CN105762183B - 具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管及制造方法，涉及半导体器件制备领域。晶体管从下至上依次为衬底、成核层、GaN缓冲层、未掺杂的GaN沟道层、组分单调变化的AlxGa1‑xN层、组分固定的AlyGa1‑yN层，其中，y≥x，在组分固定的AlyGa1‑yN层上沉积欧姆接触金属并进行高温合金形成源金属电极和漏金属电极，在组分固定的AlyGa1‑yN层上沉积肖特基接触金属并进行高温合金形成栅金属电极，源金属电极与栅金属电极之间以及栅金属电极与漏金属电极之间沉积钝化层，在钝化层上沉积金属场板。具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管中电子气呈准三维分布，器件线性度高，其具有的场板结构可以降低栅极边缘的电场峰值，提升器件沟道电场分布均匀性，提高器件的击穿电压。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制备领域，尤其是一种具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管及制造方法。
背景技术
在AlGaN/GaN异质结场效应管器件中，由于AlGaN/GaN异质结界面处材料组分突变，导致极化强度和导带带阶的突变，在异质结界面处会出现大量的准二维分布的自由电子，即二维电子气。浓度高达1E+20cm-3的自由电子分布在较窄(1-2nm)的势阱沟道中，器件的跨导线性度差。大量电子的聚集极易导致器件可靠性问题；而电子的大量集中也大大增强了局部热场，影响器件性能，这些问题在面向大功率的器件应用中更加显著。如果AlGaN/GaN异质结界面处材料组分呈渐变状态，极化强度就会随之呈梯度渐变，导带带阶也就缓缓变化，此时在AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管中渐变组分的AlGaN中自由电子不再被局限于狭窄的准二维沟道中，而是呈准三维分布，使器件的线性度得到提高。
目前的AlGaN/GaN场效应晶体管器件，在没有达到GaN材料临界击穿电场便发生提前击穿，恶化了器件的耐压性。对于普通AlGaN/GaN场效应晶体管而言，当器件承受耐压时，沟道耗尽区会向漏极扩展，从耗尽区内正电荷发出的电力线会集中指向栅极边缘，在栅极靠近漏极一侧形成横向电场峰值，沟道电场分布的过于集中严重限制了器件的耐压能力。采用场板技术可以降低栅极电场峰值大小。场板结构通过扩展沟道耗尽层区域，使沟道电场延伸到栅漏间更大范围，从而有效抑制电场峰值，从而提升器件耐压。同时由于沟道均匀性的提升有助于改善AlGaN/GaN场效应晶体管器件自然热效应，降低器件结温，这对于电力电子器件而言是十分有利的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管及制造方法，AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管中电子气呈准三维分布，器件线性度高，且场板结构可以降低栅极边缘的电场峰值，提升器件沟道电场分布均匀性，提高器件的击穿电压。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管，从下至上依次为衬底、成核层、GaN缓冲层、未掺杂的GaN沟道层、组分单调变化的AlxGa1-xN层、组分固定的AlyGa1-yN层，其中，y≥x，在组分固定的AlyGa1-yN层上沉积欧姆接触金属并进行高温合金形成源金属电极和漏金属电极，在组分固定的AlyGa1-yN层上沉积肖特基接触金属并进行高温合金形成栅金属电极，源金属电极与栅金属电极之间以及栅金属电极与漏金属电极之间沉积钝化层，在钝化层上沉积金属场板。
进一步的技术方案，衬底为SiC、Si、Sapphire、AlN、GaN中的任一种。
进一步的技术方案，成核层为GaN、AlN、AlGaN、InN、InAlN、InGaN中的任一种。
进一步的技术方案，组分单调变化的AlyGa1-yN层，由AlaGa1-aN层增大到AlbGa1-bN层，其中0≤a≤15％，5％≤b≤50％，并a≤b，厚度为0-200nm。
进一步的技术方案，组分固定的AlyGa1-yN层，y≥b，5％≤y≤100％，厚度为1-50nm。
