CN101477951A - 一种增强型AlGaN/GaN场效应管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种增强型AlGaN/GaN场效应管的制作方法，即采用二次生长AlGaN层来制作增强型AlGaN/GaN HFET的方法，其包括以下步骤：(1)在衬底上先生长一层缓冲层，并在其上方生长一层GaN外延层；(2)在GaN外延层上生长第一AlGaN层，完成第一次材料生长；(3)在第一AlGaN层上淀积一层SiO2掩蔽膜，通过光刻的方法，保留形成栅极区域之上的SiO2掩蔽膜；(4)在未被掩蔽的第一AlGaN层上二次生长第二AlGaN层，完成第二次材料生长；(5)去除SiO2掩蔽膜；(6)在第二AlGaN层上形成源极和漏极，再在栅极区域上形成栅极。另外，本发明还公开了一种增强型AlGaN/GaN场效应管。本发明工艺简单，可靠性好，可以获得较高的阈值电压和跨导。
Description
技术领域
本发明涉及GaN基微波及功率器件领域，尤其涉及一种增强型AlGaN/GaN场效应管及其制作方法。
背景技术
GaN基材料同传统的III-V族半导体材料相比，具有键长更短和禁带宽度更大等明显特征。较短的键长意味着大的键能和小的原子质量，从而导致大的声子能量，并且晶格散射很难发生，这样在宏观上会形成很高的热导率和饱和迁移率。大的禁带宽度使得击穿电场更高，雪崩效应难以发生。同时，减少了高温下本征载流子以及漏电流的产生。当AlGaN与GaN形成异质结时，由于两种氮化物均具有很强的自发极化，以及AlGaN层中存在的压电极化，很容易在界面上形成极强的极化电荷，并产生高达1013/cm2的二维电子气(2DEG)。这比GaAs基材料形成的二维电子气面密度高了一个数量级。GaN基材料的这些性质非常适合于制作高温、高频、大功率器件。然而，AlGaN/GaN异质结中极化场产生的高浓度的二维电子气，导致了场效应管中导电沟道很难被Schottky接触形成的耗尽区阻断，所以要形成增强型的器件十分困难。近年来，关于GaN基场效应管的研究方兴未艾，已有少数实现增强型场效应管的报道。
增强型场效应管是指阈值电压大于0伏的晶体管器件。主要用于数字逻辑电路、功率开关器件和高频器件等。GaN基增强型场效应管的出现，有望弥补当前Si基和GaAs基增强型器件在高温、大功率以及抗辐射等方面的缺点，因此具有广泛的应用前景。当前制作GaN基增强型场效应管，主要采用异质结的方式，即AlGaN/GaN HFET的方式来实现。以下是实现途径的实例：
用AlGaN/GaN异质结的方式实现增强型HFET必须设法耗尽导电沟道，使得栅极电压为0伏时器件处于常关态。目前主要的方法有：凹栅结构(Gaterecessing)、薄势垒层结构(Thin barrier layer)、栅极氟化物等离子体注入(Gate fluoride-based plasma treatment)、栅极下生长InGaN层、栅极下生长P型AlGaN层(或P型的GaN层)等。
凹栅结构由美国伊利诺伊大学的Kumar等人在2001年提出。一般过程为，在蓝宝石衬底上，用MOCVD的方法依次生长一层AlN缓冲层，一层非掺杂的GaN，以及一层非掺杂AlGaN。然后通过等离子刻蚀的方法形成栅极的凹槽，并蒸镀获得栅极，栅极下的AlGaN层厚度为10nm左右。最后用剥离的方法得到欧姆接触的源极和漏极。由于栅极下的AlGaN层很薄，一方面在异质结界面的二维电子气浓度会大大降低，同时势阱对二维电子气的限制能力也减弱；另一方面栅极产生的耗尽区也更容易耗尽栅极下的二维电子气导电沟道。栅极下AlGaN越薄，开启电压越大。使用该方法，伊利诺伊大学的Lanford等人制作出了阈值电压为0.35V，最大漏极电流密度为505mA/mm，最大跨导为345mS/mm的增强型HEMT。参见文献：W.B.Lanford，et al.，″Recessed-gate enhancement-mode GaN HEMTwith high threshold voltage″，Electron.Lett.，vol.41，no.7，2005。日本东芝研发中心的Saito等人也用这种方法制作阈值电压超过1V的增强型HEMT。参见文献：Wataru Saito，et al.，″Recessed-Gate Structure ApproachToward Normally Off High-Voltage AlGaN/GaN HEMT for Power ElectronicsApplications″，IEEE Trans.Electron Devices，vol.53，no.2，pp.356-362，2006。
