CN102299176B - 一种铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

一种铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管，属于微电子技术领域。包括(0001)晶向的GaN薄膜和Al_xGa_1-xN(0＜x≤1)薄膜形成的GaN异质结；在Al_xGa_1-xN薄膜上具有栅、源、漏电极，在栅电极与Al_xGa_1-xN薄膜之间具有栅介质薄膜；所述栅介质薄膜或者是LiNbO₃(LNO)铁电薄膜、或者是LiTaO₃(LTO)铁电薄膜、或者是M元素掺杂的LNO或LTO铁电薄膜。由于LNO或LTO铁电薄膜中的C+方向铁电自发极化的作用，导致AlGaN/GaN异质结中的2DEG被完全耗尽，从而使得本发明提供的铁电薄膜栅GaN异质结场效应晶体管表现出常关特征，即形成增强型器件。本发明提供的铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管具有结构简单的特点，且实现工艺简单、重复性好、稳定性和可靠性高。

Description

一种铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及铁电功能薄膜材料、半导体器件，具体指一种增强型GaN异质结场效应晶体管。

背景技术

作为一类新型的宽禁带半导体材料，GaN具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、载流子迁移率高、抗辐射能力强等特点，在微电子与光电子器件中有广泛的应用。基于其自身所具有的较强的压电极化和自发极化，在非有意掺杂的情况下，AlGaN/GaN异质结中能够形成浓度高达10¹³cm^-2的二维电子气。因此，GaN基材料在大功率密度、高频、高速电子器件领域具有极其广泛的应用前景。

但是，由于GaN是一种强极性半导体材料，在AlGaN/GaN异质结界面自然形成高浓度的2DEG，在通常情况下很难耗尽AlGaN/GaN异质结界面的2DEG，所以，通常GaN异质结场效应晶体管均为耗尽型，即：在零偏压下GaN异质结场效应晶体管处于常开状态，只有在栅上加一定大小的负偏压时，才能使器件处于关断状态。从使用的安全性、节能及电子线路的简化方面考虑，该类耗尽型器件的应用性受到极大的限制。因此，开发具有常关特征的增强型器件成为GaN异质结类半导体器件的关键。为此，研究工作者一直在探索增强型GaN异质结场效应晶体管的实现方法。目前，国内外研究人员已采用多种方法研制出增强型GaN场效应管器件：

1、通过能带设计和剪切降低GaN异质结界面的2DEG浓度，从而实现增强型GaN异质结场效应晶体管。

这一方法的最大缺点是无法实现与耗尽型GaN异质结场效应晶体管的兼容，也就是说：无法在同一片材料上既制造增强型GaN异质结场效应晶体管，还研制出耗尽型GaN异质结场效应晶体管。因此，这种方法无法满足GaN数字逻辑电路的研制需要。

2、通过减薄栅区下方的AlGaN势垒层厚度，降低栅区的2DEG浓度，从而实现增强型GaN异质结场效应晶体管。

这种方法虽然有效，但其最大的问题是：由于很难监控刻蚀速率，导致栅区下方的AlGaN势垒层的厚度难以准确控制。因此，所制造的增强型GaN异质结场效应晶体管的性能一致性和重复性难以保证，这对于GaN数字逻辑电路的研制来说，同样是很难接受的。

3、对栅区下方的AlGaN势垒层注入F离子，耗尽栅区的2DEG，从而实现增强型GaN异质结场效应晶体管。

这种方法虽然避免了以上两种方法的缺点，但其最大的问题是栅区AlGaN势垒层的F离子注入会破坏GaN异质结界面特性，使增强型GaN场效应晶体管的性能退化。

总之，现有的增强型GaN异质结场效应晶体管技术方案都存在较大问题，需要发明新的技术方法，既能实现增强型GaN异质结场效应晶体管与耗尽型GaN异质结场效应晶体管在制造工艺上的兼容，又能最大限度地保证增强型GaN异质结场效应晶体管与耗尽型GaN异质结场效应晶体管性能相当。

铁电氧化物作为一种特殊的介质材料，具有铁电自发极化特性，通过界面耦合效应，由铁电材料与GaN类半导体所构成的异质体系会表现出一些新颖的性质，如存储和敏感特性等。但根据现有文献的报道，已有的铁电薄膜/GaN异质结半导体器件(铁电薄膜作为栅介质材料)均表现出常开的特征，即属于耗尽型器件。特别是，多数铁电氧化物薄膜的特殊制备工艺条件(如高温和氧气氛条件)将大大增加上述技术所制备器件的不稳定性。

发明内容

本发明提供一种铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管，该增强型(常关型)GaN异质结场效应晶体管以铁电薄膜为栅介质材料，其结构简单，实现工艺简单、重复性好、稳定性和可靠性高。