进一步的技术方案，金属场板包括多种连接方式，可以与栅极、源极或漏极相连，也可以是浮空的；金属场板的使用可以是单场板结构，也可以是多场板结构。
一种具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管的制造方法，包括以下步骤，
一、在衬底上生长成核层；
二、在成核层上生长GaN缓冲层；
三、在GaN缓冲层上生长未掺杂的GaN沟道层；
四、在GaN沟道层上生长组分单调变化的AlxGa1-xN层，由AlaGa1-aN层单调增大到AlbGa1-bN层，其中0≤a≤15％，5％≤b≤50％，并a≤b，厚度为0-200nm；
五、在组分渐变的AlxGa1-xN层上生长组分固定的AlyGa1-yN层，其中，y≥x，y≥b，5％≤y≤100％，厚度为1-50nm；
六、在组分固定的AlyGa1-yN层上沉积沉积欧姆接触金属并进行高温合金形成源金属电极和漏金属电极，在组分固定的AlyGa1-yN层上沉积肖特基接触金属并进行高温合金形成栅金属电极，在金属电极之间沉积钝化层，沉积金属场板，制备出具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管。
进一步的技术方案，各层生长采用氮化物外延生长法；氮化物外延生长法选用金属有机物化学气相沉积外延沉积、分子束外延沉积、脉冲激光沉积、磁控溅射沉积、电子束蒸发沉积、化学气相沉积中的氮化物外延方法中的任一种。
进一步的技术方案，组分单调变化的AlxGa1-xN层，Al组分由0％到30％单调变化。
进一步的技术方案，钝化层为SiNx。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明可以有效改善基于AlGaN/GaN突变异质结的AlGaN/GaN场效应晶体管器件性能。本发明设计的具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管中电子气呈准三维分布，器件线性度高，且其具有的场板结构可以降低栅极边缘的电场峰值，提升器件沟道电场分布的均匀性，提高器件击穿电压。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
图3是本发明实施例3的结构示意图；
图中：1、衬底；2、成核层；3、GaN缓冲层；4、GaN沟道层；5、AlxGa1-xN层；6、AlyGa1-yN层；7、源金属电极；8、栅金属电极；9、漏金属电极；10、钝化层；11、金属场板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明所设计的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管中的载流子就是呈三维分布，浓度为1E+18cm-3的分布在较宽的沟道(50-100nm)中。较宽的沟道使得器件表现出更高跨导线性度，器件微波工作时效率也大大提高。
一种具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管，从下至上依次为衬底1、成核层2、GaN缓冲层3、未掺杂的GaN沟道层4、组分单调变化的AlxGa1-xN层5、组分固定的AlyGa1-yN层6，其中，y≥x，在组分固定的AlyGa1-yN层6上沉积欧姆接触金属并进行高温合金形成源金属电极7和漏金属电极9，在组分固定的AlyGa1-yN层6上沉积肖特基接触金属并进行高温合金形成栅金属电极8，源金属电极7与栅金属电极8之间以及栅金属电极8与漏金属电极9之间沉积钝化层10，在钝化层10上沉积金属场板11。
衬底1为SiC、Si、Sapphire、AlN、GaN中的任一种。
成核层2为GaN、AlN、AlGaN、InN、InAlN、InGaN中的任一种。
组分单调变化的AlxGa1-xN层5，由AlaGa1-aN层增大到AlbGa1-bN层，其中0≤a≤15％，5％≤b≤50％，并a≤b，厚度为0-200nm。
组分固定的AlyGa1-yN层6，y≥b，5％≤y≤100％，厚度为1-50nm。
金属场板11包括多种连接方式，可以与栅极(如图1所示)、源极(如图2所示)或漏极相连，也可以是浮空的(如图3所示)；金属场板11的使用可以是单场板结构，也可以是多场板结构。
