。
116.步骤f：制作源漏电极。
117.在外延片上光刻出源漏区，再放入电子束蒸发台内依次淀积 ti/al/ni/au金属层，厚度为分别40/140/25/50nm；将淀积了源漏金属的外延片放入热退火炉内，在450℃的温度下退火30s，形成源漏电极。
118.步骤g：制作栅电极。
119.在退火后的外延片上进行栅极光刻，再放入电子束蒸发台内，依次淀积厚度分别为50nm的ti金属层和100nm的au金属层，形成栅电极，完成整个器件的制作。
120.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件制备方法，其特征在于，包括：获取金刚石衬底并进行预处理；在所述金刚石衬底表面形成溅射alon过渡层；在所述溅射alon过渡层上依次生长gan缓冲层、algan势垒层以及gan帽层；在所述gan帽层上制作金属电极以完成器件的制备。2.根据权利要求1所述的基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件制备方法，其特征在于，在所述金刚石衬底表面形成溅射alon过渡层，包括：采用磁控溅射工艺在所述金刚石衬底表面形成溅射alon过渡层。3.根据权利要求2所述的基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件制备方法，其特征在于，采用磁控溅射工艺在所述金刚石衬底表面形成溅射alon过渡层，包括：将所述金刚石衬底放入磁控溅射炉内，并通入氧气、氩气和氮气的混合气体，以在金刚石衬底上形成溅射alon过渡层；其中，溅射炉内气压为50-80torr，溅射功率为1000-1400w。4.根据权利要求3所述的基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件制备方法，其特征在于，所述氧气、氩气和氮气的流量分别为2-4sccm、50-80sccm和50-80sccm。5.根据权利要求3所述的基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件制备方法，其特征在于，所述溅射alon过渡层的厚度为10-100nm。6.根据权利要求1所述的基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件制备方法，其特征在于，在所述溅射alon过渡层上依次生长gan缓冲层、algan势垒层以及gan帽层，包括：采用mocvd工艺在所述溅射alon过渡层上生长厚度为1-3μm的gan缓冲层；采用mocvd工艺在所述gan缓冲层上生长厚度为20-60nm的algan势垒层；采用mocvd工艺在所述algan势垒层上生长厚度为2-6nm的gan帽层。7.根据权利要求1所述的基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件制备方法，其特征在于，在所述gan帽层上制作金属电极，包括：在所述gan帽层两边制作源漏电极；在所述gan帽层中间制作栅电极。8.根据权利要求7所述的基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件制备方法，其特征在于，在所述gan帽层两边制作源漏电极，包括：在外延片上光刻出源漏区；采用电子束蒸发工艺在所述外延片上依次淀积ti/al/ni/au源漏金属层；将整个外延片放入热退火炉内，在450℃的温度下退火30s，以形成源漏电极。9.根据权利要求7所述的基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件制备方法，其特征在于，在所述gan帽层中间制作栅电极，包括：在外延片上光刻出栅极区；采用电子束蒸发工艺在所述外延片上依次淀积ti/au金属层，以形成栅电极。10.一种基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件，其特征在于，所述器件结构自下而上包括：金刚石衬底、溅射alon过渡层、gan缓冲层、algan势垒层、gan帽层、源漏电极以及栅电极，其中，所述基于溅射alon/金刚石基板的hemt器件由权利要求1-9任一项所述的制备方法制备而成。

技术总结
本发明公开了一种基于溅射AlON/金刚石基板的HEMT器件及其制备方法，所述制备方法包括：获取金刚石衬底并进行预处理；在所述金刚石衬底表面形成溅射AlON过渡层；在溅射AlON过渡层上依次生长GaN缓冲层、AlGaN势垒层以及GaN帽层；在GaN帽层上制作金属电极以完成器件的制备。本发明通过在金刚石衬底与GaN缓冲层之间引入溅射AlON过渡层，可以实现在金刚石衬底上直接生长GaN及其异质结构，避免了传统方法中的衬底剥离和键合技术对器件造成的影响，提高了器件性能，且工艺简单。且工艺简单。且工艺简单。


技术研发人员：许晟瑞 杜金娟 苏华科 张金风 彭若诗 周弘 张春福 张进成 郝跃
受保护的技术使用者：西安电子科技大学芜湖研究院
技术研发日：2020.11.23
技术公布日：2022/5/25