CN101771076A - 全透明AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用透明低电阻率ZnO作栅和源、漏电极的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法，它涉及到微电子技术领域，主要解决现有AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管不能应用于全透明领域，及现有全透明晶体管特性差的问题。该器件按生长顺序依次包括GaN缓冲层、本征GaN层、Al0.3Ga0.7N层、GaN帽层和源、漏、栅电极，其中源、漏电极和栅电极均采用掺杂Al2O3的透明ZnO材料，衬底采用透明的双面抛光蓝宝石。源、漏、栅电极在GaN帽层上通过磁控溅射的方法淀积，源区和漏区域进行Si+离子注入，以辅助源区和漏区欧姆接触的形成。本发明具有全透明，高特性的优点，可用于透明领域的抗辐照电路中的电子元件。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件，具体的说是一种采用透明低电阻率材料ZnO制作栅和源、漏电极，透明蓝宝石做衬底的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构及实现方法，主要用于制作全透明领域的高特性器件。
背景技术
透明薄膜晶体管TTFT(Transparent Thin Film Transistor)在平面显示、光学信息处理、宇航、军事等领域具有实际的和潜在的广泛应用。利用透明晶体管制成透明集成电路，将其嵌入房屋和交通工具的玻璃中，就可研制出具有全新信息传输方式的系统，再结合平面显示技术，构成综合电子信息系统，就可用于家用电器、交通工具、商用和军事等研究领域。透明晶体管将被用来控制通过系统的电流流量的大小，最终使设备具有逻辑开关、存储和信号放大等功能，适合应用于有源矩阵液晶显示器件，太阳能电池控制电路等领域。更重要的是，在航空航天领域的太阳能电池应用方面，需要高特性、抗辐照的全透明薄膜晶体管。
ZnO是一种直接带隙半导体，而且为透明材料，采用ZnO薄膜材料做透明TFT则可避免硅基TFT的缺点，实现高开口率的OLED平面显示。结合ZnO基透明电极技术，为人们提供了新的制造透明电子设备的方法。但是，ZnO基透明晶体管由于ZnO材料的迁移率和击穿电场的不足，使得ZnO基透明晶体管的特性还有许多不足。
与其他半导体材料的参数比较，GaN材料具有明显的优点，其禁带宽度大，饱和电子速度也优于其他半导体材料，并具有很大的击穿场强和较高的热导率，而且GaN本身也是透明材料。电荷载流子速度场特性是器件工作的基础，高饱和速度导致大电流和高频率，高的击穿场强对器件大功率应用至关重要，同时，由于GaN基材料与生俱来的极化特性，AlGaN/GaN异质结本身就存在高浓度二维电子气沟道，所以GaN材料是制造高温高频及大功率器件的优选材料。在GaN材料适合制作的功率器件中，AlGaN/GaN高电子迁移率器件HEMT是最具代表性的典型器件。自1993年人们制作出第一支HEMT样管至今，高电子迁移率晶体管已得到了很大的发展。2001年VinayakTilak等人制造的SiC衬底AlGaN/GaN HEMT获得了10.7W/mm@10GHz和6.6W/mm@20GHz的功率密度。参见文献Moon J S，Micovic M，Janke P，Hashimoto P，et al，“GaN/AlGaN HEMTs operating at 20GHz with continuous-wave power density＞6W/mm”，Electron.Lett，2001，37(8)：528和Kumar V，Lu W，Khan F A，et al.“Highperformance 0.25μm gate-length AlGaN/GaN HEMTs on sapphire with transconductanceof over 400mS/mm”，Electronics Letters，2002，38(5)：252。后来人们研制出功率密度达到11.7W/mm@10GHz的SiC衬底AlGaN/GaN HEMT器件。
AlGaN/GaN HEMT有非常优异的电特性，而且GaN材料本身也为透明材料，但是由于其电极通常采用不透明的金属Ti，Al，Ni等材料，所以电极材料限制了GaN基AlGaN/GaN HEMT在透明领域应用。
ZnO容易实现n型掺杂，可以通过Al、Ga、In掺杂得到低电阻率n型导电特性，其电阻率可以达到10-4ohm-cm，因此可以作为栅电极金属加以利用。参见文献AkhleshG and Alvin D C，“All sputtered 14％ CdS/CdTe device with ZnO：Al front contact”，3rdWorld Conference on Photovoltac Energy Conversion，2003：352。ZnO作为栅电极金属材料，人们也有过研究，如成功采用ZnO纳米棒作为栅来制作具有特殊应用的AlGaN/GaN HEMT探测器。参见文献Kang B S，Wang H T and Ren F，“Enzymaticglucose detection using ZnO nanorods on the gate region of AlGaN/GaN high electronmobility transistors”，Applied Physics Letters，2007，91：252103-1。我们可以充分利用Al掺杂ZnO的材料的透明和低电阻率特性，采用其替代AlGaN/GaN HEMT金属电极材料，根据其透明特性可以实现AlGaN/GaN HEMT器件的全透明。而且全透明的AlGaN/GaN HEMT对栅下沟道区域能进行更多的光学研究，同时ZnO材料具有很强的抗辐照特性，可以弥补金属电极的不足，提高器件在辐照环境中的可靠性和稳定性。
