CN101150144A - 一种氮化镓基场效应管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基场效应管，该GaN基场效应管包括：栅极，位于栅极两侧的源极和漏极；其中，栅极、源极和漏极位于衬底材料顶层AlGaN外延层上，源极与AlGaN外延层以及漏极与AlGaN外延层之间通过退火合金形成欧姆接触；在源极和漏极之间的AlGaN外延层上通过刻蚀形成有细的栅槽，在源极和漏极之间的AlGaN外延层及栅槽上淀积有AlN或Al2O3薄膜，所述栅极通过光刻和蒸发形成在栅槽上淀积的AlN或Al2O3薄膜上。本发明同时公开了一种GaN基场效应管的制作方法。利用本发明，有效地解决了AlGaN表面态存在导致器件产生电流崩塌以及栅反向漏电增大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及宽禁带半导体材料中场效应管(FET)技术领域，尤其涉及一种氮化镓基场效应管及其制作方法。
背景技术
氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料，以其禁带宽度大(3.4eV)、击穿电压高(3.3MV/cm)、二维电子气浓度高(＞1013cm2)、饱和电子速度大(2.8X107cm/s)等特性在国际上受到广泛关注。目前，AlGaN/GaN HEMT器件的高频、高压、高温以及大功率特性使之在微波功率器件方面有着巨大的前景。
对于常规的用于X波段的GaN HEMT器件，通常的工艺步骤为：
步骤1、电子束直写光刻或者普通光学光刻，形成电子束对准标记，蒸发标记金属；
步骤2、电子束直写或者直接普通光学光刻源漏图形，并蒸发源漏金属；
步骤3、退火，使源漏金属与衬底材料形成良好的欧姆接触；
步骤4、有源区隔离；
步骤5、电子束直写制作栅线条；
步骤6、蒸发栅金属；
步骤7、金属布线；
步骤8、制作空气桥；
步骤9、测试分析。
虽然铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)HEMT器件的性能近年来得到了长足的进展，尤其在高频大功率方面，但是仍有很多问题没有解决，关键的两个问题是电流崩塌效应和栅反向漏电增大。
研究发现，这两个现象都和AlGaN的表面态有直接的关系。由于材料生长的限制，AlGaN的表面态问题一直没有得到完善的理论支持与很好的工艺手段抑制，这严重影响了了器件的可靠性；同时，由于表面态的存在大大增加了器件的栅漏电，栅漏电不仅会导致击穿电压降低、跨导、截止频率和最大频率的降低；同时，由于引入了很大的噪声，会带来大的功率损耗以及效率的降低，影响器件的可靠性。在材料生长尚不能解决这个问题的情况下，只能引入特殊的工艺来改善。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种GaN基场效应管，以解决AlGaN表面态存在导致器件产生电流崩塌以及栅反向漏电增大的问题。
本发明的另一个目的在于提供一种GaN基场效应管的制作方法，以解决AlGaN表面态存在导致器件产生电流崩塌以及栅反向漏电增大的问题。
(二)技术方案
为达到上述一个目的，本发明提供了一种氮化镓基场效应管，该氮化镓基场效应管包括：
栅极，位于栅极两侧的源极和漏极；其中，
栅极、源极和漏极位于衬底材料顶层铝镓氮AlGaN外延层上，源极与AlGaN外延层以及漏极与AlGaN外延层之间通过退火合金形成欧姆接触；
在源极和漏极之间的AlGaN外延层上通过刻蚀形成细的栅槽，在源极和漏极之间的AlGaN外延层及栅槽上淀积有氮化铝AlN或氧化铝Al2O3薄膜，所述栅极通过光刻和蒸发形成在栅槽上淀积的AlN或Al2O3薄膜上。
所述衬底材料由下至上依次包括蓝宝石衬底、氮化镓GaN和AlGaN外延层三层结构；其中，蓝宝石衬底，用于作为生长GaN外延层的衬底材料；AlGaN/GaN外延层结构，AlGaN外延层和GaN外延层间形成异质结，产生高浓度的二维电子气，提供大的电流密度和功率输出能力。
所述栅极为T型栅极。
为达到上述另一个目的，本发明提供了一种GaN基场效应管的制作方法，该方法包括：
A、对衬底材料采用光刻方法进行光刻，形成电子束对准标记，蒸发标记金属；
B、对衬底材料采用光刻方法进行光刻，形成源漏图形，并蒸发源漏金属；
C、退火合金，将源漏金属与衬底材料形成欧姆接触，形成源极和漏极；
D、有源区离子注入隔离；
E、刻蚀衬底材料顶层的AlGaN外延层形成栅槽；
F、在源极和漏极之间的AlGaN外延层及栅槽上生长AlN或Al2O3薄膜；
G、光学光刻栅极图形，蒸发栅极金属，形成栅极；
H、金属布线，形成GaN基场效应管。
步骤A中所述采用的光刻方法为电子束直写光刻，或为普通光学光刻；
