CN105957881A - 具有背势垒的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背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管及制造方法，属于半导体器件制备技术领域。该晶体管自下至上依次包括衬底、成核层、AlxGa1‑xN缓冲层、未掺杂的GaN沟道层、组分渐变的AlyGa1‑yN层、组分固定的AlzGa1‑zN层，其中，z≥y，在组分固定的AlzGa1‑zN层上沉积欧姆接触金属并进行高温合金形成源电极和漏电极，在组分固定的AlzGa1‑zN层上沉积肖特基接触金属并进行高温合金形成栅电极，在源电极与栅电极之间以及栅电极与漏电极之间沉积钝化层。在AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管中的载流子呈准三维分布，器件线性度高，且由于背势垒的存在增强了电子局域性，提高了器件的栅控能力，改善了器件的关断特性。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件制备技术领域，尤其是一种具有背势垒的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+20
cm-3的自由电子分布在较窄(1-2 nm)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。根据能带理论，采用AlGaN背势垒可以提高缓冲层的导带高度，进而抑制极化载流子向缓冲层漂移，并且由于AlGaN的禁带宽度和临界击穿电场相比GaN更高，从而背势垒结构可以较好地解决AlGaN/GaN场效应晶体管器件中缓冲层电流过大导致器件的提前击穿问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管及制造方法，在AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管中的载流子呈准三维分布，器件线性度较高，且由于背势垒的存在增强了电子局域性，提高了器件的栅控能力，改善了器件的关断特性。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种具有背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管，自下至上依次包括衬底、成核层、AlxGa1-xN缓冲层、未掺杂的GaN沟道层、组分渐变的AlyGa1-yN层、组分固定的AlzGa1-zN层，其中，z≥y，在组分固定的AlzGa1-zN层上沉积欧姆接触金属并进行高温合金形成源电极和漏电极，在组分固定的AlzGa1-zN层上沉积肖特基接触金属并进行高温合金形成栅电极，在源电极与栅电极之间以及栅电极与漏电极之间沉积钝化层。
进一步优选的技术方案，衬底为SiC、Si、Sapphire、AlN、GaN中的任一种。
进一步优选的技术方案，成核层为GaN、AlN、AlGaN、InN、InAlN、InGaN中的任一种。
进一步优选的技术方案，AlxGa1-xN缓冲层的厚度为0-10000 nm，其中，0≤x≤100%，AlxGa1-xN缓冲层可以是单一固定组分，也可以是多固定组分。
进一步优选的技术方案，组分渐变的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0-200 nm。
进一步优选的技术方案，组分固定的AlzGa1-zN层中，z≥y，z≥b，5%≤z≤100%，厚度为1-50 nm。
一种具有背势垒的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AlxGa1-xN缓冲层，0≤x≤100%，厚度为0-10000 nm；
三、在AlxGa1-xN缓冲层上生长未掺杂的GaN沟道层；
四、在未掺杂的GaN沟道层上生长组分渐变的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0-200 nm；
五、在组分渐变的AlyGa1-yN层上生长组分固定的AlzGa1-zN层，其中，z≥y，z≥b，5%≤z≤100%，厚度为1-50 nm；
六、在组分固定的AlzGa1-zN层上沉积欧姆接触金属并进行高温合金形成源电极和漏电极；在组分固定的AlzGa1-zN层上沉积肖特基接触金属并进行高温合金形成栅电极；在源电极与栅电极之间以及栅电极与漏电极之间沉积钝化层，制备出具有背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管材料与器件。
其中，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。
其中，钝化层为SiNx。
其中， AlyGa1-yN层中Al组分在0 %到35 %间单调增大。
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。本发明具有背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管中的电子气呈准三维分布，器件线性度高，且由于背势垒的存在增强了电子局域性，改善了器件的栅控能力和关断特性。
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；
图中：1、衬底；2、成核层；3、AlxGa1-xN缓冲层；3-1、GaN缓冲层；4、GaN沟道层；5、AlyGa1-yN层；6、AlzGa1-zN层；7、源电极；8、栅电极；9、漏电极；10、钝化层。
具体实施方式
本发明具有背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管中的载流子呈准三维分布，浓度为1E+18
cm-3的载流子分布在宽度为50-100 nm 的沟道中，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。
根据能带理论，采用AlGaN背势垒可以提高缓冲层的导带高度，进而抑制极化载流子向缓冲层漂移，并且由于AlGaN的禁带宽度和临界击穿电场相比GaN更高，从而背势垒结构可以较好地解决AlGaN/GaN场效应晶体管器件缓冲层电流过大导致器件的提前击穿问题。在AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管中，背势垒的存在可将准三维分布的极化载流子限制在GaN沟道层中，增强了电子局域性，提高了器件的栅控能力，改善了器件的关断特性。应用于GaN基高电子迁移率晶体管或异质结场效应晶体管材料材料与器件的制备领域。
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。
首先对具有背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管的结构作详细的说明如下：
参见图1，自下至上依次包括衬底1、成核层2、AlxGa1-xN缓冲层3、未掺杂的GaN沟道层4、组分渐变的AlyGa1-yN层5、组分固定的AlzGa1-zN层6，其中，z≥y，在组分固定的AlzGa1-zN层6上沉积欧姆接触金属并进行高温合金形成源电极7和漏电极9，在组分固定的AlzGa1-zN层6上沉积肖特基接触金属并进行高温合金形成栅电极8，在源电极7与栅电极8之间以及栅电极8与漏电极9之间沉积钝化层10。
其中，衬底1为SiC、Si、Sapphire、AlN、GaN中的任一种。
其中，成核层2为GaN、AlN、AlGaN、InN、InAlN、InGaN中的任一种。
其中，AlxGa1-xN缓冲层3的厚度为0-10000 nm，其中，0≤x≤100%，AlxGa1-xN缓冲层3可以是单一固定组分，如图1所示，也可以是多固定组分，即如图2所示的在成核层之上生长GaN缓冲层3-1，然后生长AlxGa1-xN缓冲层3。
