CN105931964A - 一种增强型AlGaN/GaN晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种增强型AlGaN/GaN晶体管的制备方法，方法在衬底依次生长GaN或AlN成核层、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层及AlGaN极化掺杂层，并对AlGaN极化掺杂层刻蚀后制作源极、漏极及栅极，以得到增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管。本发明在生长AlGaN极化掺杂层时，令Al组分沿生长方向线性变少，实现了极化p型掺杂，可以使沟道层中的二维电子气完全耗尽，同时，刻蚀掉栅极以外的极化掺杂AlGaN帽层，保证了器件工作时具有低的通态电阻。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，尤其涉及一种增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制备方法。
背景技术
GaN材料由于具有大的禁带宽度、高的热导率、高电子饱和漂移速度和大的临界击穿电压等特点而得以在光电子器件和高温大功率电子器件等领域有着广阔的应用前景，其研究与应用是目前全球半导体领域研究的前沿和热点。由于具有自发极化和压电极化效应，在AlGaN/GaN异质结界面由于极化场的作用形成大量的正的极化电荷，这些正的极化电荷进而吸引电子，在没有故意掺杂的情况下可以在AlGaN/GaN界面产生大量的二维电子气，其浓度可达1013cm-2，电子迁移率2000cm2/V·s以上。由于具有以上特征，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管成为制备高频功率放大器和功率开关器件的理想材料。
目前AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的性能研究大多还是集中在耗尽型器件方面，但是从器件应用方面来看，增强型器件有更大的应用优势。例如，在高频放大电路的应用中如果采用增强型器件，可以避免负电的引入来关断器件，与电路的其他部分可以实现更好的兼容，这样可以大大简化集成电路的复杂性和工艺成本。另外在电力开关电路中引入增强型器件，更符合电力系统对安全和节能的要求。
随着AlGaN/GaN器件性能研究的成熟，目前有关增强型器件的研究已经全面展开。1995年，Khan等人通过减薄势垒层厚度的方法来耗尽二维电子气实现了增强型器件的研制，阈值电压在0.05V，峰值跨导为23mS/mm。但这种方法的缺点在于势垒层减薄后二维电子气的浓度整体下降，导致器件的通态电阻升到，功耗严重，影响了器件的性能。2000年，X.Hu等人利用选区二次外延生长p型GaN帽层在栅极下方形成PN结的方法实现了栅下二维电子气的耗尽实现增强型，其峰值跨导为10mS/mm虽然该种结构的栅反向漏电较小，器件耐压较高，但是其阈值电压非常小，生长工艺难度较大。2003年，Kumar等人利用反应离子束刻蚀凹栅的方法减薄栅下势垒层厚度实现了增强型器件的研制，其峰值跨导为20mS/mm，但是该工艺的实现难度极大，难以控制，几乎没有可重复性。2005年，香港科技大学的Cai等人，采用氟离子注入的方法耗尽了栅下的二维电子气实现增强型器件，其阈值电压达到0.9V，但是该方法实现的增强型器件的可靠性面临严重的挑战。2007年，有日本的研究机构报道了采用InGaN帽层的方法实现增强型器件，其阈值电压为0.4V。
综上所述，目前采用的实现增强型器件的主流的方法是采用势垒层减薄，p型帽层，凹栅，氟离子注入，InGaN帽层的方法等，但整体来看，采用这些方法来实现增强型器件的工艺比较复杂且工艺难度较大，对器件的工业化生产来说有较大的难度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于，提供一种增强型AlGaN/GaN晶体管的制备方法，能以较低的成本和工艺难度，制备出高可靠性的增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管。
(二)技术方案
本发明提供一种增强型AlGaN/GaN晶体管的制备方法，包括：
S1，在衬底上生长GaN或AlN成核层；
S2，在GaN或AlN成核层上生长GaN缓冲层；
S3，在GaN缓冲层上生长GaN沟道层；
S4，在GaN沟道层上生长AlN插入层；
S5，在AlN插入层上生长AlGaN势垒层；
S6，在AlGaN势垒层上生长AlGaN极化掺杂层，其中，AlGaN极化掺杂层中Al组分沿生长方向线性变少；
S7，对AlGaN极化掺杂层进行刻蚀，刻蚀掉栅极区域以外的AlGaN极化掺杂层，以使AlGaN势垒层的部分表面露出；
S8，在AlGaN势垒层所露出的表面上分别制作源极和漏极，并在AlGaN极化掺杂层上制作栅极，得到AlGaN/GaN晶体管。
(三)有益效果
