CN109950154B - 一种GaN器件栅金属/半导体界面的改善方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GaN器件栅金属/半导体界面的改善方法，包括：制备GaN器件，其中，所述GaN器件具有肖特基接触区域；在预设能量、预设剂量、预设温度和预设时间下，对所述肖特基接触区域进行质子辐照。本发明实施例通过对GaN器件的肖特基接触区域进行一定程度的质子辐照，有效降低了栅金属/半导体界面态密度，从而改善了界面质量，提升了器件的可靠性，使得GaN器件在各个领域均能正常使用，从而使GaN器件的应用范围更为广阔。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种GaN器件栅金属/半导体界面的改善方法。
背景技术
GaN材料因具有宽的禁带间隙，高的饱和电子速度，高的击穿电场等良好的物理特性，被广泛应用于高功率和高频器件中。以GaN材料为基础制备的器件的性能远胜于常规器件，在卫星通信，航空航天等领域极具应用前景。该类器件已成为人们关注和研究的重点。
GaN器件中的栅金属/半导体界面的优劣对于器件的可靠性非常重要。目前，器件栅金属/半导体界面形成的方法是栅极金属通过蒸发与AlGaN势垒层接触在一起。这种高温下通过合金而成的界面质量较差，存在大量缺陷。通常，栅金属/半导体界面中大量的缺陷会增加辅助电子隧穿通过势垒的通道数量，从而导致栅漏电增大，使器件特性变差。因此，金属/半导体界面存在的缺陷会使GaN器件产生可靠性问题。这严重影响了器件在各个领域中的正常工作，制约了器件的实际使用。然而，到目前为止，仍然缺少行之有效的方法来提升GaN器件栅金属/半导体界面特性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种GaN器件栅金属/半导体界面的改善方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种GaN器件栅金属/半导体界面的改善方法，包括：
制备GaN器件，其中，所述GaN器件具有肖特基接触区域；
在预设能量、预设剂量、预设温度和预设时间下，对所述肖特基接触区域进行质子辐照。
在本发明的一个实施例中，制备GaN器件包括：
在衬底上生长AlN成核层；
在所述AlN成核层上生长GaN缓冲层；
在所述GaN缓冲层上生长AlGaN势垒层；
在所述AlGaN势垒层上生长欧姆金属并进行退火处理，形成欧姆接触电极；
在所述AlGaN势垒层上生长SiN钝化层；
在所述AlGaN势垒层上生长肖特基接触电极，所述肖特基接触电极对应的区域为所述肖特基接触区域。
在本发明的一个实施例中，对所述肖特基接触区域进行质子辐照，包括：
采用低能加速器的真空枪体沿所述肖特基接触区域均匀运动，使经过所述低能加速器加速的质子均匀注入所述肖特基接触区域。
在本发明的一个实施例中，所述预设能量为0.1～40MeV。
在本发明的一个实施例中，所述预设剂量为1010～1015H+/cm2。
在本发明的一个实施例中，所述预设剂量为5×1013～5×1014H+/cm2。
在本发明的一个实施例中，所述预设剂量为5×1014H+/cm2。
在本发明的一个实施例中，所述预设温度为20～22℃。
在本发明的一个实施例中，所述预设时间为5～30h。
在本发明的一个实施例中，所述预设时间为10h。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明通过对GaN器件的肖特基接触区域进行一定程度的质子辐照，有效降低了栅金属/半导体界面态密度，从而改善了界面质量，提升了器件的可靠性，使得GaN器件在各个领域均能正常使用，从而使GaN器件的应用范围更为广阔。
2、本发明随着质子辐照剂量的增加，栅金属/半导体界面态密度越来越小，栅金属/半导体界面的改善程度加强，器件的可靠性进一步提升。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种GaN器件栅金属/半导体界面的改善方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种制备GaN器件的流程示意图；
