CN111243954A - GaN基常关型高电子迁移率晶体管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种GaN基常关型高电子迁移率晶体管及其制备方法，方法包括：S1，在衬底(10)上依次制备成核层(11)、缓冲层(12)和第一高阻GaN层(13)；S2，在第一高阻GaN层(13)上制备图形化介质层(20)；S3，基于图形化介质层(20)，横向外延生长脊形GaN层(30)，然后去除图形化介质层(20)，形成脊形GaN模板，其中，脊形GaN层(30)的侧壁为
晶面或
晶面；S4，基于脊形GaN模板，依次外延生长脊形沟道层(31)及脊形势垒层(32)，其中，脊形沟道层(31)和脊形势垒层(32)的侧壁的厚度均小于平台的厚度。该方法制备的晶体管，在沟道区域不存在刻蚀损耗及注入损伤，能有效避免刻蚀损伤对器件性能的影响，具有高的阈值电压，高的饱和电流和低的开态电阻。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种GaN基常关型高电子迁移率晶体管及制备方法。
背景技术
氮化镓(GaN)材料具有宽的禁带宽度和高的击穿场强等材料性能优势，而且其独特的强极化效应可以形成高密度二维电子气(2DEG)，这些特性使得GaN非常适合于制备功率开关器件。GaN基功率开关器件兼具大功率、高击穿电压、高频、耐高温、抗辐射等诸多优点，在电力电子、无线基站、雷达、通讯等领域具有很好的应用前景。
通常基于AlGaN/GaN结构的高电子迁移率晶体管由于界面极化电荷诱导的2DEG的存在而处于常开状态，即所谓常开型器件。。
为了失效安全和降低电路复杂性起见，功率开关通常应该置于常关状态，因此，许多研究人员致力于研制常关型(亦称作增强型)器件。目前报道的GaN基增强型器件主要有氟离子注入、凹槽栅、薄势垒、pn结栅等方案。各种方法各有优缺点，例如，氟离子处理难免注入损伤，凹槽栅难以避免刻蚀损伤，薄势垒阈值电压较低且源漏区域的2DEG不足影响器件饱和电流和开态电阻，pn结栅受限于p-GaN的空穴浓度不足而阈值电压不够高。也有研究组曾报道过槽形或斜面沟道器件，其槽形或斜面沟道是通过刻蚀后再外延所形成，但刻蚀工艺难免一定的损伤，对器件性能有较大的影响。
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GaN基常关型高电子迁移率晶体管及制备方法，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GaN基常关型高电子迁移率晶体管的制备方法，包括：S1，在衬底10上依次制备成核层11、缓冲层12和第一高阻GaN层13；S2，在第一高阻GaN层13上制备图形化介质层20；S3，基于图形化介质层20，横向外延生长脊形GaN层30，然后去除图形化介质层20，形成脊形GaN模板，其中，脊形GaN层30的侧壁为
晶面或
晶面；S4，基于脊形GaN模板，依次外延生长脊形沟道层31及脊形势垒层32；S5，在脊形势垒层32上制备脊形介质层40，在脊形势垒层32平台上制备源电极50及漏电极51，在脊形介质层40的侧壁制备栅电极60；其中，脊形沟道层31和脊形势垒层32侧壁的厚度均小于各自对应的脊形平台的厚度。
可选地，在衬底10上依次制备成核层11、缓冲层12和第一高阻GaN层13，包括：制备C掺杂的或Fe掺杂的第一高阻GaN层13，或者制备包含Al(Ga)N插入层的第一高阻GaN层13，或者制备包含p-(Al)GaN插入层的所述第一高阻GaN层13。
可选地，制备方法还包括：在脊形沟道层31与脊形势垒层32之间制备A1N插入层33；在脊形势垒层32与脊形介质层40之间制备u-GaN帽层34。
可选地，制备方法还包括：在脊形GaN模板上外延生长脊形沟道层31之前，先外延第二高阻GaN层301。
可选地，横向外延生长脊形GaN层30，包括：横向外延生长三角柱或梯形柱的脊形GaN层30，其中，三角柱的脊形GaN层30的两个侧壁的长度之和为0.2-10μm，两个脊形平台的长度均为5-500μm。
可选地，依次外延生长脊形沟道层31及脊形势垒层32，包括：外延生长GaN材料形成脊形沟道层31；外延生长单层非故意掺杂的AlxGal-xN材料，或单层非故意掺杂的AlyInl-yN材料，或单层非故意掺杂的AlInGaN材料，形成脊形势垒层32，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。
可选地，在脊形沟道层31与脊形势垒层32之间制备AlN插入层33包括：制备厚度为1nm-10nm的AlN插入层33。
可选地，在脊形势垒层32上制备脊形介质层40，包括：在脊形势垒层32上沉积Si3N4钝化层，形成脊形介质层40。
可选地，制备方法还包括：在脊形介质层40与栅电极60之间制备栅介质层41。
可选地，栅介质层41的材料为介电常数大于第一预设值，且禁带宽度大于第二预设值的材料。
本发明另一方面提供一种GaN基常关型高电子迁移率晶体管，包括：衬底10，其表面依次形成有成核层11、缓冲层12和第一高阻GaN层13，第一高阻GaN层13上形成有脊形GaN层30，其中，脊形GaN层30的侧壁为
面或
面；脊形GaN层30上依次形成有脊形沟道层31、脊形势垒层32、脊形介质层40；脊形势垒层32平台形成有源电极50及漏电极51，脊形介质层40的侧壁形成有栅电极60；其中，脊形沟道层31和脊形势垒层32的侧壁的厚度均小于各自对应的脊形平台的厚度。
