CN110634747A - 利用MBE再生长p-GaN的单栅结构GaN-JFET器件的方法 - Google Patents
利用MBE再生长p-GaN的单栅结构GaN-JFET器件的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种利用MBE再生长p‑GaN的单栅结构GaN‑JFET器件的方法，在GaN外延片上刻蚀重掺n+‑GaN层，只保留源漏区的n+‑GaN，然后在刻蚀掉n+‑GaN的中间栅区利用MBE法再生长p‑GaN，与n‑GaN沟道层形成p‑n结，得到单边p‑n结JFET结构。本发明通过二次再生长的方法实现了具有横向沟道和单栅结构的GaN基结型场效应管，这种器件结构和工艺相对简单，具有平面结构，易于集成的特点。利用二次再生长p‑GaN的方法相比传统的离子注入法，能最大程度降低离子注入导致的材料损伤。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用MBE再生长p-GaN的单栅结构GaN-JFET器件的方法。
背景技术
相比硅基晶体管，GaN基晶体管不仅具有低的导通电阻、更小的导通损耗，而且因其具有更宽的带隙，能够在高温条件下工作，可以减少硅基电力电子设备可能需要的散热装置，从而可以进一步缩小电力电子设备的体积和重量。同时，结型场效应管(JFET)器件又具有输入阻抗高、噪声小、功耗小、抗辐照能力强等特点。因此，基于GaN材料的JFET具备更强的环境温度可靠性和抗干扰能力以及低的工作损耗，有望在需要特殊环境下使用的可变电阻和大功率放大器领域得到重要应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用MBE再生长p-GaN的单栅结构GaN-JFET器件的方法，通过二次再生长的方法实现了具有横向沟道和单栅结构的GaN基结型场效应管。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种利用MBE再生长p-GaN的单栅结构GaN-JFET器件的方法，其步骤包括：
(1)MOCVD法在衬底上生长半绝缘的GaN层，再生长n-GaN沟道层，接着生长重掺n+-GaN层；
(2)在外延片表面旋涂一层光刻胶，将图形转移到光刻胶上，然后以光刻胶作为掩膜，使用ICP刻蚀的方法在步骤(1)生长的器件结构上刻蚀重掺n+-GaN层，只保留源漏区的重掺n+-GaN，将中间栅区的重掺n+-GaN刻蚀掉；刻蚀深度至重掺n+-GaN层与n-GaN沟道层交界处，被刻蚀掉的区域呈现出贯穿重掺n+-GaN层的条状；
(3)MBE法在台面两侧通过掩模选区外延生长p-GaN，使得p-GaN填充在重掺n+-GaN层被刻蚀掉的区域，与n-GaN沟道层形成p-n结；
(4)使用电子束蒸镀的方法，在重掺n+-GaN层未被刻蚀的区域分别制作源电极和漏电极，在p-GaN上制作栅电极。
优选的，所述半绝缘GaN层厚度为3-5μm。
优选的，所述n-GaN沟道层厚度为50nm。
优选的，所述重掺n+-GaN层的厚度为80nm，掺杂浓度为5*1018-1*1019cm-3。
优选的，所述衬底为硅衬底、蓝宝石衬底或SiC衬底。
优选的，步骤(2)中所述被刻蚀掉的n+-GaN的长度为0.8-2μm，宽度为50-80μm。
优选的，步骤(3)中具体生长条件为：生长温度为700-800℃，在富Ga生长的条件下进行Mg掺杂，掺杂浓度5*1019cm-3-1*1020cm-3，其高度与n-GaN沟道层齐平或略高于重掺n+-GaN层，高度差在10nm以下。
优选的，步骤(4)中所述源电极和漏电极为Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为30/150/50/100nm，栅电极为Ni/Au多层金属，厚度为50/100nm。
本发明通过二次再生长的方法实现了具有横向沟道和单栅结构的GaN基结型场效应管，这种器件结构和工艺相对简单，具有平面结构，易于集成的特点。利用二次再生长p-GaN的方法相比传统的离子注入法，能最大程度降低离子注入导致的材料损伤。
附图说明
图1是实施例1步骤(1)中得到的GaN外延片结构示意图。
图2是实施例1步骤(2)中得到的GaN外延片结构示意图。
