CN102820322A - 含铁电层的GaN基增强型器件及制备方法 - Google Patents

Abstract

含铁电层的GaN基增强型器件，涉及微电子技术领域。本发明包括AlGaN/GaN/Al₂O₃半导体异质结构衬底，在衬底上设置有ZnO缓冲层和外延LiNbO₃型铁电薄膜层，ZnO缓冲层设置于衬底和外延LiNbO₃型铁电薄膜层之间；AlGaN以Al_xGa_1-xN表示，x为Al的摩尔含量，0＜x≤1。本发明通过ZnO缓冲层的引入，所制备的增强型场效应管器件的性能得到大大提高，具体表现在：I_ds由97mA/mm增加到203mA/mm，G_m由27mS/mm增加到46mS/mm。本发明将为制备新型的GaN类半导体器件提供了一种良好材料体系设计方案和器件结构。

Description

含铁电层的GaN基增强型器件及制备方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别涉及铁电功能薄膜材料、半导体器件的制备技术。具体地说是一种新型增强型AlGaN/GaN场效应管器件的实现方法，可用于开发新型高温高频大功率半导体电子器件。

背景技术

基于其自身所具有的较强的压电极化和自发极化效应，在非有意掺杂的情况下，AlGaN/GaN异质结构中能够形成浓度高达10¹³cm^-2的二维电子气（2DEG）。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。

通常情况下，所制备的AlGaN/GaN场效应管器件均表现出常开的特征，即耗尽型器件。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发展AlGaN/GaN器件的关键。由于其极化表面的作用，当在GaN类半导体材料表面薄膜中将形成自发极化，且极化方向与半导体衬底的极化方向相反。这降导致界面处的2DEG被耗尽，从而形成增强型AlGaN/GaN场效应管器件。与利用其它方法制备的增强型器件比较，LiNbO₃/AlGaN/GaN器件在制备工艺的简化、性能的稳定性、高温工作条件等方面更有优势。但同时，在完成LiNbO₃薄膜沉积后，两类材料的制备工艺不兼容性和较大的晶格结构差异等会导致器件的性能大幅降低，如输出电流和跨导大大减小等。为此，需要在LiNbO₃薄膜与AlGaN/GaN衬底之间增加一层合适的缓冲层材料，以达到优化界面结构和增强器件性能的目的。通过比较，在该类器件的制备方面，ZnO是一类较为理想的缓冲层材料。这主要基于以下三点原因：（1）ZnO与GaN类半导体材料同属纤锌矿结构，二者晶格失配（~1.8%）远远小于LN/GaN（~6.8%）；（2）生长工艺方面的优势（高真空、后续退火）使ZnO缓冲层成为解决氮化物半导体与铁电功能氧化物薄膜生长工艺不兼容的有效方法；（3）与GaN类材料一样，ZnO是一种一维极性半导体。该特征使ZnO缓冲层能保持衬底表面的极化本质。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有较高性能（包括Ids和G_m）的含铁电层的GaN基增强型器件及制备方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，含铁电层的GaN基增强型器件，包括AlGaN/GaN/Al₂O₃半导体异质结构衬底，在衬底上设置有ZnO缓冲层和外延LiNbO₃型铁电薄膜层，ZnO缓冲层设置于衬底和外延LiNbO₃型铁电薄膜层之间；AlGaN以Al_xGa_1-xN表示，x为Al的摩尔含量，0＜x≤1。

进一步的，GaN或AlGaN沿（0001）方向取向。所述ZnO缓冲层的材料为Al元素掺杂的ZnO。外延LiNbO₃型铁电薄膜层的材料为LiNbO₃或Mg元素掺杂的LiNbO₃。

