CN106298908A - 一种阈值电压可调的GaN基增强型高电子迁移率晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阈值电压可调的GaN基增强型高电子迁移率晶体管。本发明在衬底上从下至上依次涂覆有GaN缓冲层和AlGaN势垒层，GaN缓冲层和AlGaN势垒层的一侧边缘刻蚀有沟槽，在沟槽底的GaN缓冲层上表面覆有金属源电极，在AlGaN势垒层上表面远离沟槽一侧边缘覆有金属漏电极，在金属漏电极与金属源电极之间涂覆有绝缘电介质，且绝缘电介质完全覆盖源电极；位于垂直导电沟道附近的绝缘电介质上涂覆有栅极金属。本发明通过垂直沟道的深度来降低沟道电阻，通过离子注入和表面处理及栅极金属的选择上调节HEMT器件阈值电压，使其能够更好地满足中低压(低于600V)功率应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及了一种可调晶体管，尤其是涉及了一种阈值电压可调的GaN基增强型高电子迁移率晶体管(HEMT)，本发明属于半导体技术领域。
背景技术
Ⅲ-Ⅴ族化合物材料氮化镓相比于硅材料具有更大的禁带宽度、更高的击穿场强，是第三代半导体材料中的杰出代表。不同于传统硅基半导体器件，基于氮化镓材料的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，利用氮化镓异质结中的极化效应，在异质结界面获得具有高二维电子气浓度、高电子迁移率以及高饱和电子漂移速度的横向二维电子气沟道实现器件的导通。这些优异的电学特性决定了AlGaN/GaN HEMTs器件在高频、高压以及高功率密度的功率半导体器件领域存在巨大的产业潜力。
在GaN基增强型HEMT中，导通电阻由接触电阻、漂移区电阻和沟道电阻等组成。在中低压应用领域(小于600V)，沟道电阻所占比重随漂移区长度的减少而增大。在传统的全控型AlGaN/GaNHEMTs器件中，普遍采用平面型沟道，由于光刻条件的限制，沟道长度一般为1.5um左右，不能进一步降低沟道电阻。另一方面，较低的栅极阈值电压也为会影响器件的可靠应用。为解决该问题，提出了一种垂直导电沟道的新型GaN基增强型HEMT中，由于刻蚀深度可控性较好，可以控制垂直沟道长度在25-1000nm，从而极大降低沟道电阻。另外可以对侧壁垂直沟道采取离子注入、表面处理，以及选择高功函数栅极金属来调整器件阈值电压，提升器件应用范围及应用时的可靠性。
发明内容
在中低压应用领域(低于600V)，本发明为了克服现有GaN基增强型HEMT导通电阻较大，阈值电压较低的问题，提出了一种阈值电压可调的GaN基增强型高电子迁移率晶体管。
本发明实现上述发明目的的其技术方案为：
本发明在衬底上从下至上依次涂覆有GaN缓冲层和AlGaN势垒层，GaN缓冲层与AlGaN势垒层接触形成具有二维电子气的异质结；在GaN缓冲层和AlGaN势垒层的一侧边缘刻蚀有沟槽，沟槽过刻至GaN缓冲层，在沟槽底的GaN缓冲层上表面覆有金属源电极，在AlGaN势垒层上表面远离沟槽一侧边缘覆有金属漏电极，在金属漏电极与金属源电极之间涂覆有绝缘电介质，且绝缘电介质完全覆盖源电极；位于垂直导电沟道附近的绝缘电介质上涂覆有用于调整阈值电压的栅极金属。
所述的垂直导电沟道是指位于沟槽侧面且未被金属源电极覆盖的GaN缓冲层表面，沟道在垂直于沟槽侧面方向深度在25nm-1000nm以内。
所述的垂直导电沟道是通过氟离子注入、表面处理来调整阈值电压。
所述的垂直导电沟道表面是在刻蚀后再采用20％～30％四甲基氢氧化铵(TMAH)在85℃下处理10-15分钟。
所述的垂直导电沟道的离子注入是通过CF4/SF6等离子体处理。
所述的栅极垂直沟道注入离子除氟离子外，还可采用其它负电性离子。
所述的栅极金属采用具有高功函数的金属以提升阈值电压，如Pt，Pd，Au，Ni等。
所述的垂直导电沟道主要是通过在AlGaN势垒层表面涂覆光刻胶后通过曝光、显影后利用ICP-RIE干刻蚀法形成。
所述的绝缘电介质采用Al2O3、Si3N4、HfO2、TiO2、ZrO2、LaAlO3、AlN和MgO中的一种。
所述的衬底为Si、蓝宝石、SiC、GaN和AlGaN中的一种。
本发明可不同于一般的增强型HEMT，本发明通过刻蚀AlGaN势垒层与GaN缓冲层形成垂直型栅极凹槽，栅极通过调制垂直导电沟道的来实现器件的增强型工作。本发明一方面可以通过降低栅极凹槽的深度来减小沟道电阻。
本发明在另一方面在器件制备过程中，可以通过栅极垂直沟道的离子注入，表面处理以及栅极金属的选择来增大阈值电压，抑制器件栅极的误开通，进而提升器件功率应用的可靠性。