图3是实施例1步骤(3)中得到的GaN-JFET器件结构示意图。
图4是实施例1步骤(4)中得到的GaN-JFET器件结构示意图。
具体实施方式
以下是结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本利用MBE再生长p-GaN的单栅结构GaN-JFET器件的方法，其步骤包括：
(1)如图1所示，MOCVD法在硅衬底1上生长3μm的半绝缘的GaN层2，具体生长方法：三甲基镓和NH3分别作为Ga源和N源，载气为H2，生长温度为1000℃，生长时间3h；再生长50nm厚度左右的n-GaN沟道层3，其生长方法：温度1000℃，硅掺杂浓度为5*1017cm-3，生长时间4min；接着生长80nm厚度左右的重掺n+-GaN层4，生长方法与n-GaN沟道层类似，掺杂浓度为1*1019；
(2)如图2所示，在外延片表面旋涂一层光刻胶，将图形转移到光刻胶上，然后以光刻胶作为掩膜，使用ICP刻蚀的方法在步骤(1)生长的器件结构上刻蚀重掺n+-GaN层，只保留源漏区的重掺n+-GaN，将中间栅区的重掺n+-GaN刻蚀掉；被刻蚀掉的n+-GaN的长度为0.8μm，宽度为50μm，刻蚀深度至重掺n+-GaN层与n-GaN沟道层交界处，被刻蚀掉的区域是贯穿重掺n+-GaN层的条状。
(3)如图3所示，MBE法在台面两侧通过掩模选区外延生长p-GaN5，使得p-GaN填充在重掺n+-GaN层被刻蚀掉的区域，与n-GaN沟道层形成p-n结，具体生长条件为：生长温度为700℃，在富Ga生长的条件下进行Mg掺杂，掺杂浓度5*1019cm-3，其高度略高于重掺n+-GaN层5nm。
(4)如图4所示，使用电子束蒸镀的方法，在重掺n+-GaN层未被刻蚀的区域分别制作源电极6和漏电极7，在p-GaN上制作栅电极8；所述源电极和漏电极为Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为30/150/50/100nm，需要蒸镀后在850℃的N2氛围中退火30s；栅电极为Ni/Au多层金属，厚度为50/100nm。
实施例2
本利用MBE再生长p-GaN的单栅结构GaN-JFET器件的方法，其步骤包括：
(1)MOCVD法在SiC衬底上生长4μm的半绝缘的GaN层，具体生长方法：三甲基镓和NH3分别作为Ga源和N源，载气为N2，生长温度为1050℃，生长时间4h；再生长50nm厚度左右的n-GaN沟道层，其生长方法：温度1050℃，硅掺杂浓度为1*1018cm-3，生长时间2min；接着生长80nm厚度左右的重掺n+-GaN层，生长方法与n-GaN沟道层类似，掺杂浓度为8*1018cm-3；
(2)在外延片表面旋涂一层光刻胶，将图形转移到光刻胶上，然后以光刻胶作为掩膜，使用ICP刻蚀的方法在步骤(1)生长的器件结构上刻蚀重掺n+-GaN层，只保留源漏区的重掺n+-GaN，将中间栅区的重掺n+-GaN刻蚀掉；被刻蚀掉的n+-GaN的长度为2μm，宽度为80μm，刻蚀深度至重掺n+-GaN层与n-GaN沟道层交界处，被刻蚀掉的区域是贯穿重掺n+-GaN层的条状。
(3)MBE法在台面两侧通过掩模选区外延p-GaN，使得p-GaN填充在重掺n+-GaN层被刻蚀掉的区域，与n-GaN沟道层形成p-n结，具体生长条件为：生长温度为800℃，在富Ga生长的条件下进行Mg掺杂，掺杂浓度8*1019cm-3，其高度略高于重掺n+-GaN层10nm。
(4)使用电子束蒸镀的方法，在重掺n+-GaN层未被刻蚀的区域分别制作源电极和漏电极，在p-GaN上制作栅电极；所述源电极和漏电极为Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为30/150/50/100nm，需要蒸镀后在850℃的N2氛围中退火30s；栅电极为Ni/Au多层金属，厚度为50/100nm。
实施例3
本利用MBE再生长p-GaN的单栅结构GaN-JFET器件的方法，其步骤包括：
(1)MOCVD法在蓝宝石衬底上生长5μm的半绝缘的GaN层，具体生长方法：三甲基镓和NH3分别作为Ga源和N源，载气为H2，生长温度为1100℃，生长时间5h；再生长50nm厚度左右的n-GaN沟道层，其生长方法：温度950℃，硅掺杂浓度为8*1017cm-3，生长时间3min；接着生长80nm厚度左右的重掺n+-GaN层，生长方法与n-GaN沟道层类似，掺杂浓度为5*1018cm-3；
