CN110534557B - 常关型场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种常关型场效应晶体管及其制备方法，该晶体管包括：氮化镓衬底(1)；氧化镓外延层(2)，其形成在氮化镓衬底(1)上，两者交界面形成氮化镓/氧化镓异质结界面；氮化铝外延层(3)，其形成在氧化镓外延层(2)上，两者交界面形成氮化铝/氧化镓异质结界面；帽层(4)，其形成在氮化铝外延层(3)上。该晶体管充分利用三族氮化物和氧化镓的材料特性，在氮化铝/氧化镓界面处产生高密度的极化电荷，提高二维电子气浓度，增加电导率，场效应晶体管电学性能提高，在实现常关操作方面，采用p型氮化镓作为栅极帽层，使阈值电压不受界面态影响，增强场效应晶体管的可靠性，且沟道下方的电阻率提高，减小了漏极漏电流和亚阈值摆幅。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种常关型场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
现有半导体常关型场效应晶体管主要通过铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)基半导体材料实现。由于AlGaN和GaN均具有极化效应，AlGaN/GaN界面会产生极化正电荷吸引电子，形成二维电子气(2DEG)，通过界面处的2DEG沟道进行电子的输运。
该种晶体管的缺陷有：其一，AlGaN和GaN材料在界面处产生的极性相反的极化电荷会减小净极化电荷密度，导致2DEG浓度降低，电导率减小，限制了器件性能。其二，AlGaN/GaN基常关型场效应晶体管采用绝缘栅场效应晶体管结构、共源共栅结构和氟离子注入等方法实现常关操作，但基于以上方法实现的常关器件会因为工艺过程中产生的界面态或长时间使用导致阈值电压(Vth)降低，影响器件正常工作。其三，器件在关态条件下，当漏源电压较大时，容易出现漏极漏电流现象，使本该处于关断的器件中存在较大电流，影响器件正常工作。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于现有的技术问题，本发明提出一种常关型场效应晶体管及其制备方法，用于至少部分解决上述技术问题之一。
(二)技术方案
本发明一方面提供一种常关型场效应晶体管，包括：氮化镓衬底1；
氧化镓外延层2，其形成在上述氮化镓衬底1上，两者交界面形成氮化镓/氧化镓异质结界面；氮化铝外延层3，其形成在上述氧化镓外延层2上，两者交界面形成氮化铝/氧化镓异质结界面；帽层4，其形成在上述氮化铝外延层3上。
可选地，上述氮化镓衬底1的厚度为0.1～1μm。
可选地，上述氧化镓外延层2的厚度为0.1～0.5μm。
可选地，上述氮化铝外延层3的厚度为4～12nm。
可选地，上述帽层4为p型氮化镓层。
可选地，上述帽层4的厚度为20～80nm。
可选地，上述氮化镓衬底1的晶格常数为
上述氧化镓外延层2的晶格常数为
氮化铝外延层3的晶格常数为
可选地，上述常关型场效应晶体管还包括：n型掺杂的氧化镓8，其形成在上述氮化铝外延层3的两侧。
可选地，上述常关型场效应晶体管还包括：源极5及漏极6，形成上述n型掺杂的氧化镓8上；栅极7，形成在上述帽层4上。
本发明另一方面提供一种S1，在氮化镓衬底1上生长氧化镓外延层2，形成氮化镓/氧化镓异质结界面；S2，在上述氧化镓外延层2生长氮化铝外延层3，形成氮化铝/氧化镓异质结界面；S3，在上述氮化铝外延层3两侧生长n型掺杂的氧化镓8；S4，在上述氮化铝外延层3制备帽层4；S5，在上述n型掺杂的氧化镓8上制备源极5及漏极6，在上述帽层4上制备栅极7。
(三)有益效果
本发明提出的一种常关型场效应晶体管及其制备方法，有益效果为：
1.充分利用三族氮化物和Ga2O3的材料特性(AlN和GaN具有极化效应，Ga2O3没有极化效应)，在AlN/Ga2O3界面处产生高密度的极化电荷，提高2DEG浓度，增加电导率，场效应晶体管电学性能提高。
2.在实现常关操作方面，该场效应晶体管采用p型GaN作为帽层，使阈值电压Vth不受界面态影响，增强场效应晶体管的可靠性。