一种具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管的制造方法，包括以下步骤，
一、在衬底1上生长成核层2；
二、在成核层2上生长GaN缓冲层3；
三、在GaN缓冲层3上生长未掺杂的GaN沟道层4；
四、在GaN沟道层4上生长组分单调变化的AlxGa1-xN层5，由AlaGa1-aN层单调增大到AlbGa1-bN层，其中0≤a≤15％，5％≤b≤50％，并a≤b，厚度为0-200nm；
五、在组分渐变的AlxGa1-xN层5上生长组分固定的AlyGa1-yN层6，其中，y≥x，y≥b，5％≤y≤100％，厚度为1-50nm；
六、在组分固定的AlyGa1-yN层6上沉积沉积欧姆接触金属并进行高温合金形成源金属电极7和漏金属电极9，在组分固定的AlyGa1-yN层6上沉积肖特基接触金属并进行高温合金形成栅金属电极8，在金属电极之间沉积钝化层10，沉积金属场板11，制备出具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管。
各层生长采用氮化物外延生长法；氮化物外延生长法选用金属有机物化学气相沉积外延沉积、分子束外延沉积、脉冲激光沉积、磁控溅射沉积、电子束蒸发沉积、化学气相沉积中的氮化物外延方法中的任一种。
采用本发明提供的技术方案，AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管中电子气呈准三维分布，器件线性度高。
实施例1
如图1所示，图1是栅金属电极与金属场板相连形成栅金属场板的结构图，用金属有机物化学气相沉积方法(MOCVD)制备栅场板结构AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管器件。所用的AlGaN/GaN材料是用MOCVD方法在2英寸蓝宝石衬底上外延制备的；材料结构包括2.1μm厚半绝缘GaN缓冲层；12nm厚的GaN沟道层，60nm厚的缓变的AlxGa1-xN层，Al组分由0％到30％单调变化；20nm厚的固定组分的AlyGa1-yN层，Al组分的为35％，缓变结材料方块电阻为580Ω/sq；器件隔离使用台面隔离技术；源漏欧姆接触使用电子束蒸发的Ti/Al/Ni/Au，然后在850℃退火30s；采用电子束蒸发的Ni/Au作为栅金属；沉积SiNx作为钝化层，厚度为100nm；在器件制备中，没有进行钝化；器件源漏间距4μm，栅长1μm，栅宽40μm；沉积与栅金属电极相连接的金属场板，即形成栅金属场板，栅金属场板长度为1.5μm。栅金属场板可以改变沟道中的电场分布情况，使栅右端电场峰值减小，并产生第二电场峰值，使栅漏之间的电场分布更加均匀，从而提高器件的击穿电压，进而使器件的输出功率得到提高。
实施例2
参见图2所示，图2是金属场板与源金属电极相连的结构图，用MOCVD方法制备源场板结构AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管器件。所用的AlGaN/GaN材料是用MOCVD方法在2英寸蓝宝石衬底上外延制备的；材料结构包括2.1μm厚半绝缘GaN缓冲层；12nm厚的GaN沟道层，60nm厚的缓变的AlxGa1-xN层，Al组分由0％到30％单调变化；20nm厚的组分固定的AlyGa1-yN层，Al的组分为35％；缓变结材料方块电阻为580Ω/sq；器件隔离使用台面隔离技术；源漏欧姆接触使用电子束蒸发的Ti/Al/Ni/Au，然后在850℃退火30s；采用电子束蒸发的Ni/Au作为栅金属；沉积SiNx作为钝化层，厚度为200nm；在器件制备中，没有进行钝化；器件源漏间距4μm，栅长1μm，栅宽40μm；沉积与源金属电极相连的金属场板，形成源金属场板，源金属场板长度为2.5μm。采用源金属场板在提高器件击穿电压的同时，能尽量减小对栅漏电容的影响，从而不致使器件的最高振荡频率严重下降。
实施例3
