CN102569390A - 高击穿氮化镓基场效应晶体管器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高击穿氮化镓基场效应晶体管器件及其制作方法，首先在衬底上生长成核层；在成核层上生长低铝组分的铝镓氮高阻缓冲层；在铝镓氮高阻缓冲层上生长高迁移率氮化镓沟道层；在氮化镓沟道层上生长薄层的氮化铝隔离层；在氮化铝隔离层上生长铝镓氮势垒层；在铝镓氮势垒层上生长薄层的氮化物帽层；以及在所述氮化物帽层上形成源电极、漏电极以及栅电极。本发明降低了工艺的复杂性，并有效提高了氮化镓基场效应晶体管器件的击穿电压，同时提升了沟道中电子的迁移率。

Description

高击穿氮化镓基场效应晶体管器件及其制作方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种高击穿氮化镓基场效应晶体管器件及其制作方法。

背景技术

III-V族氮化镓(GaN)基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度大、化学稳定性好、抗辐射、耐高温、易形成异质结等优势，成为制造高温、高频、大功率、抗辐射高电子迁移率晶体管(HEMT)结构的首选材料。GaN HEMT微波功率器件广泛应用于无线通信、数字广播、移动通信基站、卫星地面站、航空航天、雷达、电子对抗设备、军用制导以及空间通讯等民用和军用领域中。

器件的高漏电、低击穿电压是一直制约GaN HEMT器件可靠性、实用化的一大难题，在完全截止条件下器件击穿电压(BV_off)决定了微波功率器件的最大输出功率P_max＝I_max×BV_off/8，其中I_max是器件的最大输出电流。具有低漏电、高击穿特性的HEMT器件离不开高质量、稳定、可靠的绝缘缓冲层。由于GaN材料没有同质衬底，通常都是生长在有失配的异质衬底上，本底电子浓度高，很难得到高阻的GaN材料，从而导致GaN HEMT器件的高漏电、低击穿电压问题，这严重制约了器件可靠性、实用化。

一般传统的GaN HEMT高阻缓冲层的主要途径有离子注入、P型杂质掺杂或缺陷自补偿方式等，分别是通过在GaN材料中引入深能级缺陷、P型受主杂质或位错缺陷等来降低N型本底电子浓度，得到高阻的GaN缓冲层材料。但是获得的高阻GaN材料质量差，容易带来电流崩塌现象，恶化了器件的微波功率性能。并且，这些手段的工艺复杂度高，精确控制较为困难，存在严重的可靠性和稳定性问题。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决现有技术中的上述问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种工艺简单且具有更好绝缘性、高击穿性的氮化镓基场效应晶体管器件及其制作方法。

根据本发明的一个方面，本发明实施例提出了一种高击穿氮化镓基场效应晶体管器件的制作方法，所述方法包括以下步骤：a)提供一个衬底；b)在所述衬底上生长成核层；c)在所述成核层上生长低铝组分的铝镓氮高阻缓冲层；d)在所述铝镓氮高阻缓冲层上生长高迁移率氮化镓沟道层；e)在所述氮化镓沟道层上生长薄层的氮化铝隔离层；f)在所述氮化铝隔离层上生长铝镓氮势垒层；g)在所述铝镓氮势垒层上生长薄层的氮化物帽层；以及h)在所述氮化物帽层上形成源电极、漏电极以及栅电极。

根据本发明进一步的实施例，所述衬底为碳化硅、蓝宝石或者硅衬底。

根据本发明进一步的实施例，所述低铝组分为1％～10％。

根据本发明进一步的实施例，所述铝镓氮高阻缓冲层的厚度约为1～3μm

根据本发明进一步的实施例，所述高迁移率氮化镓沟道层的厚度为50～100nm。

根据本发明进一步的实施例，所述薄层氮化铝隔离层的厚度为1～3nm。

根据本发明进一步的实施例，所述铝镓氮势垒层为N型掺杂或非故意掺杂铝镓氮势垒层，所述势垒层的厚度为15～25nm。

根据本发明进一步的实施例，所述氮化物帽层为氮化镓、氮化铝或氮化硅。

根据本发明进一步的实施例，所述氮化物帽层的厚度为1～3nm。

根据本发明的另一方面，本发明的实施例提出一种高击穿氮化镓基场效应晶体管器件，所述器件包括：衬底；生长在所述衬底上的成核层；生长在所述成核层上的低铝组分的铝镓氮高阻缓冲层；生长在所述铝镓氮高阻缓冲层上的高迁移率氮化镓沟道层；生长在所述氮化镓沟道层上的薄层的氮化铝隔离层；生长在所述氮化铝隔离层上的铝镓氮势垒层；生长在所述铝镓氮势垒层上的薄层的氮化物帽层；以及形成在所述氮化物帽层上的源电极、漏电极以及栅电极。