(2)在外延片表面旋涂一层光刻胶，将图形转移到光刻胶上，然后以光刻胶作为掩膜，使用ICP刻蚀的方法在步骤(1)生长的器件结构上刻蚀重掺n+-GaN层，只保留源漏区的重掺n+-GaN，将中间栅区的重掺n+-GaN刻蚀掉；被刻蚀掉的n+-GaN的长度为1.5μm，宽度为60μm，刻蚀深度至重掺n+-GaN层与n-GaN沟道层交界处，被刻蚀掉的区域是贯穿重掺n+-GaN层的条状。
(3)MBE法在台面两侧通过掩模选区外延p-GaN，使得p-GaN填充在重掺n+-GaN层被刻蚀掉的区域，与n-GaN沟道层形成p-n结，具体生长条件为：生长温度为750℃，在富Ga生长的条件下进行Mg掺杂，掺杂浓度1*1020cm-3，其高度与重掺n+-GaN层齐平。
(4)使用电子束蒸镀的方法，在重掺n+-GaN层未被刻蚀的区域分别制作源电极和漏电极，在p-GaN上制作栅电极；所述源电极和漏电极为Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为30/150/50/100nm，需要蒸镀后在850℃的N2氛围中退火30s；栅电极为Ni/Au多层金属，厚度为50/100nm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种利用MBE再生长p-GaN的单栅结构GaN-JFET器件的方法，其步骤包括：
(1)MOCVD法在衬底上生长半绝缘的GaN层，再生长n-GaN沟道层，接着生长重掺n+-GaN层；
(2)在外延片表面旋涂一层光刻胶，将图形转移到光刻胶上，然后以光刻胶作为掩膜，使用ICP刻蚀的方法在步骤(1)生长的器件结构上刻蚀重掺n+-GaN层，只保留源漏区的重掺n+-GaN，将中间栅区的重掺n+-GaN刻蚀掉；刻蚀深度至重掺n+-GaN层与n-GaN沟道层交界处，被刻蚀掉的区域呈现出贯穿重掺n+-GaN层的条状；
(3)MBE法在台面两侧通过掩模选区外延生长p-GaN，使得p-GaN填充在重掺n+-GaN层被刻蚀掉的区域，与n-GaN沟道层形成p-n结；
(4)使用电子束蒸镀的方法，在重掺n+-GaN层未被刻蚀的区域分别制作源电极和漏电极，在p-GaN上制作栅电极。
2.根据权利要求1所述的利用MBE再生长p-GaN的单栅结构GaN-JFET器件的方法，其特征在于：所述半绝缘GaN层厚度为3-5μm。
3.根据权利要求2所述的利用MBE再生长p-GaN的单栅结构GaN-JFET器件的方法，其特征在于：所述n-GaN沟道层厚度为50nm。
4.根据权利要求3所述的利用MBE再生长p-GaN的单栅结构GaN-JFET器件的方法，其特征在于：所述重掺n+-GaN层的厚度为80nm，掺杂浓度为5*1018-1*1019cm-3。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的利用MBE再生长p-GaN的单栅结构GaN-JFET器件的方法，其特征在于：所述衬底为硅衬底、蓝宝石衬底或SiC衬底。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的利用MBE再生长p-GaN的单栅结构GaN-JFET器件的方法，其特征在于：步骤(2)中所述被刻蚀掉的n+-GaN的长度为0.8-2μm，宽度为50-80μm。
7.根据权利要求6所述的利用MBE再生长p-GaN的单栅结构GaN-JFET器件的方法，其特征在于：步骤(3)中具体生长条件为：生长温度为700-800℃，在富Ga生长的条件下进行Mg掺杂，掺杂浓度1*1019cm-3，其高度与n-GaN沟道层齐平或略高于重掺n+-GaN层，高度差在10nm以下。
8.根据权利要求7所述的利用MBE再生长p-GaN的单栅结构GaN-JFET器件的方法，其特征在于：步骤(4)中所述源电极和漏电极为Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为30/150/50/100nm，栅电极为Ni/Au多层金属，厚度为50/100nm。
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