本发明的有益效果为：
本发明通过垂直沟道的深度来降低沟道电阻，另外还可以通过离子注入，表面处理及栅极金属的选择上调节HEMT器件阈值电压，使其能够更好地满足中低压(低于600V)功率应用需求。
附图说明
图1是本发明晶体管结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明结构如图1所示，在衬底1上从下至上依次涂覆有GaN缓冲层2和AlGaN势垒层3，GaN缓冲层2与AlGaN势垒层3接触形成具有二维电子气4的异质结；在GaN缓冲层2和AlGaN势垒层3的一侧边缘刻蚀有沟槽，沟槽过刻至GaN缓冲层2，在沟槽底的GaN缓冲层2上表面覆有金属源电极6，在AlGaN势垒层3上表面远离沟槽一侧边缘覆有金属漏电极5，在金属漏电极5与金属源电极6之间涂覆有绝缘电介质7，且绝缘电介质7完全覆盖源电极6；位于垂直导电沟道9附近的绝缘电介质7上涂覆有用于调整阈值电压的栅极金属8。
本发明的实施例如下：
实施例1
1)在衬底1从下到上依次沉积GaN缓冲层2和AlGaN势垒层3，GaN层的厚度为100μm，AlGaN层的厚度为10nm；
2)在AlGaN势垒层3表面涂覆光刻胶后通过曝光、显影后利用ICP-RIE干刻蚀法在一侧边缘形成沟槽，沟槽过刻至GaN缓冲层2；
位于沟槽侧面且未被金属源电极6覆盖的GaN缓冲层2表面形成垂直导电沟道9。其垂直导电沟道9截面上的竖直长度为25nm，以实现减小沟道电阻、增大导通电流的目的。采用26％四甲基氢氧化铵(TMAH)在85℃下处理10min。
3)去胶后清洗，然后在整体表面涂覆光刻胶后，通过曝光、显影后分别在沟槽底GaN缓冲层2上表面与AlGaN势垒层3上表面远离沟槽一侧边缘涂覆金属源电极6、金属漏电极5；两个欧姆金属均采用Ti/Al/Ni/Au，Ti/Al/Ni/Au的厚度分别为20/140/50/90nm。
4)接着依次剥离、清洗后，在除金属漏电极5以外的AlGaN层3上表面、除金属源电极6以外的沟槽侧面以及延伸到金属源电极6的上表面一部分的延伸段上涂覆氧化铝作为绝缘电介质7，其厚度是60nm；
5)清洗后整体表面涂覆光刻胶后通过曝光、显影后在绝缘电介质7的侧面、延伸段以及延伸到绝缘电介质7上表面的一部分涂覆有栅极金属8，栅极金属8采用Ni/Au，其厚度是30/140nm。
实施例2
1)在衬底1从下到上依次沉积GaN缓冲层2和AlGaN势垒层3，GaN层的厚度为1μm，AlGaN层的厚度为50nm；
2)在AlGaN势垒层3表面涂覆光刻胶后通过曝光、显影后利用ICP-RIE干刻蚀法在一侧边缘形成沟槽，沟槽过刻至GaN缓冲层2；
位于沟槽侧面且未被金属源电极6覆盖的GaN缓冲层2表面形成垂直导电沟道9。其垂直导电沟道9截面上的竖直长度为1000nm，以实现减小沟道电阻、增大导通电流的目的。采用30％四甲基氢氧化铵(TMAH)在85℃下处理13min。
3)去胶后清洗，然后在整体表面涂覆光刻胶后，通过曝光、显影后分别在沟槽底GaN缓冲层2上表面与AlGaN势垒层3上表面远离沟槽一侧边缘涂覆金属源电极6、金属漏电极5；两个欧姆金属均采用Ti/Al/Ni/Au，Ti/Al/Ni/Au的厚度分别为20/140/50/150nm。
4)接着依次剥离、清洗后，在除金属漏电极5以外的AlGaN层3上表面、除金属源电极6以外的沟槽侧面以及延伸到金属源电极6的上表面一部分的延伸段上涂覆氧化铝作为绝缘电介质7，其厚度是200nm；
5)清洗后整体表面涂覆光刻胶后通过曝光、显影后在绝缘电介质7的侧面、延伸段以及延伸到绝缘电介质7上表面的一部分涂覆有栅极金属8，栅极金属8采用Ni/Au，其厚度是30/150nm。
实施例3
1)在衬底1从下到上依次沉积GaN缓冲层2和AlGaN势垒层3，GaN层的厚度为40μm，AlGaN层的厚度为30nm；
2)在AlGaN势垒层3表面涂覆光刻胶后通过曝光、显影后利用ICP-RIE干刻蚀法在一侧边缘形成沟槽，沟槽过刻至GaN缓冲层2；
位于沟槽侧面且未被金属源电极6覆盖的GaN缓冲层2表面形成垂直导电沟道9。其垂直导电沟道9截面上的竖直长度为800nm，以实现减小沟道电阻、增大导通电流的目的。采用20％四甲基氢氧化铵(TMAH)在85℃下处理15min。
3)去胶后清洗，然后在整体表面涂覆光刻胶后，通过曝光、显影后分别在沟槽底GaN缓冲层2上表面与AlGaN势垒层3上表面远离沟槽一侧边缘涂覆金属源电极6、金属漏电极5；两个欧姆金属均采用Ti/Al/Ni/Au，Ti/Al/Ni/Au的厚度分别为20/140/50/50nm。