3.该场效应晶体管采用GaN背部势垒层，利用Ga2O3和GaN的极化特性差异，在Ga2O3/GaN界面产生正的极化电荷，吸引Ga2O3沟道下方的体区电子，降低沟道下方的电子浓度，提高沟道下方的电阻率，最终实现减小漏极漏电流和亚阈值摆幅。
附图说明
图1示意性示出了本发明实施例提供的常关型场效应晶体管的结构图；
图2示意性示出了本发明实施例提供的常关型场效应晶体管制备方法流程图；
图3示意性示出了本发明实施例提供的常关型场效应晶体管两异质结界面的极化电荷分布图；
图4示意性示出了本发明实施例仿真计算的常关型场效应晶体管两异质结界面的电子浓度曲线图；
图5示意性示出了本发明实施例仿真计算的常关型场效应晶体管的输出特性曲线图。
【附图标记】
1-氮化镓衬底
2-氧化镓外延层
3-氮化铝外延层
4-帽层
5-源极
6-漏极
7-栅极
8-n型掺杂的氧化镓
9-二氧化硅层
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1示意性示出了本发明实施例提供的常关型场效应晶体管的结构图。如图1所示，该场效应晶体管包括：
氮化镓衬底1。在本发明实施例中，氮化镓衬底1的厚度为0.1～1μm，优选为100nm，具体本发明不做限制。
氧化镓外延层2，其形成在氮化镓衬底1上，氮化镓衬底1上与氧化镓外延层2两者交界面形成氮化镓/氧化镓异质结界面。在本发明实施例中，氧化镓外延层2的厚度为0.1～0.5μm，优选为100nm，具体本发明不做限制。
氮化铝外延层3，其形成在氧化镓外延层2上，氧化镓外延层2与氮化铝外延层3两者交界面形成氮化铝/氧化镓异质结界面。在本发明实施例中，氮化铝外延层3的厚度为4～12nm，优选为4nm，具体本发明不做限制。氮化铝外延层3两侧生长有n型掺杂的氧化镓8。
其中，基于上述结构，可在氮化镓/氧化镓异质结界面与氮化铝/氧化镓异质结界面形成高密度二维电子气，分别实现耗尽Ga2O3体区电子富集和形成导电沟道的作用。
帽层4，其形成在氮化铝外延层3上。在本发明实施例中，帽层4的厚度为20～80nm，优选为70nm，其材料为p型氮化镓，具体本发明不做限制。采用p型GaN作为帽层可实现器件常关特性。
源极5及漏极6，形成n型掺杂的氧化镓8上。栅极7，形成在帽层4上。源极5及漏极6下方的n型掺杂的氧化镓8，用以减小沟道与电极之间的串联电阻，增大器件电流。源极5、漏极6及栅极7采用金属材料铝或金，具体本发明不做限制。在源极5、漏极6及栅极7之间形成有二氧化硅绝缘层9，防止电极间漏电和击穿。
在本发明实施例中，氮化镓衬底1的晶格常数为
氧化镓外延层2的晶格常数为
氮化铝外延层3的晶格常数为
图2示意性示出了本发明实施例提供的常关型场效应晶体管制备方法流程图。如图2所示，该方法包括：
S1，在氮化镓衬底1上生长氧化镓外延层2，形成氮化镓/氧化镓异质结界面。
在本发明实施例中，选取的氮化镓衬底1的厚度为0.1～1μm，优选为100nm，在该氮化镓衬底1上外延生长氧化镓外延层2，其厚度为0.1～0.5μm，优选为100nm。
S2，在氧化镓外延层2生长氮化铝外延层3，形成氮化铝/氧化镓异质结界面。
在本发明实施例中，在氧化镓外延层2上生长铝极性的氮化铝外延层3，其厚度为4～12nm，优选为4nm。
S3，在氮化铝外延层3两侧生长n型掺杂的氧化镓8。
在本发明实施例中，氧化镓8的掺杂方式为重掺杂。
S4，在氮化铝外延层3制备帽层4。
在本发明实施例中，采用p型氮化镓制备帽层4，其厚度为20～80nm，优选为70nm。
S5，在n型掺杂的氧化镓8上制备源极5及漏极6，在帽层4上制备栅极7。
在本发明实施例中，采用金属材料铝或金制备源极5、漏极6及栅极7。
通过本实施例的制备方法制备的常关型场效应晶体管，采用两个III族氮化物/Ga2O3异质结界面，即Ga2O3/GaN异质结界面和AlN/Ga2O3异质结界面。III族氮化物材料具有自发极化和压电极化，Ga2O3无极化特性，利用该差异可提高异质结界面的极化电荷密度。在本发明实施例中三种材料的晶格常数分别设定为3.11、3.00和
利用SilvacoAtlas仿真软件计算得到异质结界面处的剩余极化电荷。