(三)有益效果
本发明提出的一种GaN基常关型高电子迁移率晶体管及制备方法，有益效果为：
1、相比于刻蚀形成的槽形沟道，通过横向外延生长的方式制备脊形沟道，在沟道区域不存在刻蚀损耗及注入损伤，能有效避免刻蚀损伤对器件性能的影响。
2、相比于薄势垒方案，脊形侧壁处势垒层/沟道层界面总极化强度远低于脊形平台处的界面总极化强度，且外延生长的脊形侧壁势垒层的厚度小于脊形平台势垒层的厚度，使得栅区兼具弱极化强度和薄势垒特征，阈值电压更高，而且在源和漏区域具有更高的2DEG密度从而可以获得更高的饱和电流和更低的开态电阻。
3、相比于pn结方案，该方法不需要外延p型层，可以避免p型掺杂杂质扩散到沟道层而影响电子迁移率，同时栅区的MOS结构比pn结的开关速度更快，具有更好的高频性能。
附图说明
图1示意性示出了本发明实施例提供的三角柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管结构的俯视图；
图2示意性示出了本发明实施例提供的三角柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管结构的剖面图；
图3示意性示出了本发明实施例提供的三角柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管的工作原理图；
图4示意性示出了本发明实施例提供的梯形柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管结构的俯视图；
图5示意性示出了本发明实施例提供的梯形柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管结构的剖面图；
图6示意性示出了本发明实施例提供的梯形柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管的工作原理图；
图7示意性示出了本发明实施例提供的三角柱或梯形柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管的制备方法流程图；
图8示意性示出了本发明实施例提供的三角柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管制备方法中各子步骤对应的结构图；
图9示意性示出了本发明实施例提供的梯形柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管制备方法中各子步骤对应的结构图；
图10示意性示出了本发明实施例提供的包含有氮化铝层及u-GaN帽层的脊形斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管。
【附图标记】
10-衬底，11-成核层，12-缓冲层，13-第一高阻GaN层，20-图形化介质层，30-脊形GaN层，301-第二高阻GaN层，31-脊形沟道层，32-脊形势垒层，33-AlN插入层，34-u-GaN帽层，40-脊形介质层，41-栅介质层，50-源电极，51-漏电极，60-栅电极。
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。
本发明实施例提出了一种GaN基常关型高电子迁移率晶体管结构，该结构例如可以包括三角柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管，或者梯形柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管。下面分别作详细介绍。
实施例1
图1示意性示出了本发明实施例提供的三角柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管结构的俯视图，图2示意性示出了本发明实施例提供的三角柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管结构的剖面图，如图1及图2所示，该三角柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管例如可以包括：
衬底10，在衬底10的表面自下而上依次形成有成核层11、缓冲层12、第一高阻GaN层13、脊形GaN层30、脊形沟道层31、脊形势垒层32及脊形介质层40，在脊形势垒层32脊形平台上制备有源电极50及漏电极51，在脊形介质层40的侧壁制备有栅电极60。
在本实施例一可行的方式中，该衬底10例如可以是蓝宝石、氮化镓、氮化铝、硅、碳化硅、氧化镓、氧化锌中的一种或多种组合，本发明不做限制。
在本实施例一可行的方式中，该成核层11例如可以是GaN或AlN或两者组合，厚度例如可以为15-150nm。缓冲层12，该缓冲层12例如可以是AlN层、GaN层、AlGaN层、AluGa1-uN/AlvGa1-vN超晶格层中的一种或至少两种的组合，其中0≤u≤1，0≤v≤1，本发明不做限制，该缓冲层12可用于调控应力或改善外延质量。
在本实施例一可行的方式中，该第一高阻GaN层13例如可以是C掺杂或Fe掺杂的第一高阻GaN层，或者包含Al(Ga)N插入层的第一高阻GaN层，或者包含p-(Al)GaN插入层的第一高阻GaN层，本发明不做限制。