4)接着依次剥离、清洗后，在除金属漏电极5以外的AlGaN层3上表面、除金属源电极6以外的沟槽侧面以及延伸到金属源电极6的上表面一部分的延伸段上涂覆氧化铝作为绝缘电介质7，其厚度是10nm；
5)清洗后整体表面涂覆光刻胶后通过曝光、显影后在绝缘电介质7的侧面、延伸段以及延伸到绝缘电介质7上表面的一部分涂覆有栅极金属8，栅极金属8采用Ni/Au，其厚度是30/50nm。
以上所述，为本发明内容的较佳实施例，并非对本发明内容作任何限制，凡根据本发明内容技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均属于本发明内容技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种阈值电压可调的GaN基增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于：
在衬底(1)上从下至上依次涂覆有GaN缓冲层(2)和AlGaN势垒层(3)，GaN缓冲层(2)与AlGaN势垒层(3)接触形成具有二维电子气(4)的异质结；在GaN缓冲层(2)和AlGaN势垒层(3)的一侧边缘刻蚀有沟槽，沟槽过刻至GaN缓冲层(2)，在沟槽底的GaN缓冲层(2)上表面覆有金属源电极(6)，在AlGaN势垒层(3)上表面远离沟槽一侧边缘覆有金属漏电极(5)，在金属漏电极(5)与金属源电极(6)之间涂覆有绝缘电介质(7)，且绝缘电介质(7)完全覆盖源电极(6)；位于垂直导电沟道(9)附近的绝缘电介质(7)上涂覆有用于调整阈值电压的栅极金属(8)。
2.根据权利要求1所述的一种阈值电压可调的GaN基增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述的垂直导电沟道(9)是指位于沟槽侧面且未被金属源电极(6)覆盖的GaN缓冲层(2)表面，沟道在垂直于沟槽侧面方向深度在25nm-1000nm以内。
3.根据权利要求1或2所述的一种阈值电压可调的GaN基增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述的垂直导电沟道(9)是通过离子注入、表面处理来调整阈值电压。
4.根据权利要求3所述的一种阈值电压可调的GaN基增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述的垂直导电沟道(9)表面是在刻蚀后再采用20％～30％四甲基氢氧化铵(TMAH)在85℃下处理10-15分钟。
5.根据权利要求3所述的一种阈值电压可调的GaN基增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述的垂直导电沟道(9)的离子注入是通过CF4/SF6等离子体处理。
6.根据权利要求1或2所述的一种阈值电压可调的GaN基增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述的栅极金属(8)采用具有高功函数的金属以提升阈值电压，如Pt，Pd，Au，Ni等。
7.根据权利要求1或2所述的一种阈值电压可调的GaN基增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述的垂直导电沟道(9)主要是通过在AlGaN势垒层(3)表面涂覆光刻胶后通过曝光、显影后利用ICP-RIE干刻蚀法形成。
8.根据权利要求1所述的一种阈值电压可调的GaN基增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述的绝缘电介质(7)采用Al2O3、Si3N4、HfO2、TiO2、ZrO2、LaAlO3、AlN和MgO中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种阈值电压可调的GaN基增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述的衬底(1)为Si、蓝宝石、SiC、GaN和AlGaN中的一种。
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Non-Patent Citations (1)
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