图3a-图3b为本发明实施例提供的一种GaN器件的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种GaN器件等效电路模型图；
图5为本发明实施例提供的一种采用第一剂量辐照前后GaN器件栅金属/半导体界面态密度与能级关系对比图；
图6为本发明实施例提供的一种采用第一剂量、第二剂量、第三剂量辐照前后GaN器件栅金属/半导体界面态密度与能级关系对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种GaN器件栅金属/半导体界面的改善方法的流程示意图，包括：
S1、制备GaN器件，其中，所述GaN器件具有肖特基接触区域；请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种制备GaN器件的流程示意图，具体包括步骤：
S11、选取衬底1；
选取蓝宝石作为AlGaN/GaN外延结构的衬底，采用蓝宝石作为衬底是因为GaN没有经济可用的天然衬底，GaN的生长只能通过一些异质衬底进行外延，而且在蓝宝石衬底上生长GaN，因晶格不匹配造成的缺陷相比其他衬底要小，并且蓝宝石价格较低。
S12、在衬底1上生长AlN成核层2；
采用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical VaporDeposition，MOCVD)方法在蓝宝石衬底1上生长一层AlN成核层2。AlN成核层也叫AlN插入层，AlN成核层插在蓝宝石衬底与GaN缓冲层之间，一方面可以减小衬底与GaN之间的晶格失配，另一方面是由于GaN与AlN热膨胀系数相近，可以防止热应力对器件损伤，减小晶体中的缺陷的产生。
S13、在所述AlN成核层2上生长GaN缓冲层3；具体的，采用MOCVD方法在AlN成核层2上生长GaN缓冲层3；其中，GaN缓冲层的材料为非故意掺杂的GaN。
S14、在所述GaN缓冲层3上生长AlGaN势垒层4；具体的，采用MOCVD方法在GaN缓冲层3上生长AlGaN势垒层4。
S15、在所述AlGaN势垒层4上生长欧姆金属并进行退火处理，形成欧姆接触电极5；
具体的，利用MOCVD方法、在850℃的氮气氛围中，在AlGaN势垒层上依次生长欧姆金属Ti/Al/Ni/Au，Ti/Al/Ni/Au的厚度分别为22/140/55/45nm，然后退火30s，使得欧姆金属下沉到GaN缓冲层，形成欧姆接触电极；欧姆接触电极的形状为圆环状，请参见图3b。
S16、在所述AlGaN势垒层4上生长SiN钝化层6；
具体的，利用等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD)方法在AlGaN势垒层上生长Si3N4，形成Si3N4钝化层。
S17、在所述AlGaN势垒层4上生长肖特基接触电极7；
具体的，利用MOCVD方法，在AlGaN势垒层上依次生长Ni/Au/Ni，Ni/Au/Ni的厚度分别为45/200/20nm，最终形成圆形的肖特基接触电极，肖特基接触电极的外围围绕圆环状的欧姆接触电极。其中，肖特基接触电极即为栅极。
请参见图3a-图3b，图3a-图3b为本发明实施例提供的一种GaN器件的结构示意图，其中图3a为横截面示意图，图3b为顶视图。所制备的GaN器件中的肖特基接触电极对应的区域为所述肖特基接触区域；进一步的，肖特基接触区域包括两处：肖特基接触金属、肖特基接触金属与AlGaN势垒层接触的区域。
S2、在预设能量、预设剂量、预设温度和预设时间下，对所述肖特基接触区域进行质子辐照。