薄势垒层结构，是指在本征GaN上直接生长一层厚度为10nm左右的AlGaN层、没有在AlGaN层上通过刻蚀方法形成凹栅结构这一步骤。其基本过程是，在蓝宝石衬底上用MOCVD方法生长一层本征GaN，接着生长一层厚度为10nm左右的AlGaN层，再形成源、漏极欧姆接触以及栅极的肖特基接触。同样，由于栅极下的AlGaN层很薄，形成增强型场效应管的原理与凹栅结构相同。日本富士通公司的ENDOH等人用这种方法制得阈值电压大于1.6V，最大漏极电流密度为0.4A/mm，最大跨导为85mS/mm的增强型HEMT。参见文献：Akira ENDOH，etal.，″Non-Recessed-Gate Enhancement-Mode AlGaN/GaN High ElectronMobility Transistors with High RF Performance″，J.Appl.Phys.jpn，vol.43，no.4B，pp.2255-2258，2004。
栅极氟化物等离子体注入的方法是：在栅电极沉积前，往栅极下的AlGaN势垒层离子体注入CF4并通过适当的温度退火恢复，从而在栅极下聚集负电荷。形成的负电荷区对异质结界面处的二维电子气起排斥作用，减小了二维电子气的浓度，抑制了导电沟道的形成，成为增强型的场效应管。香港科技大学的Cai等人用这个方法，制作的增强型HFET的阈值电压为0.9V，最大漏极电流密度为0.31A/mm，最大跨导为148mS/mm。参见文献：Yong Cai，et al.，″High-Performance Enhancement-Mode AlGaN/GaN HEMTs Using Fluoride-BasedPlasma Treatment″，IEEE Trans.Electron Devices，vol.26，no.7，pp.435-437，2005。
栅极下生长一层InGaN层的方法，主要是通过InGaN内部极化电场来影响AlGaN/GaN异质结，使得导带偏移增大，势垒增高，不易在AlGaN/GaN异质结界面形成二维电子气。日本名古屋大学的Mizutani等人用这个方法制作出阈值电压为0.4V，最大跨导为85mS/mm的增强型HEMT。参见文献：T.Mizutani，etal.，″Al GaN/GaN HEMTs With Thin InGaN Cap Layer for Normally OffOperation″，IEEE Trans.Electron Devices，vol.28，no.7，pp.549-551，2007。
在栅极下的本征AlGaN层上生长一层P型的AlGaN层(或P型的GaN层)，当栅极电压为0时，由于P型AlGaN层(或P型的GaN层)和GaN层(本征生长的GaN为弱N型)构成的PN结产生耗尽层的作用，从而形成GaN基增强型场效应管。美国南卡罗莱纳州大学的Hu等人用AlGaN层上生长一层P型GaN层的方法制作出了阈值电压、最大漏极电流密度、以及最大跨导分别约为2.5V、400mA/mm、150mS/mm的增强型HFET。参见文献：X.Hu，et al.，″Enhancementmode AIGaN/GaN HFET with selectively grown pn junction gate″，Electron.Lett.，vol.36，no.8，pp.753-754，2000。
以上综述了当前实现GaN基增强型场效应管的主要方法。作为主流技术的凹栅结构和栅极氟化物等离子体注入，由于等离子刻蚀和注入方法的使用，不可避免会造成材料的损伤，从而劣化器件的工作性能和可靠性。而其他实现方式，也存在各自的缺点。如采用薄势垒层结构时，形成器件的跨导远比凹栅结构小。因此在器件工艺上需要进一步的探索，以期得到阈值电压大、漏极电流密度高、跨导高的器件。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种不引入等离子刻蚀或者注入造成的损伤，通过AlGaN层的二次生长来实现的增强型AlGaN/GaN场效应管及其制作方法。该场效应管及其制作方法工艺简单，可靠性好，可有获得较高的阈值电压和跨导。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种增强型AlGaN/GaN场效应管的制作方法，其包括以下步骤：
(1)在衬底上先生长一层缓冲层，并在其上方生长一层GaN外延层；(2)在GaN外延层上生长第一AlGaN层，完成第一次材料生长；(3)在第一AlGaN层上淀积一层SiO2掩蔽膜，通过光刻的方法，保留形成栅极区域之上的SiO2掩蔽膜；(4)在未被掩蔽的第一AlGaN层上二次生长第二AlGaN层，完成第二次材料生长；(5)去除SiO2掩蔽膜；(6)在第二AlGaN层上形成源极和漏极，再在栅极区域上形成栅极。
步骤(1)中，该衬底为厚度300μm的蓝宝石，缓冲层为厚度20nm的AlN，GaN外延层厚度为3μm，其中，利用MOCVD方法，在温度为1100℃，氢气和氨气作为保护气下，在衬底上生长该缓冲层。