本发明还提供前述含铁电层的GaN基增强型器件的制备方法，包括下述步骤：

（1）对AlGaN/GaN薄膜衬底进行台面刻蚀，然后分别在源漏区制备欧姆电极；

（2）在栅极区覆盖光刻胶，栅长为d₁，然后在衬底表面沉积第一层掩模层；

（3）去除栅极区的覆盖层，包括光刻胶及其上覆盖的第一层掩模层材料；

（4）再次通过光刻技术，在前一步骤形成的栅极区覆盖光刻胶，栅长为d₂，然后在样品表面沉积第二层掩模层；

（5）再次去除栅极区的覆盖层，包括光刻胶及其上覆盖的第二层掩模层材料；

（6）对表面进行清洗和酸性清洁；

（7）真空环境下，在表面完成ZnO缓冲层的沉积及原位的后续热处理；

（8）完成LiNbO₃铁电薄膜层的生长；

（9）完成肖特基金属的沉积；

（10）去除第二掩模层，然后利用光刻技术将栅极区覆盖光刻胶；

（11）去除第一掩模层；

（12）去除栅极区光刻胶，形成场效应管器件。

更进一步的，第一掩模层材料为Si₃N₄或SiO₂，其厚度为200~300nm；第二掩模层材料为Cu，其厚度为100~200nm；第一掩模层、第二掩模层均在室温条件下沉积。0<d₂<d₁<源漏间距。

所述步骤（7）中，真空度为5×10^-4Pa；沉积温度为500-600℃；厚度为3-10nm；后续原位热处理工艺为：氧气压5×10⁴Pa；退火温度与沉积温度相同；退火时间为30分钟。

所述步骤（8）中，采用单晶靶，利用脉冲激光源轰击靶材沉积铁电薄膜，薄膜的沉积温度为550℃，氧气压维持20Pa不变，厚度为30-100nm。

所述步骤（10）中，超声振动的条件下，在1~3%的FeCl₃溶液中浸泡以去除第二掩模层；

所述步骤（11）中，在超声振动的条件下，在3~5%的HF溶液中浸泡以去除第一掩模层。

本发明的有益效果是：本发明首次通过增加界面缓冲层的方法研制出性能优良的增强型LiNbO₃/ZnO/AlGaN/GaN场效应管器件。此方法在国内外尚未见报道。通过ZnO缓冲层的引入，所制备的增强型场效应管器件的性能得到大大提高，具体表现在：I_ds由97mA/mm增加到203mA/mm，G_m由27mS/mm增加到46mS/mm。本发明将为制备新型的GaN类半导体器件提供了一种良好材料体系设计方案和器件结构。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为构成LiNbO₃/ZnO/AlGaN/GaN场效应管器件的各层材料的结构示意图。

图2为所制备的LiNbO₃/ZnO/AlGaN/GaN场效应管器件结构示意图。

图3为不同栅极电压下所制备的LNO/AlGaN/GaN场效应管器件输出特性曲线图；

图4为不同器件结构的转移特性曲线比较，包括AlGaN/GaN耗尽型器件、LiNbO₃/AlGaN/GaN和LiNbO₃/ZnO/AlGaN/GaN增强型器件。

图5为制备工艺过程中，各阶段的示意图。图5中，1衬底，2第一层掩模层，3第二层掩模层。

具体实施方式

本发明利用脉冲激光沉积技术，先后在AlGaN/GaN半导体衬底上沉积缓冲层和铁电薄膜层。通过增加界面缓冲层，优化铁电氧化物薄膜的生长工艺和界面结构，以实现提高AlGaN/GaN增强型场效应管器件性能，包括I_ds和G_m。

实施例1

含铁电层的GaN基增强型器件，包括AlGaN/GaN/Al₂O₃半导体异质结构衬底，在衬底上设置有ZnO缓冲层和外延LiNbO₃型铁电薄膜层，ZnO缓冲层设置于衬底和外延LiNbO₃型铁电薄膜层之间；AlGaN以Al_xGa_1-xN表示，x为Al的摩尔含量，x=1。GaN或AlGaN沿（0001）方向取向。

ZnO缓冲层的材料为Al元素掺杂的ZnO。

外延LiNbO₃型铁电薄膜层的材料为Mg元素掺杂的LiNbO₃。

实施例2

含铁电层的GaN基增强型器件，包括AlGaN/GaN/Al₂O₃半导体异质结构衬底，在衬底上设置有ZnO缓冲层和外延LiNbO₃型铁电薄膜层，ZnO缓冲层设置于衬底和外延LiNbO₃型铁电薄膜层之间；AlGaN以Al_xGa_1-xN表示，x为Al的摩尔含量，x=0.5。GaN或AlGaN沿（0001）方向取向。

