CN102214584A - 一种制造InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管的方法 - Google Patents

一种制造InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管的方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种制造InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管的方法，其工艺步骤包括在衬底上依次生长成核层、AlxGa1-xN缓冲层、GaN沟道层、AlxGa1-xN插入层和高In组分InxAl1-xN下势垒层，然后再生长AlxGa1-xN插入层并覆盖低In组分InxAl1-xN上势垒层，构成复合势垒；在复合势垒上制作源电极和漏电极，在预留制作栅电极的区域用微电子工艺去除InxAl1-xN上势垒层和AlxGa1-xN插入层，制作栅电极。优点：提高GaN增强型场效应管的工艺可控性和场效应管稳定性，降低正栅压工作下的栅漏电流，增大场效应管输出电流密度。

Description

一种制造InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管的方法
技术领域
本发明涉及的是一种制造InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管的方法，属于半导体场效应管技术领域。
背景技术
GaN材料具有很强的极化效应，常规的AlGaN/GaN异质结构即使未掺杂，也可获得高达1013cm-2面密度的二维电子气，是一种天然的n沟道耗尽型场效应管。目前，基于AlGaN/GaN异质结构实现增强型场效应管的方法主要有两种，一是挖槽技术，通过挖槽减薄AlGaN势垒层，利用表面势耗尽二维电子气。在该结构中，要保证场效应管输出电流密度，势垒层中Al组分一般为0.25-0.3左右，势垒层厚度为20nm-30nm左右,而实现增强型场效应管要求势垒层厚度减薄到5nm以下，深挖槽工艺不仅对工艺的可控性和稳定性提出了苛刻的要求，而且会带来较大的刻蚀损伤，另外，由于势垒层很薄、势垒高度较低导致正栅压下漏电严重，影响场效应管性能。第二种实现增强型场效应管的方法为氟处理技术，通过在AlGaN势垒层中引入带负电荷的氟离子达到耗尽二维电子气的目的。然而，氟离子在高温下的可动性对场效应管的可靠性带来了潜在威胁，且高浓度负离子降低了正栅压工作时的电流密度。常规基于AlGaN/GaN异质结构实现GaN增强型场效应管的方法由于工艺可控性不高，场效应管性能不稳定，难为满足大规模应用的需求。
发明内容
本发明提出的是一种制造InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管的方法，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，利用不同In组分的InxAl1-xN复合势垒界面的极化电荷增大能带裁剪力度，提高工艺的可控性，降低刻蚀损伤，利用高In组分InxAl1-xN下势垒层一方面在零栅压下可以耗尽二维电子气，实现正向阈值电压，另一方面高In组分InxAl1-xN与GaN具有大的能带带阶，形成高势垒，可以降低正栅压工作下的栅漏电，利用低In组分的InxAl1-xN上势垒层的强极化效应降低栅外沟道的量子阱阱位，提高二维电子气密度，降低串联电阻，提高场效应管输出电流。提高GaN增强型场效应管的工艺可控性和场效应管稳定性，降低正栅压工作下的栅漏电流，增大场效应管输出电流密度。
本发明的技术解决方案：通过减薄势垒层实现增强型工作模式，该方法包括如下工艺步骤：
一、在衬底上依次生长成核层、AlxGa1-xN缓冲层、GaN沟道层、AlxGa1-xN插入层和高In组分InxAl1-xN下势垒层，使沟道中不产生二维电子气；
二、在高In组分InxAl1-xN下势垒层上生长AlxGa1-xN插入层，再覆盖低In组分InxAl1-xN上势垒层，构成复合势垒,使沟道产生高浓度二维电子气；
三、在InxAl1-xN上势垒层上制作源电极(21)和漏电极；
四、用微电子工艺在预留制作栅电极的区域去除低In组分InxAl1-xN上势垒层和AlxGa1-xN插入层；
五、在去除低In组分InxAl1-xN上势垒层和AlxGa1-xN插入层的区域制作栅电极。
本发明的优点：利用不同In组分的InxAl1-xN复合势垒界面的极化电荷增大能带裁剪力度，提高工艺的可控性，降低刻蚀损伤，利用高In组分InxAl1-xN下势垒层一方面在零栅压下可以耗尽二维电子气，实现正向阈值电压，另一方面高In组分InxAl1-xN与GaN具有大的能带带阶，形成高势垒，可以降低正栅压工作下的栅漏电，利用低In组分的InxAl1-xN上势垒层的强极化效应降低栅外沟道的量子阱阱位，提高二维电子气密度，降低串联电阻，提高场效应管输出电流。低/高In组分InxAl1-xN复合势垒具有大的裁剪力度，不仅可以提高工艺的可控性和稳定性、抑制栅极隧穿电流、降低沟道串联电阻、增大场效应管的输出电流，实现稳定可靠的高性能GaN增强型场效应管，而且易于实现增强型场效应管与耗尽型场效应管集成。
