CN110148625B - 一种氧化镓垂直结型场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化镓垂直结型场效应晶体管及其制备方法,涉及半导体器件技术领域。针对现有技术中氧化镓的p型掺杂困难,以及栅介质制备难度大和栅控特性差等不足的问题提出本方案。在三维鳍式沟道结构两侧填充p型氧化物半导体层形成异质PN结,巧妙的规避了氧化镓材料的p型掺杂难题,保证良好的栅控特性,且制备工艺简单。

Description

一种氧化镓垂直结型场效应晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种半导体器件技术领域,尤其涉及一种氧化镓垂直结型场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
氧化镓(Ga2O3)半导体具有高达4.8eV的超宽禁带和8MV/cm的超大击穿场强,而且可通过低成本的熔融生长法制得大尺寸单晶衬底,是制备超大功率垂直场效应晶体管(FET)器件的理想材料。然而,由于氧化镓材料的p型掺杂尚无可靠方法实现,目前现有的氧化镓垂直场效应晶体管均采用金属-氧化物-半导体(MOS)结构栅极,参见文献Z.Hu,etal.,Enhancement-mode Ga2O3Vertical Transistors with Breakdown Voltage>1kV,IEEE Electron Device Letters 39(6),869-872,2018;以及CN108493234A,存在栅介质制备难度大和栅控特性差等不足。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题,本发明目的在于提供一种良好栅控特性的氧化镓垂直结型场效应晶体管及其制备方法。
本发明所述的一种氧化镓垂直结型场效应晶体管及其制备方法,包括:依次层叠设置的氧化镓漂移层、n型掺杂氧化镓衬底和漏电极;所述的氧化镓漂移层远离n型掺杂氧化镓衬底的一侧向外延伸出若干肋条,所述肋条在远离n型掺杂氧化镓衬底的方向依次层叠设置氧化镓接触层和源电极;肋条两侧填充有p型氧化物半导体层,所述的p型氧化物半导体层表面设有栅电极。
优选地,所述的p型氧化物半导体层和栅电极之间为肖特基接触或欧姆接触。
优选地,所述的p型氧化物半导体层为非晶或多晶结构。
优选地,所述的p型氧化物半导体层的空穴浓度为1×1017/cm3~1×1020/cm3
优选地,所述的p型氧化物半导体层厚度为300nm至5μm。
优选地,所述的氧化镓接触层厚度为10nm至200nm。
优选地,所述的肋条高度为300nm至5μm,且肋条的高度不小于所述p型氧化物半导体层的厚度。
优选地,所述的氧化镓漂移层为单晶结构,掺杂浓度为5×1014cm-3至1×1018cm-3,厚度为2μm至5mm。
优选地,所述的氧化镓接触层和n型掺杂氧化镓衬底的掺杂浓度相同,均为5×1017cm-3至1×1020cm-3
一种氧化镓垂直结型场效应晶体管的制备方法,包括:制备n型掺杂的氧化镓基晶圆片的步骤,在所述氧化镓基晶圆片刻蚀出三维鳍式沟道结构的步骤,以及电极制备的步骤;其特征在于,还包括在所述三维鳍式沟道结构两侧填充p型氧化物半导体层形成异质PN结的步骤。
本发明所述的一种氧化镓垂直结型场效应晶体管及其制备方法,其优点在于,晶体管的栅极采用由非晶或多晶的p型氧化物半导体与单晶氧化镓形成的异质PN结结构,巧妙的规避了氧化镓材料的p型掺杂难题,保证良好的栅控特性,且制备工艺简单。
附图说明
图1是本发明所述氧化镓垂直结型场效应晶体管及其制备方法的结构示意图;
图2是本发明所述氧化镓垂直结型场效应晶体管及其制备方法的立体图。
附图标记:101-漏电极;102-n型掺杂氧化镓衬底;103-氧化镓漂移层;104-氧化镓接触层;105-源电极;106-p型氧化物半导体层;107-栅电极。
具体实施方式
如图1、2所示,本发明所述的一种氧化镓垂直结型场效应晶体管包括:依次层叠设置的氧化镓漂移层103、n型掺杂氧化镓衬底102和漏电极101。所述的氧化镓漂移层103远离n型掺杂氧化镓衬底102的一侧向外延伸出若干肋条,所述肋条在远离n型掺杂氧化镓衬底102的方向依次层叠设置氧化镓接触层104和源电极105。肋条两侧填充有p型氧化物半导体层106,所述的p型氧化物半导体层106表面设有栅电极107。所述的p型氧化物半导体层106和栅电极107之间为肖特基接触或欧姆接触;漏电极101与n型掺杂氧化镓衬底102表面为欧姆接触;源电极105与氧化镓接触层104为欧姆接触。所述的p型氧化物半导体层106为非晶或多晶结构,空穴浓度为1×1017/cm3~1×1020/cm3,p型氧化物半导体层106厚度为300nm至5μm。所述的氧化镓接触层104厚度为10nm至200nm。所述的肋条高度为300nm至5μm,且肋条的高度不小于所述p型氧化物半导体层106的厚度。所述的氧化镓漂移层103为单晶结构,掺杂浓度为5×1014cm-3至1×1018cm-3,厚度为2μm至5mm。所述的氧化镓接触层104和n型掺杂氧化镓衬底102的掺杂浓度相同,均为5×1017cm-3至1×1020cm-3