采用Al掺杂的ZnO材料在GaN基材料上形成肖特基接触的研究已有报道。Al掺杂的ZnO材料在GaN材料上形成了良好的肖特基整流接触。PeiYi等人采用ITO(Indium Tin Oxide)材料做AlGaN/GaN HEMT栅电极实现了透明栅器件，但是该器件源漏材料为金属，源漏电极并不透明，参考文献：“AlGaN/GaN HEMT With aTransparent Gate Electrode，Electron.Device Lett，2007，30(5)：439”。ITO材料的电阻率特性和Al掺杂ZnO相似，但是其抗辐照特性不如ZnO材料。
离子注入辅助实现AlGaN/GaN HEMT源漏电极低温退火欧姆接触已有报道。为了减小源漏寄生电阻，可以采用源漏注入掺杂杂质的方法来实现低温退火的源漏欧姆接触。参考文献：“Remarkable Reduction of On-Resistance by Ion Implantation inGaN/AlGaN/GaN HEMTs With Low Gate Leakage Current，Electron.Device Lett，2007，28(11)：939”.采用离子注入辅助也可以实现Al掺杂的ZnO材料在GaN基材料上的欧姆接触。离子注入形成的重掺杂遂穿效应，可以克服电子势垒，形成欧姆接触。
AlGaN/GaN HEMT适合于微波和数字电路方面的应用，并且在恶劣太空环境中有良好的稳定性和可靠性，尤其在抗辐照，耐高温方面有很好的应用前景。但是常规结构的AlGaN/GaN HEMT栅、源、漏接触由于采用不透明的金属材料，限制了AlGaN/GaN HEMT在透明电子器件领域应用。采用ITO材料制作栅极的AlGaN/GaNHEMT仅实现了栅电极透明，但源漏电极并未采用透明材料，故不能实现全透明电子器件应用。ZnO基透明晶体管虽然可以实现透明领域应用，但是由于ZnO材料的击穿场强和材料迁移率都不如GaN材料，所以ZnO基晶体管在高性能的透明电子器件领域应用还有诸多不足。
发明内容
本发明目的在于克服上述已有技术的缺点，提出一种全透明AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法，以在保持AlGaN/GaN HEMT原有的器件特性优势的条件下，扩展其应用范围，特别是在太空太阳能电池领域的应用。
为实现上述目的，本发明的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，依次包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、本征GaN层、Al0.3Ga0.7N层和GaN帽层，帽层上设有源电极、漏电极和栅电极，其中源电极、漏电极和栅电极均采用透明的ZnO材料，蓝宝石衬底采用透明双面抛光蓝宝石，以实现器件全透明。
所述的ZnO材料为掺杂有Al2O3的透明高电导率材料。
为实现上述目的，本发明的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制作方法，包括如下步骤：
(1)在双面抛光蓝宝石基片上，利用MOCVD工艺，依次生长GaN缓冲层、本征GaN层、Al0.3Ga0.7N层和GaN帽层；
(2)在生长的GaN帽层表面利用PECVD工艺淀积100nm-200nm的SiN钝化层；光刻出源漏区域并采用RIE干法刻蚀去除源漏区域SiN；
(3)利用SiN做掩模在源极、漏极区域采用离子注入工艺注入Si+离子；
(4)采用光刻剥离工艺在Si离子注入的源极、漏极区域溅射出100-400nm厚的ZnO层形成透明的源极和漏极；
(5)采用光刻剥离工艺在栅极区域溅射出100-400nm厚的ZnO层形成透明的栅电极。
所述的源极、漏极和栅极制作工艺是：采用磁控溅射的方法将靶材为掺有2-3％Al2O3的ZnO粉末，在压强为1-3Pa，衬底温度为25-90℃，溅射功率为30-80W的条件下，预溅射ZnO靶材5分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定；再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，先在Si+注入的源漏区域形成100-400nm厚的ZnO源和漏电极，然后在栅极区域形成100-400nm厚的ZnO栅电极。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明的器件由于采用了透明的ZnO作为栅电极和源漏电极，采用透明的双面抛光蓝宝石衬底，因而能够实现器件的全透明。