对所述肖特基接触区域进行质子辐照，理论上讲具体包括，采用低能加速器的真空枪体沿所述肖特基接触区域匀速运动，使经过所述低能加速器加速的质子均匀注入所述肖特基接触区域。进一步的，采用低能加速器对质子进行加速，质子从低能加速器的真空枪体的枪口出去注入到器件内部，质子加速的速度设定原则为：使质子注入肖特基接触金属与AlGaN势垒层接触区域；低能加速器的真空枪体沿肖特基接触区域均匀扫过肖特基接触区域表面，从而使得质子均匀注入肖特基接触区域，实现对肖特基接触区域进行质子辐照。具体的，低能加速器的真空枪体可以从肖特基接触区域的边界开始均匀运动，也可以从中心区域开始均匀运动，将肖特基接触区域全部覆盖。进一步的，辐照时，低能加速器的真空枪体从肖特基接触区域的正上方进行辐照，以保证质子注入的均匀度。
其中，低能加速器的能量小于100MeV，避免了高能质子对器件造成严重损伤。均匀运动是指低能加速器的真空枪体沿肖特基接触区域表面进行匀速移动，运动方向不限。
在实际操作过程中，通常每次实验都是对同一个场区的多个器件进行质子辐照，且目前加速器真空枪体的口径较大，很难实现单独对某个器件的特定区域进行质子辐照。因此为保证质子辐照的有效区域为肖特基接触区域，在整个场区上制备一层特殊材质的阻挡层，该阻挡层的特点是质子无法穿过。然后将器件肖特基接触区域上方的阻挡层光刻掉。当进行质子辐照时，加速器的真空枪体从场区边缘开始均匀扫过整个场区，使得器件的肖特基接触区域被均匀的质子辐照，其它区域的质子在注入时都被阻挡层阻挡。另外，阻挡层的厚度可根据质子辐照的能量和剂量作具体调整。最后，在质子辐照后将器件上方所有剩余的阻挡层光刻掉。
对肖特基接触区域进行均匀质子辐照可以使得肖特基接触区域的质子注入均匀，从而使栅金属/半导体界面的改善程度均匀，具有均匀的界面态密度分布，从而进一步提升器件的可靠性。
具体的，质子辐照的预设能量为0.1～40Mev，优选的预设能量为3MeV，低质子辐照能量对器件造成的影响更为显著，可以更有效改善栅金属/半导体界面的缺陷。
具体的，质子辐照的预设剂量为1010～1015H+/cm2。
当质子辐照剂量较小时，GaN器件的栅金属/半导体界面几乎不发生变化；当剂量较大时，质子辐照会对GaN器件产生严重损伤，导致器件失效；采用1010～1015H+/cm2的辐照剂量，可以使得栅金属/半导体界面质量得到有效改善；且在此范围内，辐照剂量越大，栅金属/半导体界面态密度越低，界面质量越好。
优选的预设剂量为5×1013～5×1014H+/cm2，在此范围内，辐照剂量越大，栅金属/半导体界面态密度越低，界面质量越好。当质子辐照剂量为5×1014H+/cm2，该剂量对GaN器件栅金属/半导体改善的程度相对较大。
具体的，质子辐照的预设温度为20～22℃，优选的，辐照温度为22℃。
目前GaN器件主要应用于外太空，器件在外太空所受的温度是不确定的，在不同的位置不一样，空间站在不同面所受温度为-157-121℃，其温度很难具体模拟，因此，选用20～22℃，即包含在外太空温度内，又使得质子辐照过程易于操作，无需额外的设备控制温度，降低辐照成本。
具体的，对GaN器件的肖特基接触区域进行质子辐照，辐照预设时间，其中，预设时间为5～30h，优选的预设时间为10h。
综合考虑加速器控制的难易程度、注入均匀程度和耗时长短，选用5～30h的辐照时间，不仅使得加速器易于控制，从而保证了质子注入的均匀程度，同时较短的辐照时间处于可接受的范围内。
具体的，质子辐照在真空环境下进行，选择真空的辐照环境，可以排除其它气体对质子注入过程的干扰，从而使辐照更加精确；同时，GaN器件多用于卫星通信，航空航天领域，多工作于外太空中，而外太空环境近乎真空，所以选择真空可以更好的模拟外太空环境。
本发明实施例通过对GaN器件的肖特基接触区域进行一定程度的质子辐照，有效降低了栅金属/半导体界面态密度，从而改善了界面质量，提升了器件的可靠性，使得GaN器件在各个领域均能正常使用，从而使GaN器件的应用范围更为广阔。
实施例二
首先制备得到第一GaN器件，制备第一GaN器件的步骤如实施例一所述。
然后对第一GaN器件采用半导体参数分析仪进行多个频率(10kHz-5MHz)下电容-电压(C-V)测试，得到第一数据作为初始状态的数据；其中，C-V测试时栅极电压设定为-6V到1V。
