CN110504301A - 一种iii族氮化物晶体管外延结构和晶体管器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种III族氮化物晶体管外延结构。该III族氮化物晶体管外延结构包括衬底以及依次叠层在所述衬底上的成核层，缓冲层，沟道层和势垒层；所述衬底包括多个凹槽结构和位于所述凹槽结构之间的生长窗口；所述成核层位于所述衬底的所述生长窗口；所述缓冲层包括形成在合并区的沿所述生长窗口指向与其相邻的所述凹槽结构的方向外延生长的半极性Ⅲ族氮化物和形成在窗口区的沿与所述衬底所在平面垂直的方向外延生长的所述半极性Ⅲ族氮化物；所述沟道层和所述势垒层均为半极性Ⅲ族氮化物，所述合并区和所述窗口区均延伸到所述沟道层和所述势垒层。该III族氮化物晶体管外延结构有助于实现制备高电子迁移率、低横向漏电的增强型HEMT器件。
Description
技术领域
本发明实施例半导体材料和器件制造领域，尤其涉及一种III族氮化物晶体管外延结构和晶体管器件。
背景技术
AlN、GaN、InN及其三元四元化合物等III族氮化物均为直接带隙化合物半导体材料，它们具有宽禁带、高击穿电场和热导率、高电子迁移速率及耐化学腐蚀等特点，能够完全满足市场对高压转换器件的需求。
目前，GaN基HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)结构主要是在c面蓝宝石和(111)面Si衬底上外延生长获得的c面极性材料。其沿生长方向上存在强烈的自发极化和压电极化，在异质结界面处形成浓度很大的极化束缚电荷，对能带结构产生调制作用，从而形成高浓度和高迁移率的二维电子气。但是也正是这种极化效应，使得其二维电子气难以控制和耗尽，极性面的GaN大多数被用于制作耗尽型HEMT。为了得到增强型的GaN基HEMT，在生长过程中引入特殊的掺杂(如C掺杂)，或者工艺过程中通过氟离子注入、栅槽、p型栅等设计来调节阈值电压。但是这些方法得到的增强型HEMT器件的阈值电压通常较低，且工艺步骤繁复，可靠性仍待提高，不适合广泛的生产和应用。
发明内容
本发明提供一种III族氮化物晶体管外延结构和晶体管器件，该III族氮化物晶体管外延结构有助于实现制备高电子迁移率、低横向漏电的增强型HEMT器件。
第一方面，本发明实施例提供了一种III族氮化物晶体管外延结构，该外延结构包括衬底以及依次叠层在所述衬底上的成核层，缓冲层，沟道层和势垒层；所述衬底包括多个凹槽结构和位于所述凹槽结构之间的生长窗口；所述成核层位于所述衬底的所述生长窗口；所述缓冲层包括形成在合并区的沿所述生长窗口指向与其相邻的所述凹槽结构的方向外延生长的半极性Ⅲ族氮化物和形成在窗口区的沿与所述衬底所在平面垂直的方向外延生长的所述半极性Ⅲ族氮化物；所述沟道层和所述势垒层均为半极性Ⅲ族氮化物，所述合并区和所述窗口区均延伸到所述沟道层和所述势垒层。
可选的，所述成核层包括多个分散于所述衬底表面的成核岛；位于最邻近所述生长窗口和所述凹槽结构交界线的所述成核岛的生长方向与所述衬底所在平面的夹角大于0°，且小于90°。
可选的，所述成核岛的材料为GaN或AlN。
可选的，所述凹槽结构为条形；多个所述凹槽结构沿第一方向延伸，沿第二方向排列；所述第一方向与所述第二方向均与所述衬底所在平面平行；所述半极性Ⅲ族氮化物为六方纤锌矿结构，所述第一方向为所述合并区的所述半极性Ⅲ族氮化物投影到六方纤锌矿结构(0001)面时的a方向，所述第二方向与所述第一方向交叉。
可选的，所述凹槽结构被垂直于所述第一方向的面所截得到的截面为三角形、四边形或半圆形。