本发明技术方案如下：

一种铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管，如图1所示，包括位于衬底表面、(0001)晶向的GaN薄膜，位于GaN薄膜表面、(0001)晶向的Al_xGa_1-xN(0＜x≤1)薄膜；所述Al_xGa_1-xN薄膜与GaN薄膜形成GaN异质结；在所述Al_xGa_1-xN薄膜上具有栅、源、漏电极，其中栅电极位于源电极和漏电极之间，且在栅电极与Al_xGa_1-xN薄膜之间具有栅介质薄膜；所述栅介质薄膜或者是LiNbO₃(LNO)铁电薄膜、或者是LiTaO₃(LTO)铁电薄膜、或者是M元素掺杂的LNO或LTO铁电薄膜。

上述技术方案中，所述M元素掺杂的LNO或LTO铁电薄膜的掺杂元素M为Mg、Ca、Sr、Zn或Fe中的一种或几种，并且化学配比满足(Li+M)∶Nb(或Ta)∶O＝1∶1∶3。

上述技术方案中，所述衬底材料为碳化硅、硅或蓝宝石。

本发明首次利用脉冲激光沉积技术，在AlGaN/GaN异质结表面外延生长出LNO或LTO铁电薄膜，并利用铁电自发极化对2DEG的调制作用成功研制出铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管。实验发现：在(0001)晶向的GaN异质结(GaN薄膜和Al_xGa_1-xN薄膜都是(0001)晶向)的Al_xGa_1-xN薄膜表面外延生长的LNO或LTO铁电薄膜为一维铁电材料(仅具有180°铁电畴)，其电筹取向主要以C+方向(由面内指向面外)为主，即LNO或LTO铁电薄膜具有C+方向的铁电自发极化；而(0001)晶向的GaN异质结的自发极化方向主要为C-方向(由面外指向面内)。由于LNO或LTO铁电薄膜的自发极化方向与GaN异质结的自发极化方向相反，加之异质结构中界面极化的不连续性，通过界面耦合作用，LNO或LTO铁电薄膜中的铁电自发极化将对GaN异质结中的2DEG产生调制作用。在无外加电场的条件下，根据2DEG的形成机理，薄膜中的C+方向铁电自发极化会导致2DEG中电子数量的减少；当LNO或LTO铁电薄膜中的铁电自发极化强度达到某一值后，2DEG中的电子全部被耗尽，使得本发明提供的铁电薄膜栅GaN异质结场效应晶体管表现出常关特征，即形成增强型器件。当施加一定的正向栅极电压，电子逐渐在沟道区形成积累，导电沟道形成导通。该类场效应管器件的开启电压主要是由铁电自发极化决定的。通过改变LNO薄膜中的铁电自发极化的大小可以实现对器件操作模式的有效调制。

本发明的有益效果是：

本发明首次利用脉冲激光沉积技术，在AlGaN/GaN异质结表面外延生长出LNO或LTO铁电薄膜，并利用铁电自发极化对2DEG的调制作用成功研制出铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管。由于LNO或LTO铁电薄膜中的C+方向铁电自发极化的作用，导致AlGaN/GaN异质结中的2DEG被完全耗尽，从而使得本发明提供的铁电薄膜栅GaN异质结场效应晶体管表现出常关特征，即形成增强型器件。此外，由于LNO或LTO铁电材料具有与GaN材料相似的晶格结构，使得LNO或LTO铁电薄膜可直接外延生长于AlGaN薄膜表面且具有高质量的界面而无需任何缓冲层。同时，LNO或LTO铁电薄膜的生长温度较低(500℃左右)，较低的生长温度可以有效避免生长过程中高温条件对AlGaN/GaN异质结中的2DEG的损伤；而且LNO或LTO铁电薄膜是自发极化强度最大(约80μC/cm²)的铁电材料之一，这无疑有利于增强铁电极化对半导体中载流子的调制作用。总之，本发明提供的铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管具有结构简单的特点，且实现工艺简单、重复性好、稳定性和可靠性高。

附图说明

图1为本发明提供的铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管的结构示意图。

图2为本发明提供的铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管的电学性质。其中图2(a)为输出性质；图2(b)为转移特性。

图3为在不同外加电场条件下LNO/AlGaN/GaN异质结构中AlGaN/GaN界面处的能带结构和电荷分布。图3(a)无外加电场作用；图3(b)为外加电压为0.5V；图3(c)为外加电压为1.0V；图3(d)为外加电压为2.0V。

图4为本发明提供的铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管(LNO/AlGaN/GaN场效应晶体管)的开启电压(V_th)与铁电自发极化(P_f)之间的关系。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