ZnO缓冲层的材料为ZnO。

外延LiNbO₃型铁电薄膜层的材料为LiNbO₃。

参见图5，本发明的制备工艺的实施方式如下：

（1）采用BCl₃/Cl₂等离子体刻蚀技术对AlGaN/GaN薄膜衬底进行台面刻蚀。然后，采用电子束蒸发工艺分别在源漏区制备欧姆电极；

（2）通过光刻技术，在栅极区覆盖光刻胶。此时栅长为d₁。然后，在衬底表面沉积第一层掩模层；掩模层材料为Si₃N₄或SiO₂，在室温条件下沉积，其厚度视铁电层厚度而定，一般控制在200~300nm之间。

（3）去除栅极区的覆盖层，包括光刻胶及其上覆盖的第一层掩模层材料；

（4）再次通过光刻技术，在前一步骤形成的栅极区覆盖光刻胶。此时栅长为d₂。然后，在样品表面沉积第二层掩模层；掩模层材料是Cu金属材料，其厚度控制在100~200nm之间，沉积温度为室温。第一掩模层和第二掩模层所形成的栅区长度需满足：0<d₂<d₁<源漏间距。

（5）再次去除栅极区的覆盖层，包括光刻胶及其上覆盖的第二层掩模层材料；

（6）对所形成的样品表面进行清洗和酸性清洁；

（7）经过上述工艺过程后，将衬底放入真空腔，在其表面完成缓冲层的沉积及原位的后续热处理；缓冲层材料是ZnO类材料。制备工艺为：真空度为5×10^-4Pa；沉积温度为500-600℃；厚度为3-10nm。后续原位热处理工艺为：氧气压5×10⁴Pa；退火温度与沉积温度相同；退火时间为30分钟。

（8）在前一步骤基础上，完成LiNbO₃铁电薄膜层的生长；铁电薄膜制备采用的靶材为单晶靶，利用脉冲激光源轰击靶材，从而在衬底表面沉积铁电薄膜。为降低沉积过程中Li元素的挥发，要求靶基距尽可能小。薄膜的沉积温度为550℃，氧气压维持20Pa不变，厚度为30-100nm。

（9）完成肖特基电极的沉积；肖特基电极为Pt金属。

（10）将样品放入特殊溶液中，去除第二掩模层。然后利用光刻技术将栅极区覆盖光刻胶；所采用的特定溶液为1~3%的FeCl₃溶液。在超声振动的条件下，将样品在溶液中浸泡10分钟左右。

（11）将上述样品放入特定酸性溶液中，去除第一掩模层；所采用的特定酸性溶液为3~5%的HF溶液。在超声振动的条件下，将样品在溶液中浸泡约10分钟。

（12）去除栅极区光刻胶，从而形成相关场效应管器件。

步骤1之前的清洗为：AlGaN/GaN衬底的清洗及酸溶液清洁处理过程包括依次在高纯酒精和丙酮溶液中多次超声清洗，然后将衬底在稀释的盐酸溶液（3~5%）中浸泡60s左右，最后用干燥氮气将衬底吹干。