根据本发明进一步的实施例，所述衬底为碳化硅、蓝宝石或者硅衬底。

根据本发明进一步的实施例，所述低铝组分为1％～10％。

根据本发明进一步的实施例，所述铝镓氮高阻缓冲层的厚度约为1～3μm

根据本发明进一步的实施例，所述高迁移率氮化镓沟道层的厚度为50～100nm。

根据本发明进一步的实施例，所述薄层氮化铝隔离层的厚度为1～3nm。

根据本发明进一步的实施例，所述铝镓氮势垒层为N型掺杂或非故意掺杂铝镓氮势垒层，所述势垒层的厚度为15～25nm。

根据本发明进一步的实施例，所述氮化物帽层为氮化镓、氮化铝或氮化硅。

根据本发明进一步的实施例，所述氮化物帽层的厚度为1～3nm。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用的高阻铝镓氮薄膜具有本底浓度低的特点，降低了高阻缓冲层制作工艺的复杂性，低铝组分的铝镓氮高阻缓冲层具有优良的绝缘性能，其稳定性、重复性好；

2、利用本发明，由铝镓氮高阻缓冲层引入的极化电场弱化了外加电场，有效地提高了氮化镓基场效应晶体管的击穿电压；

3、利用本发明，铝镓氮高阻缓冲层增强了对二维电子气的限制能力，提升了沟道中电子迁移率；

4、利用本发明，获得的高击穿氮化镓基场效应晶体管具有优异的微波功率性能。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的高击穿氮化镓基场效应晶体管器件的制作方法流程图；

图2为本发明实施例的高击穿氮化镓基场效应晶体管结构示意图；

图3为本发明实施例的高击穿氮化镓基场效应晶体管能带结构；

图4为本发明基于高阻铝镓氮薄膜和传统基于高阻氮化镓薄膜的氮化镓场效应晶体管关态击穿特性比较。

具体实施方式

本发明通常涉及一种高击穿氮化镓基场效应晶体管器件及其制作方法。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”及/或“上方”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

参考图1和图2，图1示出了根据本发明的实施例的高击穿氮化镓基场效应晶体管器件的制作方法流程图，图2示出了利用本发明实施例的氮化镓基场效应晶体管器件的制作方法获得的最终结构示意图。

在步骤101中，首先提供一个衬底202，衬底202可以是碳化硅、蓝宝石或者硅衬底。

在步骤102中，在衬底202上采用金属有机物化学气相沉积方法或分子束外延方法生长一层成核层，成核层204可以是低温的氮化铝或者氮化镓。

步骤103：在低温氮化铝或者氮化镓成核层204上采用金属有机物化学气相沉积方法或分子束外延方法等生长一层低铝Al组分的铝镓氮AlGaN高阻缓冲层206，其Al组分主要是通过V族反应源和III族反应源的含量比(即V/III比)来严格控制，该层本底浓度低，易形成优良的高阻绝缘性，并且该层的铝组分低，介于0.01～0.1之间，其对器件的热导率影响不大。优选地，铝镓氮高阻缓冲层206的厚度约为1～3μm。

步骤104：在低铝组分的铝镓氮高阻缓冲层206上采用金属有机物化学气相沉积方法或分子束外延方法生长一层高迁移率氮化镓GaN沟道层208。优选地，高迁移率氮化镓沟道层208的厚度为50～100nm。

步骤105：随后，采用金属有机物化学气相沉积方法或分子束外延方法，一薄层的氮化铝AlN隔离层210生长在高迁移率氮化镓沟道层208上。优选地，薄层氮化铝隔离层210的厚度为1～3nm。

步骤106：在薄层氮化铝隔离层210上采用金属有机物化学气相沉积方法或分子束外延方法生长N型掺杂或非故意掺杂铝镓氮AlGaN势垒层212。优选地，势垒层212的厚度为15～25nm。

步骤107：然后，将一薄层的氮化物帽层214生长在N型掺杂或非故意掺杂铝镓氮势垒层212上，该帽层214对应的氮化物为氮化镓、氮化铝或氮化硅。优选地，氮化物帽层214的厚度为1～3nm。

步骤108：在氮化物帽层214上形成源电极216、漏电极218以及栅电极220。

图2给出了基于本发明的高阻铝镓氮薄膜的具有高击穿性能的氮化镓基场效应晶体管结构示意图，如图2所示，通过上述制备方法得到的该晶体管结构自下而上依次为衬底202、成核层204、低Al组分的AlGaN高阻缓冲层206、高迁移率GaN沟道层208、AlN隔离层210、N型掺杂或非故意掺杂AlGaN势垒层212和氮化物帽层214，并且该晶体管的源216、漏218和栅218电极制作在上述材料层表面上，其中源216、漏218电极为欧姆接触，栅电极218采用肖特基接触。

图3为本发明基于高阻铝镓氮薄膜的高击穿氮化镓基场效应晶体管能带结构，它给出了GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)材料的电子能带随层厚的分布情况，其中E_F、E_C和E_V分别为GaN HEMT结构的电子费米能级、电子的导带底和价带顶能量。

如图3所示，与传统的GaN高阻缓冲层相比，低Al组分的AlGaN高阻缓冲层提高了电子的导带底和价带顶能量，有效地增强了对沟道中二维电子气的限制能力；并且，其形成的极化电场能够弱化器件的外加电场，有效地提高了氮化镓基场效应晶体管的击穿电压。