一种铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管，如图1所示，包括位于衬底表面、(0001)晶向的GaN薄膜；位于GaN薄膜表面、(0001)晶向的Al_xGa_1-xN薄膜，其中0＜x≤1；所述Al_xGa_1-xN薄膜与GaN薄膜形成GaN异质结；在所述Al_xGa_1-xN薄膜上具有栅、源、漏电极，其中栅电极位于源电极和漏电极之间，且在栅电极与Al_xGa_1-xN薄膜之间具有栅介质薄膜；其特征在于，所述栅介质薄膜或者是LiNbO₃(LNO)铁电薄膜、或者是LiTaO₃(LTO)铁电薄膜、或者是M元素掺杂的LNO或LTO铁电薄膜。其中，所述M元素掺杂的LNO或LTO铁电薄膜的掺杂元素M为Mg、Ca、Sr、Zn或Fe中的一种或几种，并且化学配比满足(Li+M)∶Nb(或Ta)∶O＝1∶1∶3；所述衬底材料为碳化硅、硅或蓝宝石。

上述铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管的主要制备过程如下：首先利用光刻工艺在AlGaN/GaN异质结表面定义出源极、栅极和漏极区域，然后采用电子束蒸发工艺分别在源极区和漏极区制备源极和漏极欧姆电极，再利用激光沉积技术(PLD)在AlGaN/GaN异质结表面栅极区域外延生长LNO或LTO铁电薄膜(也可以是M元素掺杂的LNO或LTO铁电薄膜)作为栅介质，最后在LNO或LTO铁电薄膜栅介质表面沉积金属栅电极。

图1为所制备的LNO/AlGaN/GaN场效应管器件的结构示意图。其中栅极长度为5μm，源漏间距为15μm，栅极宽度为100μm。

图2为所制备的LNO/AlGaN/GaN场效应管器件的电学性质。图2(a)为输出性质。输出性质曲线具有明显的饱和和关断特征，这说明了良好的器件结构和高质量的LNO薄膜；图2(b)为转移特性。从转移特性曲线，可以得到所制备器件的开启电压，其值为+1.0V。这说明了所制备的LNO/AlGaN/GaN场效应管器件为增强型场效应管器件，具有常关特征。

图3为在不同外加电场条件下LNO/AlGaN/GaN异质结构中AlGaN/GaN界面处的能带结构和电荷分布。图3(a)无外加电场作用；图3(b)为外加电压为0.5V；图3(c)为外加电压为1.0V；图3(d)为外加电压为2.0V。通过对电位移方程和泊松方程的数值求解，进一步从界面能带结构和电荷分布方面说明了LNO/AlGaN/GaN场效应管器件中“增强效应”机理。

图4为LNO/AlGaN/GaN场效应管器件的开启电压(V_th)与铁电自发极化(P_f)之间的关系。通过控制LNO薄膜的制备工艺，可改变薄膜的铁电自发极化强度的大小，从而实现不同的器件操作模式。数值计算结果进一步说明了铁电自发极化强度与器件开启电压间的关系。当铁电自发极化小于3.7μC/cm²，开启电压小于0，器件为耗尽型，即常开型；当铁电自发极化大于3.7μC/cm²，开启电压大于0，器件为增强型，即常关型，并且随着铁电自发极化的增加，开启电压逐渐增大。

图1至图4，尤其是图2至图4描述的是本发明提供的一种具体的铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管的结构及相关性能示意，其中铁电薄膜栅为LNO铁电薄膜。本领域普通技术人员应当知道，将其中的LNO铁电薄膜换成LTO铁电薄膜、或者是M元素掺杂(M为Mg、Ca、Sr、Zn或Fe中的一种或几种，并且化学配比满足(Li+M)∶Nb∶O＝1∶1∶3或(Li+M)∶Ta∶O＝1∶1∶3)的LNO或LTO铁电薄膜，其结构和性能相似。

Claims (2)

1.一种铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管，包括位于衬底表面、（0001）晶向的GaN薄膜；位于GaN薄膜表面、（0001）晶向的Al_xGa_1-xN薄膜，其中0＜x≤1；所述Al_xGa_1-xN薄膜与GaN薄膜形成GaN异质结；在所述Al_xGa_1-xN薄膜上具有栅、源、漏电极，其中栅电极位于源电极和漏电极之间，且在栅电极与Al_xGa_1-xN薄膜之间具有栅介质薄膜；其特征在于，所述栅介质薄膜或者是LiNbO₃（LNO）铁电薄膜、或者是LiTaO₃（LTO）铁电薄膜、或者是M元素掺杂的LNO或LTO铁电薄膜，其中所述M元素掺杂的LNO或LTO铁电薄膜的掺杂元素M为Mg、Ca、Sr、Zn或Fe中的一种或几种，并且化学配比满足(Li＋M)∶Nb∶O＝1∶1∶3或(Li＋M)∶Ta∶O＝1∶1∶3。

2.根据权利要求1所述的铁电薄膜栅增强型GaN异质结场效应晶体管，其特征在于，所述衬底材料为碳化硅、硅或蓝宝石。

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