(2)本发明的器件由于对ZnO栅电极和源漏电极进行Al掺杂，提高了ZnO栅电极和ZnO源漏电极的电导率。
(3)本发明由于采用ZnO作为栅电极和源漏电极，提高了器件的抗辐照特性。
(4)本发明实现了器件高特性和全透明，非常适合太空太阳能电池领域的应用，同时也有利于用光学特性分析来研究材料和器件的缺陷、掺杂、电子状态。
附图说明
图1是本发明器件的剖面结构示意图；
图2是本发明器件的制作工艺流程示意图；
图3是本发明器件的源漏电极制作工艺流程图；
图4是本发明器件的栅电极制作工艺流程图。
参照图1，本发明器件的最下层为双面抛光蓝宝石衬底，蓝宝石衬底上为GaN缓冲层，GaN缓冲层上为本征GaN层，本征GaN层上为20nm的Al0.3Ga0.7N层，20nm的Al0.3Ga0.7N层上为2nm的GaN帽层；本征GaN层和Al0.3Ga0.7N层间形成二维电子气(2DEG)。GaN帽层上溅射有Al2O3掺杂的透明ZnO源、漏电极和栅电极，采用Si+离子注入辅助源漏电极欧姆接触的形成。
参照图2，本发明器件的制作给出以下三种实施例。
实施例1，本发明器件的制作，包括如下步骤：
步骤1.外延材料生长。
参照图1和图2，本步骤的具体实现如下：
(101)在双面抛光蓝宝石衬底基片上，利用MOCVD工艺，生长GaN缓冲层；
(102)在GaN缓冲层上，生长本征GaN层；
(103)在本征GaN层上，生长20nm厚的Al0.3Ga0.7N层，本征GaN层与Al0.3Ga0.7N层间形成2DEG；
(104)在Al0.3Ga0.7N层上，生长2nm厚的GaN帽层。
步骤2.源漏电极制作。
参照图1和图3，本步骤的具体实现如下：
(201)采用PECVD设备对器件进行表面SiN覆盖保护；
首先，将样片放入丙酮超声2min，其后在乙醇中超声1min，再在超纯水中冲洗1min，而后用氮气吹干；
接着，用1∶8的稀盐酸对样片表面进行处理，用超纯水冲洗，用氮气吹干；
最后，将样品放入到PECVD的腔体中，通入含量为2％的SiH4气体200sccm，氨气3sccm，氦气200sccm，在压强为600mT，温度为250℃的条件下，淀积厚度为100nm的氮化硅钝化层；
(202)采用RIE干法刻蚀去除源漏区域SiN进行离子注入窗口开孔；
在SiN覆盖的材料表面甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，然后在该样片光刻露出源漏电极图形；
采用光刻胶做掩模进行RIE干法刻蚀，刻蚀去除源漏区域SiN保护层，刻蚀时采用的电极功率为50W，压强为5mT，采用CF4/O2＝10∶1的气体比例进行刻蚀。
(203)采用离子注入机对源漏区域进行Si+注入，基板温度为40℃，注入剂量为1×1015/cm2，注入的离子能量为50keV；注入完成后整片干法刻蚀去除SiN掩模，刻蚀时采用的电极功率为50W，压强为5mT，采用CF4/O2＝10∶1的气体比例进行刻蚀。
(204)材料表面甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，然后在该样片再次光刻源漏电极图形。
(205)源漏电极淀积；
首先，采用DQ-500等离子体去胶机去除栅电极图形区未显影干净的光刻胶薄层，以提高剥离的成品率；
接着，采用磁控溅射的方法将靶材为掺有2％的Al2O3的ZnO靶材进行ZnO源漏电极的淀积。在压强为1Pa，衬底温度为25℃，溅射功率为30W的条件下，预溅射ZnO靶材5分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定，再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，形成100nm的ZnO源漏电极；
最后，将样片放入到丙酮中浸泡40min以上后进行超声处理，去除了非源漏区域的ZnO层，然后用氮气吹干；
步骤3.栅电极制作。
参照图1和图4，本步骤的具体实现如下：
(301)栅电极淀积：
首先，在该样片上甩正胶，甩胶台的转速为5000转/min，放入温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得栅电极图形；
接着，采用DQ-500等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，然后采用磁控溅射的方法将靶材为掺有2％的Al2O3的ZnO靶材进行ZnO栅电极的淀积。在压强为1Pa，衬底温度为25℃，溅射功率为30W的条件下，预溅射ZnO靶材5分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定，再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，形成100nm的ZnO栅电极层；
最后，将蒸发完源漏金属的样片放入丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干形成栅电极，完成器件制作。
实施例2，本发明器件的制作，包括如下步骤：
步骤1.外延材料生长。
参照图1和图2，本步骤的具体实现如下：
(101)在双面抛光蓝宝石衬底基片上，利用MOCVD工艺，生长GaN缓冲层；
(102)在GaN缓冲层上，生长本征GaN层；