附图说明
附图1是GaN场效应管的电极、势垒和沟道结构示意图。
附图2是本发明InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管的材料结构示意图。
附图3是本发明InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管的场效应管结构示意图。
图中的1是栅、2是源、3是漏、4是栅势垒、5是源势垒、6是漏势垒、7是栅源电极间的势垒、8是栅漏电极间的势垒、9是内沟道、10是外沟道、11是外沟道、12是衬底、13是成核层、14是AlxGa1-xN缓冲层、15是GaN沟道层、16是AlxGa1-xN插入层、17是InxAl1-xN下势垒层、18是AlxGa1-xN插入层、19是InxAl1-xN上势垒层、20是栅电极、21是源电极、22是漏电极、23是InxAl1-xN上势垒层、24是AlxGa1-xN插入层、25是InxAl1-xN下势垒层。
具体实施方式
对照附图1，GaN场效应管的电极、势垒和沟道结构是栅1，源2，漏3分别表示场效应管的栅电极、源电极和漏电极，电极下的栅势垒4、源势垒5、和漏势垒6表示栅、源和漏电极下的势垒结构。源栅电极间的势垒7和栅漏电极间的势垒8表示电极间的势垒结构。增强型场效应管要求零栅压下内沟道9必须夹断，正栅压下具有高的势垒以降低栅漏电，而外沟道10、11必须打开，且具有高浓度二维电子气以降低串联电阻。因此，栅势垒4必须具有不同于栅源电极间的势垒7和栅漏电极间的势垒8的异质结构。源势垒5和漏势垒6厚度较薄，而且能感生高浓度二维电子气，易于降低欧姆接触电阻。通过能带裁剪，设计生长不同In组分的InxAl1-xN复合势垒异质结构，结合栅挖槽工艺，可以满足场效应管不同区域对势垒层的特殊要求。
对照图2、3，描述InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管制作方法的步骤：在衬底12上生长成核层13，AlxGa1-xN缓冲层14和GaN沟道层15；接着生长AlxGa1-xN插入层16和高In组分InxAl1-xN下势垒层17，使沟道中不产生二维电子气；然后再生长AlxGa1-xN插入层18，并覆盖低In组分InxAl1-xN上势垒层19来获得高浓度二维电子气；完成隔离工艺后首先在复合势垒层上制作源电极21和漏电极22，再光刻开窗暴露出制作栅电极的区域，用氯基电感耦合等离子体干法刻蚀工艺去除该区域的InxAl1-xN上势垒层23和AlxGa1-xN插入层24，在InxAl1-xN下势垒层25上制作肖特基接触栅电极20。
实施例1：
选取GaN为缓冲层14，生长15nm不掺杂GaN作沟道层15，再在其上生长0.7nm不掺杂Al0.5Ga0.5N插入层16和5nm不掺杂In0.25Al0.75N下势垒层17，然后生长1nm不掺杂AlN插入层18,最后覆盖8nm不掺杂In0.17Al0.83N上势垒层19。自洽求解薛定谔方程和泊松方程算得沟道电子气密度高达2.04×1013cm-2，不仅降低了串联电阻，而且由于总势垒厚度只有14.7nm，大大增加了隧穿几率，降低了欧姆接触电阻。当去除In0.17Al0.83N上势垒层19和AlN插入层18时，计算表明零栅压下没有二维电子气形成，实现增强型工作模式，由于挖槽深度只有9nm,且AlN插入层可以提高刻蚀工艺的选择比，从而有效提高工艺的可控性和稳定性。
实施例2：
选取Al0.04Ga0.96N为缓冲层14，生长15nm不掺杂GaN作沟道层15，再在其上生长0.8nm不掺杂Al0.7Ga0.3N插入层16和5nm不掺杂In0.25Al0.75N下势垒层17，然后生长1nm不掺杂AlN插入层18,最后覆盖8nm不掺杂In0.17Al0.83N上势垒层19。自洽求解薛定谔方程和泊松方程算得沟道电子气密度高达1.9×1013cm-2，不仅降低了串联电阻，而且由于总势垒厚度只有14.8nm，大大增加了隧穿几率，降低了欧姆接触电阻。当去除In0.17Al0.83N上势垒层19和AlN插入层18时，计算表明零栅压下没有二维电子气形成，实现增强型工作模式，由于挖槽深度只有9nm,且AlN插入层可以提高刻蚀工艺的选择比，从而有效提高工艺的可控性和稳定性。
本发明将不同In组分的InxAl1-xN势垒层结合构成复合势垒，利用复合势垒异质界面上的极化电荷增大裁剪力度，便于实现电子气从高浓度积累到耗尽的转变，提高工艺可控性和稳定性。同时利用InxAl1-xN复合势垒异质界面上的正极化电荷来降低沟道阱阱位，增加二维电子气密度，降低串联电阻和欧姆接触电阻，在挖槽去除InxAl1-xN上势垒层和AlxGa1-xN插入层后，二维电子气耗尽，实现增强型工作模式，同时InxAl1-xN下势垒层仍具有较高的势垒高度和宽度，使正栅压工作下沟道中的电子气仍保持强二维特性，降低栅
漏电流。在这种复合势垒中，通过调节InxAl1-xN复合势垒的In组分和厚度，可以有效控制势垒形状，沟道阱阱位和二维电子气密度，实现稳定的高性能GaN增强型场效应管。