图4为本发明基于高阻铝镓氮薄膜和传统基于高阻氮化镓薄膜的氮化镓场效应晶体管的关态击穿特性比较，该测量结果以某一典型的GaNHEMT器件为代表，其结构尺寸为：源漏间距Lsd为4μm，栅长Lg为0.2μm，栅宽Lw为60μm，所测量的曲线是在器件处于关态(即栅极电压低于器件的阈值电压)情况下源漏间电流(Ids)随源漏电压(Vds)的变化。可以看出，基于AlGaN高阻缓冲层的GaN HEMT器件关态击穿特性明显优于传统GaN高阻缓冲层。

下面参考表1，表1为本发明基于高阻铝镓氮薄膜和传统高阻氮化镓薄膜的氮化镓场效应晶体管的电学输运特性比较。

表1

从表1可知，与传统的GaN高阻缓冲层相比，本发明高阻AlGaN高阻缓冲层对载流子浓度的影响很小，却明显提高了沟道电子的迁移率，有利于改善GaN HEMT器件的输运特性。

本发明的目的是利用铝镓氮薄膜的高阻绝缘特性以及对二维电子气的限制作用，来解决GaN HEMT功率器件应用中的低击穿、高漏电问题，加快器件的实用化进程。

与传统具有氮化镓高阻缓冲层的氮化镓基场效应晶体管器件相比，本发明采用的高阻铝镓氮薄膜具有本底浓度低的特点，无需引入大量的深能级缺陷、P型受主杂质或位错缺陷，工艺简单，重复性好；并且，铝镓氮薄膜的禁带宽度更大，自身能够承受更高的击穿电场，具有更好的绝缘性，非常适合于高击穿氮化镓基场效应晶体管应用。

另外，由于氮化镓基材料具有强的自发极化和压电极化，由铝镓氮高阻缓冲层引入的极化电场能够弱化器件的外加电场，有效地提高了氮化镓基场效应晶体管的击穿电压，同时也增强了对沟道中二维电子气的限制能力，器件的电子迁移率得到了明显提升。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (20)

1.一种高击穿氮化镓基场效应晶体管器件的制作方法，所述方法包括以下步骤：

a)提供一个衬底；

b)在所述衬底上生长成核层；

c)在所述成核层上生长低铝组分的铝镓氮高阻缓冲层；

d)在所述铝镓氮高阻缓冲层上生长高迁移率氮化镓沟道层；

e)在所述氮化镓沟道层上生长薄层的氮化铝隔离层；

f)在所述氮化铝隔离层上生长铝镓氮势垒层；

g)在所述铝镓氮势垒层上生长薄层的氮化物帽层；以及

h)在所述氮化物帽层上形成源电极、漏电极以及栅电极。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述衬底为碳化硅、蓝宝石或者硅衬底。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述低铝组分为1％～10％。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述铝镓氮高阻缓冲层的厚度约为1～3μm。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述高迁移率氮化镓沟道层的厚度为50～100nm。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述薄层氮化铝隔离层的厚度为1～3nm。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述铝镓氮势垒层为N型掺杂或非故意掺杂铝镓氮势垒层。

8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述势垒层的厚度为15～25nm。

9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述氮化物帽层为氮化镓、氮化铝或氮化硅。

10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述氮化物帽层的厚度为1～3nm。

11.一种高击穿氮化镓基场效应晶体管器件，所述器件包括：

衬底；

生长在所述衬底上的成核层；

生长在所述成核层上的低铝组分的铝镓氮高阻缓冲层；

生长在所述铝镓氮高阻缓冲层上的高迁移率氮化镓沟道层；

生长在所述氮化镓沟道层上的薄层的氮化铝隔离层；

生长在所述氮化铝隔离层上的铝镓氮势垒层；

生长在所述铝镓氮势垒层上的薄层的氮化物帽层；以及

形成在所述氮化物帽层上的源电极、漏电极以及栅电极。

12.根据权利要求11所述的器件，其特征在于，所述衬底为碳化硅、蓝宝石或者硅衬底。

13.根据权利要求11所述的器件，其特征在于，所述低铝组分为0.01～0.1。

14.根据权利要求11所述的器件，其特征在于，所述铝镓氮高阻缓冲层的厚度约为1～3μm。

15.根据权利要求11所述的器件，其特征在于，所述高迁移率氮化镓沟道层的厚度为50～100nm。

16.根据权利要求11所述的器件，其特征在于，所述薄层氮化铝隔离层的厚度为1～3nm。

17.根据权利要求11所述的器件，其特征在于，所述铝镓氮势垒层为N型掺杂或非故意掺杂铝镓氮势垒层。

18.根据权利要求17所述的器件，其特征在于，所述势垒层的厚度为15～25nm。

19.根据权利要求11所述的器件，其特征在于，所述氮化物帽层为氮化镓、氮化铝或氮化硅。

20.根据权利要求19所述的器件，其特征在于，所述氮化物帽层的厚度为1～3nm。

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