步骤B中所述采用的光刻方法为普通光学光刻方法。
步骤C中所述退火温度为750至830℃。
步骤E中所述栅槽尺寸为0.25μm。
步骤F中所述AlN或Al2O3薄膜的厚度为10。
该方法进一步包括：I、对形成的GaN基场效应管进行测试分析。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，由于栅极金属与AlGaN外延层之间有一层AlN或Al2O3薄膜，AlN或Al2O3薄膜起到了钝化表面态的作用，使得GaN基场效应管工作时，由表面态俘获电子的缺陷辅助隧穿几率减少，同时也降低了材料位错导致的漏电渠道，消除了栅——漏区域的虚栅，减小了表面态的密度，该GaN基场效应管在X波段连续波输出时基本没有电流崩塌现象，有效地解决了AlGaN表面态存在导致器件产生电流崩塌以及栅反向漏电增大的问题。
2、由于在制作GaN基场效应管时首先采用了挖栅槽的工艺，淀积介质后在在栅槽上形成了T型栅，该种结构减小了栅边缘的电场，有效提高了击穿电压；AlGaN层厚度的减小，提高了器件的增益。
3、由于AlN或者Al2O3介质层的引入增大了栅一源电阻，该GaN基场效应管的线性度明显优于AlGaN/GaN HEMT器件。
4、电流崩塌现象的消除提高了GaN基场效应管工作的可靠性。
5、本发明提供的这种GaN基场效应管的制作方法适用于各种衬底的AlGaN/GaN外延材料体系。
附图说明
图1为本发明提供的GaN基场效应管的结构示意图；
图2为本发明提供的制作GaN基场效应管总体技术方案的实现流程图；
图3为依照本发明实施例制作GaN基场效应管工艺流程的示意图；
图4为依照本发明实施例制作的GaN基场效应管的能带示意图；
图5为依照本发明实施例制作的GaN基场效应管的肖特基特性示意图；
图6为依照本发明实施例制作的GaN基场效应管的击穿特性示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的GaN基场效应管的结构示意图，该GaN基场效应管包括：栅极，位于栅极两侧的源极和漏极；其中，栅极、源极和漏极位于衬底材料顶层铝镓氮(AlGaN)外延层上，源极与AlGaN外延层以及漏极与AlGaN外延层之间通过退火合金形成欧姆接触。在源极和漏极之间的AlGaN外延层上通过刻蚀形成细的栅槽，在源极和漏极之间的AlGaN外延层及栅槽上淀积有氮化铝(AlN)或氧化铝(Al2O3)薄膜，所述栅极通过光刻和蒸发形成在栅槽上淀积的AlN或Al2O3薄膜上。
所述衬底材料由下至上依次包括蓝宝石衬底、GaN和AlGaN外延层三层结构；其中，蓝宝石衬底用于作为生长GaN外延层的衬底材料，AlGaN外延层和GaN外延层间形成异质结，产生高浓度的二维电子气，提供大的电流密度和功率输出能力。对于蓝宝石衬底，由于GaN单晶生长困难，无法进行同质外延，采用蓝宝石作为GaN外延片的衬底材料。
所述栅极为T型栅极。
基于图1所示的GaN基场效应管的结构示意图，图2示出了为本发明提供的制作GaN基场效应管总体技术方案的实现流程图，该方法包括以下步骤：
步骤201：对衬底材料采用光刻方法进行光刻，形成电子束对准标记，蒸发标记金属；
步骤202：对衬底材料采用光刻方法进行光刻，形成源漏图形，并蒸发源漏金属；
步骤203：退火合金，将源漏金属与衬底材料形成欧姆接触，形成源极和漏极；
步骤204：有源区离子注入隔离；
步骤205：刻蚀衬底材料顶层的AlGaN外延层形成栅槽；
步骤206：在源极和漏极之间的AlGaN外延层及栅槽上生长AlN或Al2O3薄膜；
步骤207：光学光刻栅极图形，蒸发栅极金属，形成栅极；
步骤208：金属布线，形成GaN基场效应管。
上述步骤201中所述采用的光刻方法为电子束直写光刻，或为普通光学光刻。
上述步骤202中所述采用的光刻方法一般为普通光学光刻方法。
上述步骤203中所述退火温度为750至830℃。
上述步骤205中所述栅槽尺寸为0.25μm。
上述步骤206中所述AlN或Al2O3薄膜的厚度为10。
上述步骤207中所述栅极图形的尺寸为0.8μm。
该方法在步骤208形成微波功率器件之后还进一步包括：
步骤209：对形成的GaN基场效应管进行测试分析。
基于图1所示的GaN基场效应管的结构示意图，以及图2所示的制作GaN基场效应管总体技术方案的实现流程图，以下结合具体的实施例对本发明制作GaN基场效应管的方法进一步详细说明。
实施例
如图3所示，图3为依照本发明实施例制作GaN基场效应管工艺流程的示意图，该方法包括以下步骤：
步骤301：采用电子束直写光刻或普通光学光刻对衬底材料进行光刻，形成电子束对准标记，蒸发标记金属。
步骤302：采用普通光学光刻方法对衬底材料进行光刻，形成源漏图形，并蒸发源漏金属。