组分渐变的AlyGa1-yN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0-200 nm。
组分固定的AlzGa1-zN层6中，z≥y，z≥b，5%≤z≤100%，厚度为1-50 nm。
具有背势垒的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SiC、Si、Sapphire、AlN、GaN等氮化物外延生长常用的单晶衬底或外延层衬底1上生长GaN、AlN、AlGaN、InN、InAlN、InGaN等氮化物外延生长常用成核层2；
二、在成核层2上生长AlxGa1-xN缓冲层3，其中0≤x≤100%，厚度为0-10000nm；
三、在AlxGa1-xN缓冲层3上生长未掺杂的GaN沟道层4；
四、在未掺杂的GaN沟道层4上生长组分渐变的AlyGa1-yN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0-200 nm；
五、在组分渐变的AlyGa1-yN层5上生长组分固定的AlzGa1-zN层6，其中，z≥y，z≥b，5%≤z≤100%，厚度为1-50 nm；
六、在组分固定的AlzGa1-zN层6上沉积欧姆接触金属并进行高温合金形成源电极7和漏电极9；在组分固定的AlzGa1-zN层6上沉积肖特基接触金属并进行高温合金形成栅电极8；在源电极7与栅电极8之间以及栅电极8与漏电极9之间沉积钝化层10，制备出具有背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管材料与器件。
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。
其中，AlyGa1-yN层5中Al组分在0 %到35 %间单调增大。本发明的结构形成极化掺杂，晶体管中的载流子呈准三维分布，提高了器件的线性度，增强了电子局域性，提高了器件的栅控能力，改善了器件的关断特性。
实施例1
如图1所示，用金属有机物化学气相沉积方法（MOCVD）制备背势垒结构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1.7 μm厚半绝缘AlGaN缓冲层，Al组分为12%，10 nm厚的GaN沟道层，70 nm厚的组分渐变的AlGaN层，Al组分由0 %到35 %单调增大，20 nm厚的组分固定的AlGaN层，Al的组分为35 %。缓变结材料方块电阻为580 Ω/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30 s。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4 μm，栅长1 μm，栅宽40 μm。
实施例2
如图2所示，用金属有机物化学气相沉积方法（MOCVD）制备背势垒结构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100 nm厚半绝缘GaN缓冲层，1.6 μm厚的半绝缘AlGaN缓冲层，Al组分为10%，10 nm厚的GaN沟道层，70 nm厚的组分单调渐变的AlGaN层，Al组分由0 %到35 %单调增大，20 nm厚的组分固定的AlGaN层，Al的组分为35 %。缓变结材料方块电阻为580 Ω/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30 s。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4 μm，栅长1 μm，栅宽40 μm。
Claims (10)
1.一种具有背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管，其特征在于，自下至上依次包括衬底（1）、成核层（2）、AlxGa1-xN缓冲层（3）、未掺杂的GaN沟道层（4）、组分渐变的AlyGa1-yN层（5）、组分固定的AlzGa1-zN层（6），其中，z≥y；在组分固定的AlzGa1-zN层（6）上沉积欧姆接触金属并进行高温合金形成源电极(7)和漏电极（9），在组分固定的AlzGa1-zN层（6）上沉积肖特基接触金属并进行高温合金形成栅电极（8），在源电极（7）与栅电极（8）之间以及栅电极（8）与漏电极（9）之间沉积钝化层（10）。
2.根据权利要求1所述的具有背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管，其特征在于，衬底（1）为SiC、Si、Sapphire、AlN、GaN中的任一种。
3.根据权利要求1所述的具有背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管，其特征在于，成核层（2）为GaN、AlN、AlGaN、InN、InAlN、InGaN中的任一种。
4.根据权利要求1所述的具有背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管，其特征在于，AlxGa1-xN缓冲层（3）的厚度为0-10000 nm，其中，0≤x≤100%，所述AlxGa1-xN缓冲层（3）可以是单一固定组分，也可以是多固定组分。
5.根据权利要求1所述的具有背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管，其特征在于，组分渐变的AlyGa1-yN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0-200 nm。
6.根据权利要求5所述的具有背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管，其特征在于，组分固定的AlzGa1-zN层（6）中，z≥y，z≥b，5%≤z≤100%，厚度为1-50 nm。
7.一种具有背势垒的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AlxGa1-xN缓冲层（3），0≤x≤100%，厚度为0-10000 nm；
三、在AlxGa1-xN缓冲层（3）上生长未掺杂的GaN沟道层（4）；
四、在未掺杂的GaN沟道层（4）上生长组分渐变的AlyGa1-yN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0-200 nm；
五、在组分渐变的AlyGa1-yN层（5）上生长组分固定的AlzGa1-zN层（6），其中，z≥y，z≥b，5%≤z≤100%，厚度为1-50 nm；
六、在组分固定的AlzGa1-zN层（6）上沉积欧姆接触金属并进行高温合金形成源电极(7)和漏电极（9）；在组分固定的AlzGa1-zN层（6）上沉积肖特基接触金属并进行高温合金形成栅电极（8）；在源电极(7)与栅电极（8）之间以及栅电极（8）与漏电极（9）之间沉积钝化层（10），制备出具有背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管材料与器件。
8.根据权利要求7所述的具有背势垒的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。
9.根据权利要求7所述的具有背势垒的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。
10.根据权利要求7所述的具有背势垒的AlGaN/GaN极化掺杂场效应晶体管的制造方法，其特征在于， AlyGa1-yN层（5）中Al的组分在0 %到35 %间单调增大。
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