实施例3：

本实施方式的LNO/AlGaN/GaN异质结构，包括LNO型铁电层、ZnO缓冲层和AlGaN/GaN半导体衬底。

进一步的说，衬底为Al_xGa_1-xN（AlGaN）/GaN半导体异质结构衬底，x为Al的摩尔含量，0＜x≤1；GaN或AlGaN为（0001）取向。

铁电层是LiNbO₃型铁电薄膜，主要包括LiNbO₃及Mg等金属元素掺杂的LiNbO₃材料。

缓冲层是ZnO及Al等金属元素掺杂的ZnO材料。

制备方法利用脉冲激光沉积技术（PLD），使用AlGaN/GaN/Al₂O₃外延片、LNO单晶靶材和ZnO陶瓷靶材，其具体过程如下：

（1）采用BCl₃/Cl₂等离子体刻蚀技术对AlGaN/GaN薄膜衬底进行台面刻蚀。然后，采用电子束蒸发工艺分别在源漏区制备欧姆电极；

（2）通过光刻技术，在栅极区覆盖光刻胶。然后，在衬底表面沉积第一层掩模层。此时，栅长为d₁；

（3）去除栅极区的覆盖层，包括光刻胶及其上覆盖的第一层掩模层材料；

（4）再次通过光刻技术，在前一步骤形成的栅极区覆盖光刻胶。然后，在样品表面沉积第二层掩模层。此时，栅长为d₂。

（5）再次去除栅极区的覆盖层，包括光刻胶及其上覆盖的第二层掩模层材料；

（6）对所形成的样品表面进行清洗和酸性清洁；

（7）经过上述工艺过程后，将衬底放入真空腔，在其表面完成缓冲层的沉积及原位的后续热处理；

（8）在前一步骤基础上，完成LiNbO₃铁电薄膜层的生长；

（9）完成肖特基金属电极的沉积；

（10）将样品放入特殊溶液中，去除第二掩模层。然后利用光刻技术将栅极区覆盖光刻胶；

（11）将上述样品放入特定酸性溶液中，去除第一掩模层；

（12）去除栅极区光刻胶，从而形成相关场效应管器件。

上述步骤（2）所述的第一掩模层材料可以是Si₃N₄、SiO₂等介质层材料。掩模层均在室温条件下沉积，其厚度视铁电层厚度而定，一般控制在200~300nm之间。

上述步骤（4）所述的第二掩模层的沉积，其中掩模层材料是Cu金属材料。其厚度控制在100~200nm之间。

上述步骤（2）和（4）所述的第一掩模层和第二掩模层所形成的栅区长度需满足：0<d₂<d₁<源漏间距。

上述步骤（6）所述的AlGaN/GaN衬底的清洗及酸溶液清洁处理过程，包括依次在高纯酒精和丙酮溶液中多次超声清洗，然后将衬底在稀释的盐酸溶液（3~5%）中浸泡60s左右，最后用干燥氮气将衬底吹干。

上述步骤（7）所述的缓冲层的沉积，其中缓冲层材料是ZnO类材料。制备工艺为：真空度为5×10^-4Pa；沉积温度为500-600℃；厚度为3-10nm。后续原位热处理工艺为：氧气压5×10⁴Pa；退火温度与沉积温度相同；退火时间为30分钟。

上述步骤（8）所述的铁电薄膜制备方法，为降低沉积过程中Li元素的挥发，要求靶基距尽可能小。薄膜的沉积温度为550℃，氧气压维持20Pa不变，厚度为30-100nm。

上述步骤（9）所述的铁电薄膜制备方法，肖特基电极材料为Pt。

上述步骤（10）所述的第二掩模层的去除方法，其中，所采用的特定溶液为1~3%的FeCl₃溶液。在超声振动的条件下，将样品在溶液中浸泡10分钟左右。

上述步骤（11）所述的第一掩模层的去除方法，其中，所采用的特定溶液为3~5%的HF溶液。在超声振动的条件下，将样品在溶液中浸泡约10分钟。

以典型的LiNbO₃铁电材料、ZnO缓冲层和AlGaN/GaN半导体构成的场效应管器件为例，结合电学性能测量进一步说明本发明的效果：

图1为构成LiNbO₃/ZnO/AlGaN/GaN场效应管器件的各层材料的结构示意图，其中包括40nm LiNbO3铁电薄膜、5nm ZnO缓冲层和AlGaN/GaN/Al₂O₃衬底。