可选的，所述凹槽结构的深度为0.5-1μm。
可选的，所述凹槽结构的宽度为1-10μm。
可选的，所述凹槽结构投影到所述衬底所在平面的投影面积占所述衬底所在平面的面积的20％-80％。
第二方面，本申请实施例提供了一种III族氮化物晶体管器件，该III族氮化物晶体管器件包括权利要求第一方面提供的任一项III族氮化物晶体管外延结构。
可选的，所述III族氮化物晶体管器件还包括电极；所述电极设置于所述势垒层远离所述沟道层一侧，且位于所述合并区内。
本申请实施例提供的III族氮化物晶体管外延结构，通过在衬底上设置凹槽结构和生长窗口，成核层位于衬底的生长窗口，使得凹槽结构和生长窗口交接区域的成核层的生长方向由生长窗口指向相邻的凹槽结构，生长窗口其他区域的成核层生长方向垂直衬底所在的平面；半极性Ⅲ族氮化物沿生长窗口指向相邻的凹槽结构的方向外延生长形成缓冲层的合并区，半极性Ⅲ族氮化物沿与衬底所在的平面垂直的方向外延生长形成缓冲层的窗口区；缓冲层上设置半极性Ⅲ族氮化物的沟道层和势垒层，窗口区和合并区延伸至沟道层和势垒层。由于半极性Ⅲ族氮化物沿其生长方向的极化电场较弱，二维电子气容易耗尽，易于制备增强型HEMT器件；窗口区边缘大量的位错产生弯曲，相互湮灭，在合并区形成的半极性Ⅲ族氮化物具有低位错密度，可显著提高晶体管结构的晶体质量和表面形貌，在沿电子迁移率较高的方向上获得低位错密度；此外，窗口区形成的半极性Ⅲ族氮化物具有较高的堆垛层错，能够有效抑制电子在缓冲层的横向泄露现象，因此，该外延结构有助于实现制备高电子迁移率、低横向漏电的增强型HEMT器件。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种III族氮化物晶体管外延结构的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种III族氮化物晶体管外延结构的凹槽结构的结构示意图；
图3本发明实施例提供的另一种III族氮化物晶体管外延结构的凹槽结构的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种III族氮化物晶体管器件的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种III族氮化物晶体管器件的制造方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种III族氮化物晶体管外延结构的结构示意图。如图1所示，III族氮化物晶体管外延结构100包括衬底110以及依次叠层在所述衬底上的成核层120，缓冲层130，沟道层140和势垒层150；衬底110包括多个凹槽结构111和位于凹槽结构111之间的生长窗口112；成核层120位于衬底110的生长窗口112；缓冲层130包括形成在合并区131的沿生长窗口112指向与其相邻的凹槽结构111的方向外延生长的半极性Ⅲ族氮化物和形成在窗口区132的沿与衬底110所在平面垂直的方向外延生长的半极性Ⅲ族氮化物；沟道层140和势垒层150均为半极性Ⅲ族氮化物，合并区131和窗口区132均延伸到沟道层140和所述势垒层150。