步骤(2)中，第一AlGaN层的厚度为5～10nm，利用MOCVD方法，保持1100℃的生长温度，在GaN外延层生长，第一AlGaN层。
步骤(3)中，在第一AlGaN层上，利用PECVD方法在250℃温度下淀积100nm厚度的SiO2掩蔽膜，然后通过光刻的方法，保留形成栅极区域之上的SiO2掩蔽膜。
步骤(4)中，在第一AlGaN层上，在未被掩蔽膜覆盖的部分，利用二次生长的方法，用MOCVD在1100℃下生长厚度为15～30nm的第二AlGaN层。
步骤(6)中，通过蒸镀的方法，在二次生长的第二AlGaN层上依次形成Ti/Al/Ni/Au源极和漏极，并合金之后形成欧姆接触，再在第一AlGaN层上的栅极区域，蒸镀形成由Ni/Au构成的栅极，其中源极与漏极分别位于栅极的两侧。
在第二AlGaN层上蒸镀有源极的一侧继续采用蒸镀方法，先形成第二漏极，再形成第二栅极。
第一AlGaN层及第二AlGaN层的Al组分比范围为25％～30％。
一种增强型AlGaN/GaN场效应管，由下往上依次包括衬底、缓冲层、GaN外延层及第一AlGaN层，在第一AlGaN层的栅极区域上设有栅极，在第一AlGaN层除栅极区域的其他部分覆盖有第二AlGaN层，第二AlGaN层上设有源极和漏极。
该源极和漏极分别位于栅极的两侧，且第二AlGaN层上的源极一侧还设有第二漏极及第二栅极。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
1、本发明不采用离子刻蚀方法来精确控制第一AlGaN层的厚度，降低了工艺的复杂程度，同时也大大减少了凹栅技术中刻蚀对材料造成的损伤，有利于提高器件的可靠性。
2、二次生长的第二AlGaN层，弥补了现有技术采用薄势垒层结构时栅极区域之外的二维电子气浓度低的缺点，降低了源漏接入电阻，可以有效的提高器件的阈值电压和跨导。
3、该器件的结构简单，实施方法简单可靠，二次生长的第二AlGaN层均匀性良好，形成的欧姆接触具有很好的导电特性。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的增强型AlGaN/GaN HFET的结构示意图；
图2是本发明实施例2提供的复合型AlGaN/GaN HFET的结构示意图；
图3是本发明实施例1提供的增强型AlGaN/GaN HFET的制造方法示意图。
上述图中，1为衬底，2为缓冲层，3为GaN外延层，4为第一AlGaN层，5为掩蔽膜，6第二AlGaN层，7和11为栅极，8为源极，9和10为漏极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图3所示，本发明提供了一种增强型AlGaN/GaN场效应管的制作方法，其包括以下步骤：
步骤1：使用300μm厚度的蓝宝石(Sapphire)衬底1，利用MOCVD方法，在温度为1100℃，氢气和氨气作为保护气下，首先生长一层20nm厚度的A1N缓冲层2，然后控制生长条件在其上生长3μm厚度的高阻GaN层3。
步骤2：利用MOCVD方法，保持1100℃左右的生长温度，并控制反应室中通入的铝源和镓源流量，生长5～10nm厚度的AlGaN薄层4，该AlGaN层与GaN层3构成异质结构，并在界面处形成低浓度的二维电子气。
步骤3：在5～10nm厚度的AlGaN薄层4上，首先利用PECVD方法在250℃温度下淀积100nm厚度的SiO2膜，然后通过光刻的方法，保留形成栅极区域之上的SiO2掩蔽膜5。
步骤4：在AlGaN薄层4上，除SiO2掩蔽膜5之外的部分，利用二次生长的方法，用MOCVD在1100℃下生长15～30nm厚度的AlGaN层6，
步骤5：利用湿法腐蚀去除SiO2掩蔽膜5。
步骤6：通过蒸镀的方法，在二次生长的AlGaN层上依次形成Ti/Al/Ni/Au源极8和漏极9，并合金之后形成欧姆接触。最后，在AlGaN薄层上的栅区位置，选择性蒸镀形成Ni/Au栅极7，最终形成增强型AlGaN/GaN HFET。
步骤1中衬底也可选用碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓(GaN)等材料。
步骤2中AlGaN薄层4和二次生长的AlGaN层6，采用的Al组分比范围为25％～30％，其中优先采用30％Al组分比的AlGaN比作为势垒层，即Al0.3Ga0.7N。
上述过程中，在GaN外延层上生长的5～10nm厚度的第一AlGaN层，构成AlGaN/GaN异质结。由于位于栅极下的第一AlGaN层很薄，一方面导致异质结界面的二维电子气浓度会大大降低，同时势阱对二维电子气的限制能力也减弱；另一方面栅极Schottky产生的耗尽区也更容易耗尽栅极下的二维电子气导电沟道，从而形成增强型HFET。该方法从理论上与凹栅结构实现GaN基增强型场效应管相同。但是，本发明没有采用凹栅结构通过对AlGaN层进行RIE处理来获得10nm左右薄层的方案，而是采用先生长第一AlGaN层，再掩蔽形成栅极的区域，并在其之外二次生长第二AlGaN层。这样，一方面也避免通过离子刻蚀方法形成栅极下的耗尽区引起的表面损伤；另一方面提高了栅极区域之外的二维电子气浓度，从而降低了源漏接入电阻。