(103)在本征GaN层上，生长20nm厚的Al0.3Ga0.7N层，本征GaN层与Al0.3Ga0.7N层间形成2DEG；
(104)在Al0.3Ga0.7N层上，生长2nm厚的GaN帽层。
步骤2.源漏电极制作。
参照图1和图3，本步骤的具体实现如下：
(201)采用PECVD设备对器件进行表面SiN覆盖保护；
首先，将样片放入丙酮超声2min，其后在乙醇中超声1min，再在超纯水中冲洗1min，而后用氮气吹干；
接着，用1∶8的稀盐酸对样片表面进行处理，用超纯水冲洗，用氮气吹干；
最后，将样品放入到PECVD的腔体中，通入含量为2％的SiH4气体200sccm，氨气3sccm，氦气200sccm，在压强为600mT，温度为250℃的条件下，淀积厚度为150nm的氮化硅钝化层；
(202)采用RIE干法刻蚀去除源漏区域SiN进行离子注入窗口开孔；
在SiN覆盖的材料表面甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，然后在该样片光刻露出源漏电极图形；
采用光刻胶做掩模进行RIE干法刻蚀，刻蚀去除源漏区域SiN保护层，刻蚀时采用的电极功率为50W，压强为5mT，采用CF4/O2＝10∶1的气体比例进行刻蚀。
(203)采用离子注入机对源漏区域进行Si+注入，基板温度为40℃，注入剂量为1×1015/cm2，注入的离子能量为50keV；注入完成后整片干法刻蚀去除SiN掩模，刻蚀时采用的电极功率为50W，压强为5mT，采用CF4/O2＝10∶1的气体比例进行刻蚀。
(204)材料表面甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，然后在该样片再次光刻源漏电极图形。
(205)源漏电极淀积；
首先，采用DQ-500等离子体去胶机去除栅电极图形区未显影干净的光刻胶薄层，以提高剥离的成品率；
接着，采用磁控溅射的方法将靶材为掺有2.5％的Al2O3的ZnO靶材进行ZnO源漏电极的淀积。在压强为2Pa，衬底温度为50℃，溅射功率为50W的条件下，预溅射ZnO靶材5分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定，再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，形成200nm的ZnO源漏电极；
最后，将样片放入到丙酮中浸泡40min以上后进行超声处理，去除了非源漏区域的ZnO层，然后用氮气吹干；
步骤3.栅电极制作。
参照图1和图4，本步骤的具体实现如下：
(301)栅电极淀积：
首先，在该样片上甩正胶，甩胶台的转速为5000转/min，放入温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得栅电极图形；
接着，采用DQ-500等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，然后采用磁控溅射的方法将靶材为掺有2.5％的Al2O3的ZnO靶材进行ZnO栅电极的淀积。在压强为2Pa，衬底温度为50℃，溅射功率为50W的条件下，预溅射ZnO靶材5分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定，再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，形成200nm的ZnO栅电极层；
最后，将蒸发完源漏金属的样片放入丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干形成栅电极，完成器件制作。
实施例3，本发明器件的制作，包括如下步骤：
步骤1.外延材料生长。
参照图1和图2，本步骤的具体实现如下：
(101)在双面抛光蓝宝石衬底基片上，利用MOCVD工艺，生长GaN缓冲层；
(102)在GaN缓冲层上，生长本征GaN层；
(103)在本征GaN层上，生长20nm厚的Al0.3Ga0.7N层，本征GaN层与Al0.3Ga0.7N层间形成2DEG；
(104)在Al0.3Ga0.7N层上，生长2nm厚的GaN帽层。
步骤2.源漏电极制作。
参照图1和图3，本步骤的具体实现如下：
(201)采用PECVD设备对器件进行表面SiN覆盖保护；
首先，将样片放入丙酮超声2min，其后在乙醇中超声1min，再在超纯水中冲洗1min，而后用氮气吹干；
接着，用1∶8的稀盐酸对样片表面进行处理，用超纯水冲洗，用氮气吹干；
最后，将样品放入到PECVD的腔体中，通入含量为2％的SiH4气体200sccm，氨气3sccm，氦气200sccm，在压强为600mT，温度为250℃的条件下，淀积厚度为200nm的氮化硅钝化层；
(202)采用RIE干法刻蚀去除源漏区域SiN进行离子注入窗口开孔；
在SiN覆盖的材料表面甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，然后在该样片光刻露出源漏电极图形；
采用光刻胶做掩模进行RIE干法刻蚀，刻蚀去除源漏区域SiN保护层，刻蚀时采用的电极功率为50W，压强为5mT，采用CF4/O2＝10∶1的气体比例进行刻蚀。