具体的，提供一衬底110，在衬底110上涂覆一层正性光刻胶，利用掩膜版对光刻胶进行曝光、显影和坚膜，在光刻胶上形成凹槽结构111的图形，而后通过刻蚀工艺将凹槽结构111的图形转移至衬底110，得到了有凹槽结构111的衬底110，两个相邻凹槽结构111之间的区域为生长窗口112。去除衬底110表面的杂质，在衬底110的生长窗口112上形成成核层120，形成在生长窗口112与凹槽结构111交界处的成核层120在触发后续生长过程中，逐渐远离衬底110所在平面纵向生长的同时朝向平行于衬底110所在平面横向生长，使位错线产生弯曲。半极性Ⅲ族氮化物沿缓冲层130的生长方向外延生长；其中，生长窗口112与凹槽结构111交界处的半极性Ⅲ族氮化物远离衬底110所在平面纵向生长的同时朝向平行于衬底110所在平面横向生长，位错线产生弯曲(图1中弯曲的虚线)形成合并区131，合并区131横向生长产生的部分位错缺陷和纵向生长产生的部分位错缺陷相互抵消，缺陷密度较低；生长窗口112其他区域的半极性Ⅲ族氮化物远离衬底110所在平面纵向生长，位错线垂直衬底110所在平面(图1中垂直衬底的纵向虚线)形成窗口区132，窗口区132具有较高密度的堆垛层错。在缓冲层130上继续生长半极性沟道层140和半极性势垒层150，合并区131和窗口区132垂直衬底110所在平面延伸至沟道层140和势垒层150，沟道层140的合并区131的缺陷密度低，具有较高的电子迁移率，沟道层140的窗口区132具有较高的堆垛层错，形成自生长电子阻挡层。
本申请实施例还可采用其他方式形成凹槽结构，本申请对凹槽结构、成核层、沟道层和势垒层的形成方式均不限制。
本申请实施例提供的一种III族氮化物晶体管外延结构，通过在衬底上设置凹槽结构和生长窗口，成核层位于衬底的生长窗口，使得凹槽结构和生长窗口交接区域的成核层的生长方向由生长窗口指向相邻的凹槽结构，生长窗口其他区域的成核层生长方向垂直衬底所在的平面；半极性Ⅲ族氮化物沿生长窗口指向相邻的凹槽结构的方向外延生长形成缓冲层的合并区，半极性Ⅲ族氮化物沿与衬底所在的平面垂直的方向外延生长形成缓冲层的窗口区；缓冲层上设置半极性Ⅲ族氮化物的沟道层和势垒层，窗口区和合并区延伸至沟道层和势垒层。由于半极性Ⅲ族氮化物沿其生长方向的极化电场较弱，二维电子气容易耗尽，易于制备增强型HEMT器件；在合并区形成的半极性Ⅲ族氮化物具有低位错密度，可显著提高晶体管结构的晶体质量和表面形貌，在沿电子迁移率较高的方向上获得低位错密度；此外，窗口区形成的半极性Ⅲ族氮化物具有较高的堆垛层错，能够有效抑制电子在缓冲层的横向泄露现象，因此，该III族氮化物晶体管外延结构有助于实现制备高电子迁移率、低横向漏电的增强型HEMT器件。
可选的，继续参见图1，衬底110为缓冲层130的异质衬底，例如：m面蓝宝石、m面SiC或(11h)面单晶Si。
可选的，继续参见图1，衬底110为缓冲层130的同质衬底，例如：半极性氮化镓、半极性氮化铝等半极性III族氮化物。
可选的，继续参见图1，成核层120包括多个分散于衬底110表面的成核岛121；位于最邻近生长窗口112和凹槽结构111交界线的成核岛121的生长方向与衬底110所在平面的夹角大于0°，且小于90°。
由于最邻近生长窗口112和凹槽结构111交界线的成核岛121在逐渐远离衬底110所在平面纵向生长的同时朝向平行于衬底110所在平面横向生长，使得其生长方向既不平行于衬底110所在平面也不垂直于衬底110所在平面。
可选的，继续参见图1，成核岛121的材料为GaN或AlN。
可选的，单个成核岛121的尺寸为0.01-0.5μm。
图2为本发明实施例提供的一种III族氮化物晶体管外延结构的凹槽结构的俯视示意图。示例性的，如图2所示，凹槽结构111为条形；多个凹槽结构111沿第一方向延伸，沿第二方向排列；第一方向与第二方向与衬底所在平面平行；上述实施例中的半极性Ⅲ族氮化物为六方纤锌矿结构，第一方向为合并区的半极性Ⅲ族氮化物投影到六方纤锌矿结构(0001)面时的a方向，第二方向与第一方向交叉。