步骤303：在750至830℃条件下退火合金，将源漏金属与衬底材料形成良好的欧姆接触，形成源极和漏极。
上述步骤302和303的具体工艺流程如图3中(a)所示。
步骤304：有源区离子注入隔离；
本步骤的具体工艺流程如图3中(b)所示。
步骤305：干法刻蚀衬底材料顶层的AlGaN外延层形成栅槽；
本步骤的具体工艺流程如图3中(c)所示。
步骤306：在源极和漏极之间的AlGaN外延层及栅槽上生长厚度为10AlN或Al2O3薄膜；
本步骤的具体工艺流程如图3中(d)所示。
步骤307：光学光刻0.8μm栅极图形，蒸发栅极金属，形成栅极；
本步骤的具体工艺流程如图3中(e)所示。
步骤308：金属布线，形成GaN基场效应管。
步骤309：对形成的GaN基场效应管进行测试分析。
在对形成的GaN基场效应管进行测试分析时，对该GaN基场效应管进行直流测试，从图5所示的肖特基特性测试曲线可以看出，肖特基反向漏电明显减少，其数值比相同外延材料的AlGaN/GaN HEMT器件肖特基反向漏电下降了3个数量级。同时，提高了肖特基的势垒高度，正向开启电压增加。这是由于AlN层或者Al2O3层起到了钝化表面态的作用，使得GaN基场效应管工作时，由表面态俘获电子的缺陷辅助隧穿几率减少，同时也降低了材料位错导致的漏电渠道。
栅——漏间的栅结构类似于场版结构，减小了栅边缘的电场，有效提高了器件的击穿电压。从图6所示的击穿电压测试可以看出，在沟道被夹断的情况下，GaN基场效应管的栅——漏击穿电压大于100V。这一特性可以使得GaN基场效应管可以在更大的电压下工作，提高了功率输出的潜力。
由于在制作GaN基场效应管时采用了挖栅槽的工艺，减小了栅下AlGaN层的厚度，提高了器件的增益。
在功率输出方面，由于AlN或者Al2O3介质层的引入增大了栅-源电阻，该GaN基场效应管的线性度明显优于AlGaN/GaN HEMT器件。象上面提到的，这一层AlN或者Al2O3介质层起到了钝化的作用，消除了栅-漏区域的虚栅，减小了表面态的密度，该GaN基场效应管在X波段连续波输出时基本没有电流崩塌现象，提高了GaN基场效应管工作的可靠性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种氮化镓基场效应管，其特征在于，该氮化镓基场效应管包括：
栅极，位于栅极两侧的源极和漏极；其中，
栅极、源极和漏极位于衬底材料顶层铝镓氮AlGaN外延层上，源极与AlGaN外延层以及漏极与AlGaN外延层之间通过退火合金形成欧姆接触；
在源极和漏极之间的AlGaN外延层上通过刻蚀形成细的栅槽，在源极和漏极之间的AlGaN外延层及栅槽上淀积有氮化铝AlN或氧化铝Al2O3薄膜，所述栅极通过光刻和蒸发形成在栅槽上淀积的AlN或Al2O3薄膜上。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基场效应管，其特征在于，所述衬底材料由下至上依次包括蓝宝石衬底、氮化镓GaN和AlGaN外延层三层结构；其中，
蓝宝石衬底，用于作为生长GaN外延层的衬底材料；
AlGaN/GaN外延层结构，AlGaN外延层和GaN外延层间形成异质结，产生高浓度的二维电子气，提供大的电流密度和功率输出能力。
3.根据权利要求1所述的GaN基场效应管，其特征在于，所述栅极为T型栅极。
4.一种GaN基场效应管的制作方法，其特征在于，该方法包括：
A、对衬底材料采用光刻方法进行光刻，形成电子束对准标记，蒸发标记金属；
B、对衬底材料采用光刻方法进行光刻，形成源漏图形，并蒸发源漏金属；
C、退火合金，将源漏金属与衬底材料形成欧姆接触，形成源极和漏极；
D、有源区离子注入隔离；
E、刻蚀衬底材料顶层的AlGaN外延层形成栅槽；
F、在源极和漏极之间的AlGaN外延层及栅槽上生长AlN或Al2O3薄膜；
G、光学光刻栅极图形，蒸发栅极金属，形成栅极；
H、金属布线，形成GaN基场效应管。
5.根据权利要求4所述的GaN基场效应管的制作方法，其特征在于，
步骤A中所述采用的光刻方法为电子束直写光刻，或为普通光学光刻；
步骤B中所述采用的光刻方法为普通光学光刻方法。
6.根据权利要求4所述的GaN基场效应管的制作方法，其特征在于，步骤C中所述退火温度为750至830℃。
7.根据权利要求4所述的GaN基场效应管的制作方法，其特征在于，步骤E中所述栅槽尺寸为0.25μm。
8.根据权利要求4所述的GaN基场效应管的制作方法，其特征在于，步骤F中所述AlN或Al2O3薄膜的厚度为10。
9.根据权利要求4所述的GaN基场效应管的制作方法，其特征在于，该方法进一步包括：
I、对形成的GaN基场效应管进行测试分析。
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