如图1所示，本实施例还提供了一种增强型AlGaN/GaN场效应管，其由下往上依次包括衬底1、缓冲层2、GaN外延层3及第一AlGaN层4，在第一AlGaN层4的栅极区域上设有栅极7，在第一AlGaN层4除栅极区域的其他部分覆盖有第二AlGaN层6，第二AlGaN层6上设有源极8和漏极9。
实施例2
如图2所示，本实施例采用与实施例1中步骤1至步骤6相同的步骤。然后，在二次生长的第二AlGaN层6上，继续采用蒸镀方法，先形成Ti/Al/Ni/Au第二漏极10，再形成Ni/Au第二栅极11。这样，由一次生长的第一AlGaN层4上的栅极7与二次生长的第二AlGaN层6上的源极8和漏极9构成局部的增强型AlGaN/GaN HFET结构；另外，二次生长的第二AlGaN层6上由源极8、漏极10、以及栅极11构成局部的耗尽型AlGaN/GaN HFET结构，从而形成增强型和耗尽型同时存在的复合型AlGaN/GaN HFET结构。
Claims (10)
1、一种增强型AlGaN/GaN场效应管的制作方法，其包括以下步骤：
(1)在衬底(1)上先生长一层缓冲层(2)，并在其上方生长一层GaN外延层(3)；
(2)在GaN外延层(3)上生长第一AlGaN层(4)；
(3)在第一AlGaN层(4)上淀积一掩蔽膜(5)，通过光刻的方法，保留形成栅极区域之上的掩蔽膜(5)；
(4)在未被掩蔽的第一AlGaN层(4)上二次生长第二AlGaN层(6)；
(5)去除掩蔽膜(5)；
(6)在第二AlGaN层(6)上形成源极(8)和漏极(9)，再在栅极区域上形成栅极(7)。
2、根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：步骤(1)中，该衬底(1)为厚度300μm的蓝宝石，缓冲层(2)为厚度20nm的AlN，GaN外延层(3)厚度为3μm，其中，利用MOCVD方法，在温度为1100℃，氢气和氨气作为保护气下，在衬底(1)上生长该缓冲层(2)。
3、根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：步骤(2)中，第一AlGaN层(4)的厚度为5～10nm，利用MOCVD方法，保持1100℃的生长温度，在GaN外延层(3)生长，第一AlGaN层(4)。
4、根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于：步骤(3)中，在第一AlGaN层(4)上，利用PECVD方法在250℃温度下淀积100nm厚度的SiO2掩蔽膜(5)，然后通过光刻的方法，保留形成栅极区域之上的SiO2掩蔽膜(5)。
5、根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于：步骤(4)中，在第一AlGaN层(4)上，在未被掩蔽膜(5)覆盖的部分，利用二次生长的方法，用MOCVD在1100℃下生长厚度为15～30nm的第二AlGaN层(6)。
6、根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：步骤(6)中，通过蒸镀的方法，在二次生长的第二AlGaN层(6)上依次形成Ti/Al/Ni/Au源极(8)和漏极(9)，并合金之后形成欧姆接触，再在第一AlGaN层(4)上的栅极区域，蒸镀形成由Ni/Au构成的栅极(7)，其中源极(8)与漏极(9)分别位于栅极(7)的两侧。
7、根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：在第二AlGaN层(6)上蒸镀有源极(8)的一侧继续采用蒸镀方法，先形成第二漏极(10)，再形成第二栅极(11)。
8、根据权利要求1至7任一项所述的制作方法，其特征在于：第一AlGaN层(4)及第二AlGaN层(6)的Al组分比范围为25％～30％。
9、一种增强型AlGaN/GaN场效应管，其特征在于由下往上依次包括衬底(1)、缓冲层(2)、GaN外延层(3)及第一AlGaN层(4)，在第一AlGaN层(4)的栅极区域上设有栅极(7)，在第一AlGaN层(4)除栅极区域的其他部分覆盖有第二AlGaN层(6)，第二AlGaN层(6)上设有源极(8)和漏极(9)。
10、根据权利要求9所述的场效应管，其特征在于：该源极(8)和漏极(9)分别位于栅极(7)的两侧，且第二AlGaN层(6)上的源极(8)一侧还设有第二漏极(10)及第二栅极(11)。
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