其次，在预设能量为3MeV、第一剂量为5×1013H+/cm2、预设温度为22℃(室温)、真空环境的条件下，采用低能加速器对第一GaN器件的肖特基接触区域进行均匀质子辐照，辐照时间为10h。
接着辐照完成后采用半导体参数分析仪对辐照后的GaN器件进行多个频率(10kHz-5MHz)下电容-电压(C-V)测试，得到第二数据作为质子辐照后的数据。
最后，对第一数据和第二数据采用变频电导法提取栅金属/半导体界面陷阱的物理参数，对比观察界面态密度的变化。
变频电导法测量陷阱不但具有很高的灵敏度，而且可以得到关于界面态陷阱的完整的信息，包括态密度，能级位置，时常数等。变频电导法测量的基本原理是基于陷阱对于电子的俘获作用，利用等效的平行电导代表因陷阱的俘获与释放所引起的耗散机制，通过测量不同的频率与不同栅压下的电容的等效平行电导值表征界面态陷阱。
具体的，提取物理参数的过程为：
请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种GaN器件等效电路模型图，其中，(a)为实际电路模型图，(b)为等效电路，(c)为测试电路。变频电导法将GaN器件结构描述成一个等效电路模型，如图4所示。在图4的(a)、(b)中，CAlGaN，CGaN分别是势垒层、缓冲层的电容，CSurf、GSurf分别是表面态的电容和电导，CT、GT分别是陷阱贡献的电容和电导，二者串联代表陷阱态释放与俘获的耗散过程。
变频电导法研究栅金属/半导体界面态的测量电路如图4的(c)所示，由一个电容与一个电导并联组成。等效平行电导Gp/ω可通过下面的公式表示：
其中，Cac是积累区电容，Cm、Gm分别是等效电路的总电容和总电导。通过所测量的电容与频率的数据，获得平行电导Gp/ω与频率ω的对应关系。在测试过程中需要仔细选择栅极偏置电压，确保所探测的栅金属/半导体界面处于积累区，以便能够探测界面的陷阱。
假设界面态的能级水平是连续分布的，那么Gp/ω与ω之间的关系可以表示为下式：
其中DT是界面态密度，τT是时常数。对测试的数据进行拟合，进而可直接提取界面态的时常数τT和界面态密度DT。
而根据时常数τT可以进一步通过公式(3)得到界面态能级(也称陷阱能级)ET：
τT＝(σTNCυT)-1exp(ET/kT) (3)
其中，陷阱的俘获截面σT＝3.4×10-15cm2，导带底的态密度NC＝4.3×1014×T3/2cm-3，电子的平均热速率υT＝2.6×107cm/s，T为温度。
请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种采用第一剂量辐照前后GaN器件栅金属/半导体界面态密度与能级关系对比图，其中，剂量A指第一剂量。图5中，辐照前器件栅金属/半导体界面态密度与能级的关系为线段F，在能量为3MeV、剂量为5×1013H+/cm2的条件下质子辐照后的关系为线段A。辐照前(线段F)最低处的界面态密度为d2，最高处的界面态密度为d4。辐照后(线段A)最低处的界面态密度减小为d1，即d1<d2，最高处的界面态密度减小为d3，即d3<d4。
所以在整体上辐照后的界面态密度减小，图5中也可以明显看出线段A低于线段F，这表明GaN器件经过辐照后，栅金属/半导体界面态密度减小，界面质量得到改善，从而一定程度上提升了GaN器件性能。
本发明实施例通过对GaN器件的肖特基接触区域进行一定程度的质子辐照，有效降低了栅金属/半导体界面态密度，从而改善了界面质量，提升了器件的可靠性，使得GaN器件在各个领域均能正常使用，从而使GaN器件的应用范围更为广阔。
实施例三
在实施例二的基础上，首先制备第二GaN器件，制备第二GaN器件的步骤与制备第一GaN器件相同；然后对第二GaN器件进行C-V测试、质子辐照、C-V测试和物理参数提取的过程，其中，C-V测试、质子辐照、物理参数提取过程请参见实施例二，质子辐照时在其余参数相同条件下采用第二剂量即1×1014H+/cm2对第二器件进行辐照。