其中所述的肋条相当于器件中载流子的沟道层,所述的肋条、氧化镓接触层104共同组成三维鳍式沟道结构。所述的三维鳍式沟道结构数量可为二以上,且互相平行设置。三维鳍式沟道结构的宽度可为10nm至1μm。p型氧化物半导体层106与氧化镓漂移层103之间形成异质PN结,栅电极107通过改变异质PN结的耗尽区宽度进而调控三维鳍式沟道结构中的电子浓度,实现晶体管的导通和关断,规避了目前氧化镓材料的p型掺杂尚无可靠方法实现的难题,巧妙的实现了氧化镓基垂直结型场效应晶体管,性能可靠且制备工艺简单。
本发明还提供一种制备所述氧化镓垂直结型场效应晶体管的方法:
在n型掺杂氧化镓衬底102上依次生长氧化镓漂移层103和氧化镓接触层104制得n型掺杂的氧化镓基晶圆片。
在氧化镓接触层104的表面定义出刻蚀区域,所述的刻蚀区域间隔一定距离并平行设置;在刻蚀区域完全刻蚀氧化镓接触层104并对氧化镓漂移层103上部进行刻蚀,得到若干平行设置的三维鳍式沟道结构;氧化镓漂移层103上部在刻蚀区域外的部分即为所述的肋条。
在所述三维鳍式沟道结构两侧填充p型氧化物半导体层106,是p型氧化物半导体层106与氧化镓漂移层103形成异质PN结;所述p型氧化物半导体层106可为采用磁控溅射、溶液法、氧化金属法、物理或化学气相沉积等方法制备,材质可为NiO、Cu2O或其他等单层或多层的p型氧化物半导体材料。
在p型氧化物半导体层106上沉积金属形成欧姆接触或肖特基接触,制得栅电极107;所述栅电极107可以采用磁控溅射或电子束蒸发的方法沉积Ni/Au合金或Pt/Au合金制得。
在氧化镓接触层104上沉积金属形成欧姆接触,制得源电极105;所述源电极105可以采用磁控溅射或电子束蒸发的方法沉积Ti/Au合金或Ti/Al/Ni/Au合金制得。
刻蚀或研磨减薄n型掺杂氧化镓衬底102远离氧化镓漂移层103的一侧,并沉积金属形成欧姆接触,制得漏电极101;所述漏电极101可以采用磁控溅射或电子束蒸发的方法沉积Ti/Au合金或Ti/Al/Ni/Au合金制得。完成所述氧化镓垂直结型场效应晶体管的制作流程。
本发明所述的一种氧化镓垂直结型场效应晶体管,栅控功能采用由非晶或多晶的p型氧化物半导体与单晶氧化镓形成异质PN结结构实现,巧妙的规避了氧化镓材料的p型掺杂难题。当栅电极107施加负电压时,异质PN结反偏,氧化镓沟道层被耗尽,晶体管关断;当栅电极107施加正电压时,异质PN结正偏,氧化镓沟道层耗尽宽度减小,实现对晶体管电流的有效调控,具有良好的栅控特性且制备工艺简单。
对于本领域的技术人员来说,可根据以上描述的技术方案以及构思,做出其它各种相应的改变以及形变,而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种氧化镓垂直结型场效应晶体管,包括:依次层叠设置的氧化镓漂移层(103)、n型掺杂氧化镓衬底(102)和漏电极(101);所述的氧化镓漂移层(103)远离n型掺杂氧化镓衬底(102)的一侧向外延伸出若干肋条,所述肋条在远离n型掺杂氧化镓衬底(102)的方向依次层叠设置氧化镓接触层(104)和源电极(105);其特征在于,肋条两侧填充有p型氧化物半导体层(106),所述的p型氧化物半导体层(106)表面设有栅电极(107);所述的p型氧化物半导体层(106)厚度为5μm;所述的肋条高度为5μm;且肋条的高度等于所述p型氧化物半导体层(106)的厚度。
2.根据权利要求1所述氧化镓垂直结型场效应晶体管,其特征在于,所述的p型氧化物半导体层(106)和栅电极(107)之间为肖特基接触或欧姆接触。
3.根据权利要求1所述氧化镓垂直结型场效应晶体管,其特征在于,所述的p型氧化物半导体层(106)为非晶或多晶结构。
4.根据权利要求1所述氧化镓垂直结型场效应晶体管,其特征在于,所述的p型氧化物半导体层(106)的空穴浓度为1×1017/cm3~1×1020/cm3
5.根据权利要求1所述氧化镓垂直结型场效应晶体管,其特征在于,所述的氧化镓接触层(104)厚度为10nm至200nm。
6.根据权利要求1所述氧化镓垂直结型场效应晶体管,其特征在于,所述的氧化镓漂移层(103)为单晶结构,掺杂浓度为5×1014cm-3至1×1018cm-3,厚度为2μm至5mm。
7.根据权利要求1所述氧化镓垂直结型场效应晶体管,其特征在于,所述的氧化镓接触层(104)和n型掺杂氧化镓衬底(102)的掺杂浓度相同,均为5×1017cm-3至1×1020cm-3
8.一种氧化镓垂直结型场效应晶体管的制备方法,包括:制备n型掺杂的氧化镓基晶圆片的步骤,在所述氧化镓基晶圆片刻蚀出三维鳍式沟道结构的步骤,以及电极制备的步骤;其特征在于,还包括在所述三维鳍式沟道结构两侧填充p型氧化物半导体层(106)形成异质PN结的步骤;所述的三维鳍式沟道结构由肋条、氧化镓接触层(104)共同组成;所述的p型氧化物半导体层(106)厚度为5μm;所述的肋条高度为5μm;且肋条的高度等于所述p型氧化物半导体层(106)的厚度。
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