图2为所制备的LiNbO₃/ZnO/AlGaN/GaN场效应管器件结构示意图，其中栅长为3μm，栅宽为100μm，源漏间距为15μm。

图3为不同栅极电压下所制备的LNO/AlGaN/GaN场效应管器件输出特性曲线。良好的饱和和夹断特征表明所制备的LiNbO3薄膜具有较高的结晶性和器件结构的完整性。图4为不同器件结构的转移特性曲线比较，包括AlGaN/GaN耗尽型器件、LiNbO₃/AlGaN/GaN和LiNbO₃/ZnO/AlGaN/GaN增强型器件。对于无LiNbO₃/ZnO栅极结构的AlGaN/GaN器件表现出耗尽特征，其关断电压约为-2.3V。具有LiNbO3铁电层的两种器件均表现出常关特征，其开启电压分别是+0.3V和+0.4V。与无ZnO缓冲层的LiNbO₃/AlGaN/GaN器件比较，LiNbO₃/ZnO/AlGaN/GaN增强型器件的饱和输出电流（I_ds）和跨导峰值（G_m）均大大提高，I_ds由97mA/mm增加到203mA/mm，G_m由27mS/mm增加到46mS/mm。

Claims (10)

1.含铁电层的GaN基增强型器件，其特征在于，包括AlGaN/GaN/Al₂O₃半导体异质结构衬底，在衬底上设置有ZnO缓冲层和外延LiNbO₃型铁电薄膜层，ZnO缓冲层设置于衬底和外延LiNbO₃型铁电薄膜层之间；AlGaN以Al_xGa_1-xN表示，x为Al的摩尔含量，0＜x≤1。

2.如权利要求1所述的含铁电层的GaN基增强型器件，其特征在于，GaN或AlGaN沿（0001）方向取向。

3.如权利要求1所述的含铁电层的GaN基增强型器件，其特征在于，所述ZnO缓冲层的材料为Al元素掺杂的ZnO。

4.如权利要求1所述的含铁电层的GaN基增强型器件，其特征在于，外延LiNbO₃型铁电薄膜层的材料为LiNbO₃或Mg元素掺杂的LiNbO₃。

5.如权利要求1所述的含铁电层的GaN基增强型器件的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）对AlGaN/GaN薄膜衬底进行台面刻蚀，然后分别在源漏区制备欧姆电极；

（2）在栅极区覆盖光刻胶，栅长为d₁，然后在衬底表面沉积第一层掩模层；

（3）去除栅极区的覆盖层，包括光刻胶及其上覆盖的第一层掩模层材料；

（4）再次通过光刻技术，在前一步骤形成的栅极区覆盖光刻胶，栅长为d₂，然后在样品表面沉积第二层掩模层；

（5）再次去除栅极区的覆盖层，包括光刻胶及其上覆盖的第二层掩模层材料；

（6）对表面进行清洗和酸性清洁；

（7）真空环境下，在表面完成ZnO缓冲层的沉积及原位的后续热处理；

（8）完成LiNbO₃铁电薄膜层的生长；

（9）完成肖特基金属电极的沉积；

（10）去除第二掩模层，然后利用光刻技术将栅极区覆盖光刻胶；

（11）去除第一掩模层；

（12）去除栅极区光刻胶，形成场效应管器件。

6.如权利要求5所述的含铁电层的GaN基增强型器件的制备方法，其特征在于，第一掩模层材料为Si₃N₄或SiO₂，其厚度为200~300nm；第二掩模层材料为Cu，其厚度为100~200nm；

第一掩模层、第二掩模层均在室温条件下沉积。

7.如权利要求5所述的含铁电层的GaN基增强型器件的制备方法，其特征在于，0<d₂<d₁<源漏间距。

8.如权利要求5所述的含铁电层的GaN基增强型器件的制备方法，其特征在于，所述步骤（7）中，真空度为5×10^-4Pa；沉积温度为500-600℃；厚度为3-10nm；后续原位热处理工艺为：氧气压5×10⁴Pa；退火温度与沉积温度相同；退火时间为30分钟。

9.如权利要求5所述的含铁电层的GaN基增强型器件的制备方法，其特征在于，所述步骤（8）中，采用单晶靶，利用脉冲激光源轰击靶材沉积铁电薄膜，薄膜的沉积温度为550℃，氧气压维持20Pa不变，厚度为30-100nm。

10.如权利要求5所述的含铁电层的GaN基增强型器件的制备方法，其特征在于，所述步骤（10）中，超声振动的条件下，在1~3%的FeCl₃溶液中浸泡以去除第二掩模层；

所述步骤（11）中，在超声振动的条件下，在3~5%的HF溶液中浸泡以去除第一掩模层。

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