(203)采用离子注入机对源漏区域进行Si+注入，基板温度为40℃，注入剂量为1×1015/cm2，注入的离子能量为50keV；注入完成后整片干法刻蚀去除SiN掩模，刻蚀时采用的电极功率为50W，压强为5mT，采用CF4/O2＝10∶1的气体比例进行刻蚀。
(204)材料表面甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，然后在该样片再次光刻源漏电极图形。
(205)源漏电极淀积；
首先，采用DQ-500等离子体去胶机去除栅电极图形区未显影干净的光刻胶薄层，以提高剥离的成品率；
接着，采用磁控溅射的方法将靶材为掺有3％的Al2O3的ZnO靶材进行ZnO源漏电极的淀积。在压强为3Pa，衬底温度为90℃，溅射功率为80W的条件下，预溅射ZnO靶材5分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定，再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，形成400nm的ZnO源漏电极；
最后，将样片放入到丙酮中浸泡40min以上后进行超声处理，去除了非源漏区域的ZnO层，然后用氮气吹干；
步骤3.栅电极制作。
参照图1和图4，本步骤的具体实现如下：
(301)栅电极淀积：
首先，在该样片上甩正胶，甩胶台的转速为5000转/min，放入温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得栅电极图形；
接着，采用DQ-500等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，然后采用磁控溅射的方法将靶材为掺有3％的Al2O3的ZnO靶材进行ZnO栅电极的淀积。在压强为3Pa，衬底温度为90℃，溅射功率为80W的条件下，预溅射ZnO靶材5分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定，再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，形成400nm的ZnO栅电极层；
最后，将蒸发完源漏金属的样片放入丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干形成栅电极，完成器件制作。
Claims (5)
1.一种AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，依次包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、本征GaN层、Al0.3Ga0.7N层和GaN帽层，帽层上设有源电极、漏电极和栅电极，其特征在于源电极、漏电极和栅电极均采用透明的ZnO材料，蓝宝石衬底采用透明双面抛光蓝宝石，以实现器件全透明。
2.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于ZnO材料为掺杂有Al2O3的透明高电导率材料。
3.一种AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制作方法，包括如下步骤：
(1)在双面抛光蓝宝石基片上，利用MOCVD工艺，依次生长GaN缓冲层、本征GaN层、Al0.3Ga0.7N层和GaN帽层；
(2)在生长的GaN帽层表面利用PECVD工艺淀积100nm-200nm的SiN钝化层；光刻出源漏区域并采用RIE干法刻蚀去除源漏区域SiN；
(3)利用SiN做掩模在源极、漏极区域采用离子注入工艺注入Si+离子；
(4)采用光刻剥离工艺在Si离子注入的源极、漏极区域溅射出100-400nm厚的ZnO层形成透明的源极和漏极；
(5)采用光刻剥离工艺在栅极区域溅射出100-400nm厚的ZnO层形成透明的栅电极。
4.根据权利要求3所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管制作方法，其中步骤(4)的具体实现是采用磁控溅射的方法将靶材为掺有2-3％Al2O3的ZnO粉末，在压强为1-3Pa，衬底温度为25-90℃，溅射功率为30-80W的条件下，预溅射ZnO靶材5分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定；再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，分别形成100-400nm厚的ZnO源电极和漏电极。
5.根据权利要求3所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管制作方法，其中步骤(5)的具体实现是采用磁控溅射的方法将靶材为掺有2-3％Al2O3的ZnO粉末，在压强为1-3Pa，衬底温度为25-90℃，溅射功率为30-80W的条件下，预溅射ZnO靶材5分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定；再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，形成100-400nm厚的ZnO栅电极。
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