图3为本发明实施例提供的另一种III族氮化物晶体管外延结构的凹槽结构的俯视示意图。如图3所示，凹槽结构111沿第一方向还可以是连续延伸至衬底边界，即沿第一方向，只有一个凹槽结构111，且其沿第一方向的长度与衬底沿第一方向的长度相等。
本申请对凹槽机构111沿第一方向的数量不做限制。凹槽结构沿第二方向周期性排列，第一方向和第二方向组成的平面与衬底所在平面平行，且第一方向与第二方向不平行。
可选的，继续参见图2或图3，凹槽结构111被垂直于第一方向的面所截得到的截面为三角形、四边形或半圆形。
本申请对凹槽结构被垂直于第一方向的面所截得到的截面图像的形状不做限制。
可选的，参见图1，凹槽结构111的深度为0.5-1μm。
可选的，参见图2和图3，凹槽结构111的宽度为1-10μm。
可选的，继续参见图2和图3，凹槽结构111投影到衬底所在平面的投影面积占所述衬底所在平面的面积的20％-80％。
可选的，参见图1，缓冲层130、沟道层140和势垒层150均为半极性GaN、AlN、InN中至少一种组成的薄膜、组分渐变层或超晶格结构。
可选的，继续参见图1，缓冲层130的厚度为0.8-5μm，沟道层140的厚度为200-800nm，势垒层150的厚度为5-50nm。
基于同一发明构思，本实施例提供一种III族氮化物晶体管器件，包括前面所述的任意一种III族氮化物晶体管外延结构。
可选的，图4为本发明实施例提供的一种III族氮化物晶体管器件的结构示意图。参见图4，III族氮化物晶体管器件400包括：晶体管外延结构100和电极410；电极410设置于势垒层150远离沟道层110一侧，且位于合并区131内。
具体的，在晶体管外延结构100生长完成后，可采用电子束蒸镀、磁控溅射、物理气相沉积、化学气相沉积、干刻蚀等工艺手段在势垒层150背离衬底110一侧的合并区132设置电极410和钝化层，在窗口区131进行器件隔离，可获得HEMT器件阵列，同时在该区域进行器件隔离能够提升晶圆片的利用率。
本申请实施例提供的一种III族氮化物晶体管器件，半极性Ⅲ族氮化物易于制备增强型HEMT器件；在合并区形成的半极性Ⅲ族氮化物具有低位错密度，可显著提高晶体管结构的晶体质量和表面形貌，在沿电子迁移率较高的方向上获得低位错密度；窗口区形成的半极性Ⅲ族氮化物具有较高的堆垛层错，能够有效抑制电子在缓冲层的横向泄露现象，减小隔离区宽度。因此，该III族氮化物晶体管器件是一种高电子迁移率、低横向漏电的增强型HEMT器件；此外还能够提升晶圆片的利用率。
基于同一发明构思，本实施例提供一种III族氮化物晶体管器件的制造方法，图5是本发明实施例提供的一种III族氮化物晶体管器件的制造方法，如图5所示，III族氮化物晶体管器件的制造方法包括：
510，提供一2英寸m面蓝宝石衬底和具有周期性矩形阵列(矩形长3英寸，宽10μm，间隔6μm)的掩膜版，在衬底上涂覆一层厚度为1μm的正性光刻胶，利用掩膜版对所述光刻胶进行曝光、显影和坚膜，在光刻胶上形成长方体栅条阵列的图形；而后采用RIE或ICP等刻蚀工艺将图形转移至衬底上，得到图形化m面蓝宝石衬底；
520，将图形化m面蓝宝石衬底101放入金属有机化合物气相外延(MOCVD)设备的反应室内的托盘上，在1100℃、H2氛围下进行吹扫和烘烤，去除表面杂质，而后切换成NH3氛围进行氮化处理；
530，反应室降温至600℃，通入NH3及三甲基铝，在衬底表面生成岛状AlN成核层，其厚度约为40nm；