Claims (8)

1.一种制造InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管的方法，其特征是该方法包括如下艺步骤：
一、在衬底上依次生长成核层(13)、AlxGa1-xN缓冲层(14)、GaN沟道层(15)、AlxGa1-xN插入层(16)和高In组分InxAl1-xN下势垒层(17)，使沟道中不产生二维电子气；
二、在高In组分InxAl1-xN下势垒层(17)上生长AlxGa1-xN插入层(18)，再覆盖低In组分InxAl1-xN上势垒层(19)，构成复合势垒,使沟道产生高浓度二维电子气；
三、在InxAl1-xN上势垒层(23)上制作源电极(21)和漏电极(22)；
四、用微电子工艺在预留制作栅电极的区域去除低In组分InxAl1-xN上势垒层(23)和AlxGa1-xN插入层(24)；
五、在去除低In组分InxAl1-xN上势垒层和AlxGa1-xN插入层的区域制作栅电极(20)；式中的x是组分。
2.根据权利要求1所述的一种制造InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管的方法，其特征是AlxGa1-xN缓冲层(14)Al组分0≤x≤0.1，包括GaN。
3.根据权利要求1所述的一种制造InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管的方法，其特征是AlxGa1-xN插入层(16)Al组分0≤x≤1，包括AlN。
4.根据权利要求1所述的一种制造InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管的方法，其特征是AlxGa1-xN插入层(18)Al组分0≤x≤1，包括AlN。
5.根据权利要求4所述的一种制造InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管的方法，其特征是所述的AlxGa1-xN插入层(18)可以不被采用。
6.根据权利要求1所述的一种制造InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管的方法，其特征是InxAl1-xN下势垒层(17)的In组分0<x≤0.5。
7.根据权利要求1所述的一种制造InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管的方法，其特征是InxAl1-xN上势垒层(19)的In组分0≤x≤0.5。
8.根据权利要求1所述的一种制造InxAl1-xN复合势垒GaN增强型场效应管的方法，其特征是InxAl1-xN下势垒层(17)In组分大于InxAl1-xN上势垒层(19)In组分。
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