本发明在AlGaN势垒层上生长AlGaN极化掺杂层，由于AlGaN材料的极化作用，极化掺杂层将会产生较高的p型掺杂空穴浓度，这一方法可以有效改善p型掺杂空穴浓度低的问题。利用极化掺杂形成的p型帽层，可以使沟道中的二维电子气完全耗尽，实现AlGaN/GaN晶体管的增强型工作模式。由于栅极区域以外的p型AlGaN极化掺杂层被去除掉了，所以这些区域的二位电子气仍然存在，可以保证器件有很低的通态电阻。本发明可以用于制备满足各种需要的增强型器件。
附图说明
图1是本发明提供的增强型AlGaN/GaN晶体管的制备方法的流程图。
图2是本发明制备的增强型AlGaN/GaN晶体管的截面示意图。
图3是AlGaN/GaN晶体管无AlGaN极化掺杂层时的能带示意图。
图4是AlGaN/GaN晶体管有AlGaN极化掺杂层时的能带示意图。
具体实施方式
本发明提供一种增强型AlGaN/GaN晶体管的制备方法，方法在衬底依次生长GaN或AlN成核层、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层及AlGaN极化掺杂层，并对AlGaN极化掺杂层刻蚀后制作源极、漏极及栅极，以得到增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管。本发明在生长AlGaN极化掺杂层时，令Al组分沿生长方向线性变少，实现了极化p型掺杂，可以使沟道层中的二维电子气完全耗尽，同时，刻蚀掉栅极以外的极化掺杂AlGaN帽层，保证了器件工作时具有低的通态电阻。
图1是本发明提供的增强型AlGaN/GaN晶体管的制备方法的流程图，如图1所示，包括：
S1，在一衬底上生长GaN或AlN成核层，其中，衬底可以蓝宝石、碳化硅或硅，成核层的厚度可取10nm～150nm。
S2，在GaN或AlN成核层上生长GaN缓冲层，GaN缓冲层的厚度可取2μm～3μm，其中，GaN缓冲层为半绝缘层，电阻值率为108Ω·cm。
S3，在GaN缓冲层上生长GaN沟道层，GaN沟道层的厚度可取10nm～100nm。
S4，在GaN沟道层上生长AlN插入层，AlN插入层的厚度可取1nm～3nm。
S5，在AlN插入层上生长AlGaN势垒层，AlGaN势垒层的厚度可取10nm～30nm，AlGaN势垒层中Al组分为15％～30％。
S6，在AlGaN势垒层上生长AlGaN极化掺杂层，其中，AlGaN极化掺杂层中Al组分沿生长方向线性变少，优选地，AlGaN极化掺杂层中Al组分的最大值取15％～30％，最小值取0，AlGaN极化掺杂层的厚度为50nm～100nm，AlGaN极化掺杂层的生长温度为950℃～1050℃，生长压力为50Torr～150Torr；由于AlGaN极化掺杂层中Al组分的最大值小于等于势垒层中的Al组分，这样AlGaN极化掺杂层受到压应力，其体内体分布的净极化电荷为负，体内极化电场线性增强，由于AlGaN极化掺杂层内的电场并不是均匀分布，可以使体内受主杂质电离，在不需要引入p型受主杂质的情况下实现p型掺杂。采用这种方法降低了p型帽层的实现难度，利用AlGaN极化掺杂层与势垒层之间PN结的作用提高势垒层导带位置，耗尽沟道层二维电子气，使器件处于常关状态，故器件具有较高的阈值电压和较低的通态电阻。
S7，对AlGaN极化掺杂层进行刻蚀，刻蚀掉栅极区域以外的AlGaN极化掺杂层，以使所述AlGaN势垒层的部分表面露出；
S8，在AlGaN势垒层所露出的表面上分别制作源极和漏极，其中，源极和漏极分别与AlGaN势垒层欧姆接触，并在AlGaN极化掺杂层上制作栅极，得到AlGaN/GaN晶体管。
根据本发明的一种实施方式，采用金属有机化学气相沉积方法进行外延生长，以生长出GaN或AlN成核层、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层及AlGaN极化掺杂层。
根据本发明的一种实施方式，AlGaN极化掺杂层的刻蚀是采用干法刻蚀。
图2是本发明制备的AlGaN/GaN晶体管的截面示意图，结合图2所示，从下至上各层功能：GaN或AlN成核层是为生长高质量GaN高阻层的提供成核点；GaN高阻层的作用是提高器件的耐压及减小器件的漏电性能；GaN沟道层，AlN插入层，AlGaN势垒层为HEMT器件的结构层，该处产生二位电子气并且二维电子气被限制在GaN沟道层中运动；AlGaN极化掺杂层为p型帽层，用于耗尽沟道中的二维电子气，实现器件的增强型功能。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是本发明实施例提供的增强型AlGaN/GaN晶体管的制备方法的流程图，如图1所示，方法包括：
S1，将蓝宝石、碳化硅或者硅衬底清洗干净，放入金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统中，温度升高到500-600℃之间，压力调整到300-600Torr之间，生长10-150nm的低温GaN或者AlN成核层。
2、将温度升高到900-1100℃之间，压力降低到50-200Torr之间，生长C自掺杂的半绝缘高阻GaN层2-3μm。
3、将温度调整到1000-1200℃之间，压力调整为200-500Torr之间，生长高迁移率的GaN沟道层10-100nm。