540，反应室升温至1200℃，岛状AlN成核层从生长窗口沿m面蓝宝石衬底的a方向进行侧向外延生长，得到半极性面Al0.45Ga0.55N缓冲层，其厚度约为2μm；
550，在半极性面Al0.45Ga0.55N缓冲层103上继续生长半极性面GaN沟道层和半极性面Al0.2Ga0.8N势垒层，厚度分别为300nm和15nm，构成了半极性GaN/AlGaN异质结，其二维电子气面密度为1012cm-2量级；
560，采用电子束蒸镀、磁控溅射、物理气相沉积、化学气相沉积、干法刻蚀等工艺手段在半极性面Al0.2Ga0.8N势垒层背离衬底一侧的合并区进行电极和钝化层制备，在窗口区进行器件隔离。
本发明实施例提供的III族氮化物晶体管器件的制造方法适用于前面所述的任意一种III族氮化物晶体管器件，其具有其所适用的III族氮化物晶体管器件相同或相应的有益效果，此处不再赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种III族氮化物晶体管外延结构，其特征在于，所述III族氮化物晶体管外延结构包括衬底以及依次叠层在所述衬底上的成核层，缓冲层，沟道层和势垒层；
所述衬底包括多个凹槽结构和位于所述凹槽结构之间的生长窗口；
所述成核层位于所述衬底的所述生长窗口；
所述缓冲层包括形成在合并区的沿所述生长窗口指向与其相邻的所述凹槽结构的方向外延生长的半极性Ⅲ族氮化物和形成在窗口区的沿与所述衬底所在平面垂直的方向外延生长的所述半极性Ⅲ族氮化物；
所述沟道层和所述势垒层均为半极性Ⅲ族氮化物，所述合并区和所述窗口区均延伸到所述沟道层和所述势垒层。
2.根据权利要求1所述的III族氮化物晶体管外延结构，其特征在于，所述成核层包括多个分散于所述衬底表面的成核岛；
位于最邻近所述生长窗口和所述凹槽结构交界线的所述成核岛的生长方向与所述衬底基板所在平面的夹角大于0°，且小于90°。
3.根据权利要求2所述的III族氮化物晶体管外延结构，其特征在于，所述成核岛的材料为GaN或AlN。
4.根据权利要求1所述的III族氮化物晶体管外延结构，其特征在于，所述凹槽结构为条形；多个所述凹槽结构沿第一方向延伸，沿第二方向排列；所述第一方向与所述第二方向均与所述衬底所在平面平行；所述半极性Ⅲ族氮化物为六方纤锌矿结构，所述第一方向为所述合并区的所述半极性Ⅲ族氮化物投影到六方纤锌矿结构(0001)面时的a方向，所述第二方向与所述第一方向交叉。
5.根据权利要求4所述的III族氮化物晶体管外延结构，其特征在于，所述凹槽结构被垂直于所述第一方向的面所截得到的截面为三角形、四边形或半圆形。
6.根据权利要求4所述的III族氮化物晶体管外延结构，其特征在于，所述凹槽结构的深度为0.5-1μm。
7.根据权利要求4所述的III族氮化物晶体管外延结构，其特征在于，所述凹槽结构的宽度为1-10μm。
8.根据权利要求4所述的III族氮化物晶体管外延结构，其特征在于，所述凹槽结构投影到所述衬底所在平面的投影面积占所述衬底所在平面总面积的20％-80％。
9.一种III族氮化物晶体管器件，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的III族氮化物晶体管外延结构。
10.根据权利要求9所述的III族氮化物晶体管器件，其特征在于，还包括电极；
所述电极设置于所述势垒层远离所述沟道层一侧，且位于所述合并区内。
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