接着，制备第三GaN器件，制备第三GaN器件的步骤与制备第一GaN器件相同；然后对第三GaN器件进行C-V测试、质子辐照、C-V测试和物理参数提取的过程，其中，C-V测试、质子辐照、物理参数提取过程请参见实施例二，质子辐照时在其余参数相同条件下采用第三剂量即5×1014H+/cm2对第三器件进行辐照。
请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种采用第一剂量、第二剂量、第三剂量辐照前后GaN器件栅金属/半导体界面态密度与能级关系对比图，其中，剂量A指第一剂量，剂量B指第二剂量，剂量C指第三剂量。
图6中，辐照前GaN器件栅金属/半导体界面态密度与能级的关系为线段F，在能量为3MeV、剂量为5×1013H+/cm2、1×1014H+/cm2和5×1014H+/cm2的条件下辐照后的关系分别为线段A、B和C，其中A、B、C的辐照剂量依次增大，从图6中可以看出，线段A、B、C都低于辐照前的线段F，且随着剂量的增加，辐照后的线段A、B、C依次降低。
这说明，辐照后GaN器件栅金属/半导体界面态密度减小，且随着辐照剂量的增加，减小的程度越来越大，对界面质量的改善作用越来越强，器件性能会进一步得到提升。
本发明实施例通过使得第一剂量小于第二剂量，第二剂量小于第三剂量，随着剂量的增加，栅金属/半导体界面态密度越来越小，栅金属/半导体界面的改善程度加强，器件的可靠性进一步提升。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种GaN器件栅金属/半导体界面的改善方法，其特征在于，包括：
制备GaN器件，其中，所述GaN器件具有肖特基接触区域，所述肖特基接触区域包括肖特基接触金属、肖特基接触金属与AlGaN势垒层接触的区域，然后在所述GaN器件表面制备一层质子无法穿过的阻挡层，并将所述肖特基接触区域上方的所述阻挡层光刻掉；
在预设能量、预设剂量、预设温度和预设时间下，采用低能加速器的真空枪体沿所述肖特基接触区域均匀运动，使经过所述低能加速器加速的质子均匀注入所述肖特基接触区域，以减小栅金属/半导体界面的态密度，其中，所述预设时间为5～30h；
其中，制备肖特基接触电极的具体步骤为：在AlGaN势垒层上依次生长Ni/Au/Ni，Ni/Au/Ni的厚度分别为45/200/20nm，最终形成圆形的肖特基接触电极，肖特基接触电极的外围围绕圆环状的欧姆接触电极；所制备的GaN器件中的所述肖特基接触电极对应的区域为所述肖特基接触区域。
2.如权利要求1所述的GaN器件栅金属/半导体界面的改善方法，其特征在于，制备GaN器件包括：
在衬底上生长AlN成核层；
在所述AlN成核层上生长GaN缓冲层；
在所述GaN缓冲层上生长AlGaN势垒层；
在所述AlGaN势垒层上生长欧姆金属并进行退火处理，形成欧姆接触电极；
在所述AlGaN势垒层上生长SiN钝化层；
在所述AlGaN势垒层上生长肖特基接触电极，所述肖特基接触电极对应的区域为所述肖特基接触区域。
3.如权利要求1所述的GaN器件栅金属/半导体界面的改善方法，其特征在于，所述预设能量为0.1～40MeV。
4.如权利要求1所述的GaN器件栅金属/半导体界面的改善方法，其特征在于，所述预设剂量为1010～1015H+/cm2。
5.如权利要求4所述的GaN器件栅金属/半导体界面的改善方法，其特征在于，所述预设剂量为5×1013～5×1014H+/cm2。
6.如权利要求5所述的GaN器件栅金属/半导体界面的改善方法，其特征在于，所述预设剂量为5×1014H+/cm2。
7.如权利要求1所述的GaN器件栅金属/半导体界面的改善方法，其特征在于，所述预设温度为20～22℃。
8.如权利要求1所述GaN器件栅金属/半导体界面的改善方法，其特征在于，所述预设时间为10h。
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| GR01 | Patent grant | ||
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