图3示意性示出了本发明实施例提供的常关型场效应晶体管两异质结界面的极化电荷分布图。如图3所示，AlN/Ga2O3异质结为自发极化主导，界面处存在剩余极化正电荷，并形成沿生长方向的极化电场。该电场可吸引Ga2O3体相内的电子，使其在界面处大量聚集，形成高密度的二维电子气，作为导电沟道保证器件高性能工作。Ga2O3/GaN异质结为压电极化主导，界面处存在剩余极化正电荷，并形成与生长方向相反的极化电场。该电场可起到耗尽Ga2O3体区内电子的作用，抑制该漏电通路，进而有效地抑制漏电流和亚阈值摆幅。
图4示意性示出了本发明实施例仿真计算的常关型场效应晶体管两异质结界面的电子浓度曲线图。从图4可以看出，在AlN/Ga2O3界面处形成8.09×1019cm-3的二维电子气，保证了导电沟道的低电导率；在Ga2O3/GaN界面处形成了7.11×1018cm-3的二维电子气，Ga2O3体区内的电子浓度被有效地抑制到1.36×1016cm-3，该漏电通路电导率较低，漏电流和亚阈值摆幅得到良好地抑制。
图5示意性示出了本发明实施例仿真计算的常关型场效应晶体管的输出特性曲线图。从图5可以看出，p型GaN帽层与AlN/Ga2O3形成空间电荷区，起到对沟道处二维电子气的耗尽作用，使器件在正的开启电压之前，GaN帽层下方沟道处二维电子气完全耗尽、沟道断开，实现器件常关工作状态。器件开启电压可达2.6V，开启后器件工作电流超过1A/mm，跨导最大值为404.3mS/mm；本征GaN背部势垒层有效地抑制了Ga2O3体区的漏电流，输出特性曲线最终达到饱和。
综上所述，通过本实施例制备方法制备的常关型场效应晶体管，充分利用三族氮化物和Ga2O3的材料特性(AlN和GaN具有极化效应，Ga2O3没有极化效应)，在AlN/Ga2O3界面处产生高密度的极化电荷，提高2DEG浓度，增加电导率，场效应晶体管电学性能提高。在实现常关操作方面，该场效应晶体管采用p型GaN作为帽层，使Vth不受界面态影响，增强场效应晶体管的可靠性。该场效应晶体管采用GaN背部势垒层，利用Ga2O3和GaN的极化特性差异，在Ga2O3/GaN界面产生正的极化电荷，吸引Ga2O3沟道下方的体区电子，降低沟道下方的电子浓度，提高沟道下方的电阻率，最终实现减小漏极漏电流和亚阈值摆幅。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种常关型场效应晶体管，包括：
氮化镓衬底(1)；
氧化镓外延层(2)，其形成在所述氮化镓衬底(1)上，两者交界面形成氮化镓/氧化镓异质结界面；
氮化铝外延层(3)，其形成在所述氧化镓外延层(2)上，两者交界面形成氮化铝/氧化镓异质结界面；
帽层(4)，其形成在所述氮化铝外延层(3)上，其中，所述帽层(4)为p型氮化镓层；
n型掺杂的氧化镓(8)，其形成在所述氮化铝外延层(3)的两侧；
源极(5)及漏极(6)，形成所述n型掺杂的氧化镓(8)上，所述帽层(4)位于所述源极(5)与漏极(6)之间；
栅极(7)，形成在所述帽层(4)上。
2.根据权利要求1所述的常关型场效应晶体管，其中，所述氮化镓衬底(1)的厚度为0.1～1μm。
3.根据权利要求1所述的常关型场效应晶体管，其中，所述氧化镓外延层(2)的厚度为0.1～0.5μm。
4.根据权利要求1所述的常关型场效应晶体管，其中，所述氮化铝外延层(3)的厚度为4～12nm。
5.根据权利要求1所述的常关型场效应晶体管，其中，所述帽层(4)的厚度为20～80nm。
6.根据权利要求1所述的常关型场效应晶体管，其中，所述氮化镓衬底(1)的晶格常数为
所述氧化镓外延层(2)的晶格常数为
氮化铝外延层(3)的晶格常数为
7.一种常关型场效应晶体管的制备方法，包括：
S1，在氮化镓衬底(1)上生长氧化镓外延层(2)，形成氮化镓/氧化镓异质结界面；
S2，在所述氧化镓外延层(2)生长氮化铝外延层(3)，形成氮化铝/氧化镓异质结界面；
S3，在所述氮化铝外延层(3)两侧生长n型掺杂的氧化镓(8)；
S4，在所述氮化铝外延层(3)制备帽层(4)；
S5，在所述n型掺杂的氧化镓(8)上制备源极(5)及漏极(6)，在所述帽层(4)上制备栅极(7)；
其中，所述帽层(4)位于所述源极(5)与漏极(6)之间，所述帽层(4)为p型氮化镓层。
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