4、将温度调整到800-1050℃之间，压力调整为50-100Torr，生长AlN掺入层，厚度为1-3nm。
5、将温度调整到800-1050℃之间，压力调整到50-100Torr，生长AlGaN势垒层，厚度为10-30nm，Al组分在15-30％之间。
6、将温度调整到900-1100℃之间，压力调整到50-150Torr之间，生长Al组分线性渐变的AlGaN 3D极化诱导p型掺杂层，厚度为50-150nm。其中AlGaN极化掺杂层中的最大Al组分不超过AlGaN势垒层中的Al组分以确保极化掺杂帽层受到压应力。
7、刻蚀极化掺杂AlGaN帽层：涂胶，光刻，刻蚀AlGaN帽层，去胶。
8、沉积源，漏极金属：涂胶，光刻打开源漏极金属接触区域，电子束蒸发源漏极金属。
9、欧姆接触的形成：剥离去胶，在退火炉中800℃左右快速热退火形成欧姆接触。
10、台面隔离：涂胶，打开非有源区窗口，注入氦离子刻蚀到高阻层实现器件的相互隔离，去胶。
11、沉积栅金属：涂胶，在栅极区域光刻打开栅金属接触区域，电子束蒸发栅极金属，形成栅电极。
12、栅肖特基接触的形成：剥离去胶，形成栅接触。
图3是AlGaN/GaN晶体管无AlGaN极化掺杂层时的能带示意图，图4是AlGaN/GaN晶体管有AlGaN极化掺杂层时的能带示意图，从图3和图4中可以看出，在引入Al组分渐变的AlGaN极化掺杂p型层后，对比没有极化掺杂层的结构，沟道处能带被拉升到费米能级以上，沟道处的二位电子气可以完全耗尽，从而实现器件的增强型功能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种增强型AlGaN/GaN晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
S1，在一衬底上生长GaN或AlN成核层；
S2，在所述GaN或AlN成核层上生长GaN缓冲层；
S3，在所述GaN缓冲层上生长GaN沟道层；
S4，在所述GaN沟道层上生长AlN插入层；
S5，在所述AlN插入层上生长AlGaN势垒层；
S6，在所述AlGaN势垒层上生长AlGaN极化掺杂层，其中，所述AlGaN极化掺杂层中Al组分沿生长方向线性变少；
S7，对所述AlGaN极化掺杂层进行刻蚀，刻蚀掉栅极区域以外的AlGaN极化掺杂层，以使AlGaN势垒层的部分表面露出；
S8，在所述AlGaN势垒层所露出的表面上分别制作源极和漏极，并在所述AlGaN极化掺杂层上制作栅极，得到AlGaN/GaN晶体管。
2.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN晶体管的制备方法，其特征在于，所用衬底为蓝宝石、碳化硅和硅中的一种。
3.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN晶体管的制备方法，其特征在于，采用金属有机化学气相沉积方法进行外延生长，以生长出所述GaN或AlN成核层、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层及AlGaN极化掺杂层。
4.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN晶体管的制备方法，其特征在于，所述GaN或AlN成核层的厚度为10nm～150nm。
5.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN晶体管的制备方法，其特征在于，所述GaN缓冲层的厚度为2μm～3μm。
6.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN晶体管的制备方法，其特征在于，所述GaN沟道层的厚度为10nm～100nm。
7.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN晶体管的制备方法，其特征在于，所述AlN插入层的厚度为1nm～3nm。
8.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN晶体管的制备方法，其特征在于，所述AlGaN势垒层的厚度为10nm～30nm，并且，所述AlGaN势垒层中Al组分为15％～30％。
9.根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN晶体管的制备方法，其特征在于，所述AlGaN极化掺杂层中Al组分的最大值取15％-30％，最小值取0。
10.根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN晶体管的制备方法，其特征在于，所述AlGaN极化掺杂层的厚度为50nm～100nm，所述AlGaN极化掺杂层的生长温度为950℃～1050℃，生长压力为50Torr～150Torr。
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