如图3所示，图3是浮空场板的结构图，用MOCVD方法制备浮空场板结构AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管器件。所用的AlGaN/GaN材料是用MOCVD方法在2英寸蓝宝石衬底上外延制备的；材料结构包括2.1μm厚半绝缘GaN缓冲层；12nm厚的GaN沟道层，60nm厚的缓变的AlxGa1-xN层，Al组分由0％到30％单调变化；20nm厚的固定组分的AlyGa1-yN层，Al的组分为35％，缓变结材料方块电阻为580Ω/sq；器件隔离使用台面隔离技术；源漏欧姆接触使用电子束蒸发的Ti/Al/Ni/Au，然后在850℃退火30s；采用电子束蒸发的Ni/Au作为栅金属；沉积SiNx作为钝化层；在器件制备中，没有进行钝化；器件源漏间距4μm，栅长1μm，栅宽40μm；沉积金属场板，金属场板长度为2μm。金属场板可以使栅边缘的耗尽区曲率增大，使原来终止在栅边缘的电力线一部分终止于场板边缘，从而降低栅边缘电场峰值，提高器件击穿电压。
Claims (6)
1.一种具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管，其特征在于，从下至上依次为衬底(1)、成核层(2)、GaN缓冲层(3)、未掺杂的GaN沟道层(4)、组分单调变化的AlxGa1-xN层(5)、组分固定的AlyGa1-yN层(6)，其中，y≥x，在组分固定的AlyGa1-yN层(6)上沉积欧姆接触金属并进行高温合金形成源金属电极(7)和漏金属电极(9)，在组分固定的AlyGa1-yN层(6)上沉积肖特基接触金属并进行高温合金形成栅金属电极(8)，源金属电极(7)与栅金属电极(8)之间以及栅金属电极(8)与漏金属电极(9)之间沉积钝化层(10)，在钝化层(10)上沉积金属场板(11)；
衬底(1)为SiC、Si、Sapphire、AlN、GaN中的任一种；
成核层(2)为GaN、AlN、AlGaN、InN、InAlN、InGaN中的任一种；
组分单调变化的AlxGa1-xN层(5)，由AlaGa1-aN层增大到AlbGa1-bN层，其中0≤a≤15％，5％≤b≤50％，并a≤b，厚度为0-200nm。
2.根据权利要求1所述的具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管，其特征在于，组分固定的AlyGa1-yN层(6)，y≥b，5％≤y≤100％，厚度为1-50nm。
3.一种具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤，
一、在衬底(1)上生长成核层(2)；
二、在成核层(2)上生长GaN缓冲层(3)；
三、在GaN缓冲层(3)上生长未掺杂的GaN沟道层(4)；
四、在GaN沟道层(4)上生长组分单调变化的AlxGa1-xN层(5)，由AlaGa1-aN层单调增大到AlbGa1-bN层，其中0≤a≤15％，5％≤b≤50％，并a≤b，厚度为0-200nm；
五、在组分渐变的AlxGa1-xN层(5)上生长组分固定的AlyGa1-yN层(6)，其中，y≥x，y≥b，5％≤y≤100％，厚度为1-50nm；
六、在组分固定的AlyGa1-yN层(6)上沉积沉积欧姆接触金属并进行高温合金形成源金属电极(7)和漏金属电极(9)，在组分固定的AlyGa1-yN层(6)上沉积肖特基接触金属并进行高温合金形成栅金属电极(8)，在金属电极之间沉积钝化层(10)，沉积金属场板(11)，制备出具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管。
4.根据权利要求3所述的具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管的制造方法，其特征在于，各层生长采用氮化物外延生长法；氮化物外延生长法选用金属有机物化学气相沉积外延沉积、分子束外延沉积、脉冲激光沉积、磁控溅射沉积、电子束蒸发沉积、化学气相沉积中的氮化物外延方法中的任一种。
5.根据权利要求3所述的具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管的制造方法，其特征在于，组分单调变化的AlxGa1-xN层(5)，Al组分由下至上在0％到30％间单调增大。
6.根据权利要求3所述的具有场板的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管的制造方法，其特征在于，钝化层(10)为SiNx。
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