在本实施例一可行的方式中，GaN层30为三角柱结构，其侧壁斜面之和的范围例如可以为0.2-10μm，两个脊形平台的长度范围例如可以为5-500μm，该脊形沟道层31、脊形势垒层32及脊形介质层40与GaN层30的结构相似，均为三角柱结构，脊形沟道层31和脊形势垒层32的侧壁的厚度均小于各自对应的脊形平台的厚度。脊形侧壁AlGaN/GaN界面的净极化电荷远低于脊形平台处AlGaN/GaN界面的净极化电荷，并且，脊形势垒层32的厚度也小于脊形平台处AlGaN的厚度(通常25nm左右)，这两个因素导致栅下脊形侧壁区域的沟道层在零栅压下没有2DEG而使器件处于关态，只有在一定的正栅压下才能感生反型层电子从而使得器件导通，而脊形平台区域的源和漏区域一直存在2DEG，从而实现增强型器件。
在本实施例一可行的方式中，该脊形沟道层31例如可以为GaN，脊形势垒层32例如可以为单层非故意掺杂的AlxGa1-xN材料(0≤x≤1)，也可以是AlyIn1-yN材料(0≤y≤1)，或AIInGaN材料，优选为AlxGa1-xN材料(0.2≤x≤0.3)，或者与沟道层31晶格匹配的Al0.82In0.18N材料。
在本实施例一可行的方式中，该脊形沟道层31与脊形势垒层32之间例如可以再插入一层薄的A1N插入层33，厚度1nm-10nm，优选厚度为1nm。在脊形势垒层32上例如可以再沉积一层薄层u-GaN帽层34，该u-GaN帽层34有利于促进源、漏端欧姆接触电极的形成，也有利于保护器件表面。
在本实施例一可行的方式中，脊形介质层40例如可以为Si3N4钝化层。
在本实施例一可行的方式中，脊形势垒层32的两脊形平台结构上分别形成源电极50及漏电极51，源电极50及漏电极51与脊形势垒层32形成欧姆接触。源电极50及漏电极51例如可以采用Ti/Al/Ti/Au或Ti/Au/Ni/Au，具体本发明不做限制。
在本实施例一可行的方式中，栅电极60例如可以采用Ni/Au，具体本发明不做限制。脊形介质层40与栅电极60之间例如可以再沉积一层栅介质层41，该栅介质层41的材料例如可以为介电常数大于第一预设值(脊形介质层40的介电常数)，且禁带宽度大于第二预设值(脊形介质层40的带隙)的材料，例如脊形介质层40采用Si3N4，栅介质层41采用Al2O3或HfO2，Si3N4的带隙为5.1eV，介电常数为7.0，Al2O3的带隙为8.7eV，介电常数为9，HfO2的带隙为5.7eV，介电常数为25。具体预设值根据实际情况设定，本发明不做限制。
图3示意性示出了本发明实施例提供的三角柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管的工作原理图，如图3所示，图中脊形势垒层32/脊形沟道层31界面之平台区域的白色圆圈表示极化诱导的2DEG，侧壁区域的灰色圆圈表示正栅压导致的反型层电子，原理如下：脊形平台处(0001)晶面的势垒层32/沟道层31之间的界面因为两者之间的极化(指总极化，包括自发极化和压电极化)不连续而存在很高的剩余正极化电荷，这些正极化电荷可以诱导出大量的2DEG。而脊形侧壁为
晶面或
晶面，
面与(0001)面夹角是62度，
与(0001)面夹角为58.9度，据计算，AlGaN/GaN界面的总极化电荷电荷在70度左右等于0，在60度附近接近0(Ref：Joural ofApplied Physics 2006，100，023522)。此外，势垒层32的厚度在脊形侧壁处也比脊形平台处薄。弱极化和薄势垒这两个因素导致栅下脊形侧壁区域的沟道层没有2DEG而使器件处于关态，只有在一定的正栅压下才能感生反型层电子从而使得器件导通。当VG≤0，栅下沟道没有2DEG，所以器件处于“off”状态，当VG＞VT＞0，即栅压超过一定的阈值电压(阈值电压为正)时，可以在栅下沟道感生出反型层电子，使得器件处于“on”状态。形成所谓‘常关型’器件。
实施例2
图4示意性示出了本发明实施例提供的梯形柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管结构的俯视图，图5示意性示出了本发明实施例提供的梯形柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管结构的剖面图，如图4及图5所示，与上述三角柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管相比，其不同之处在于斜面沟道的结构为梯形柱，其它结构细节与上述三角柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体相同，此处不再赘述。
图6示意性示出了本发明实施例提供的梯形柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管的工作原理图，如图6所示，图中脊形势垒层32/脊形沟道层31界面之平台区域的白色圆圈表示极化诱导的2DEG，侧壁区域的灰色圆圈表示正栅压导致的反型层电子，原理如下：和图3的三角柱斜面沟道器件类似，梯形柱斜面沟道器件的脊形平台处一直存在极化诱导的2DEG，同时，梯形柱两个侧壁之间的平台区域也一直存在极化诱导的2DEG，而栅下脊形侧壁区域的沟道层由于弱极化和薄势垒在零偏压下没有2DEG，只有在一定的正栅压下才能感生反型层电子。当VG≤0，栅下沟道没有2DEG，所以器件处于“off”状态，当VG＞VT＞0，即栅压超过一定的阈值电压(阈值电压为正)时，可以在栅下沟道感生出反型层电子，使得器件处于“on”状态。形成所谓‘常关型’器件。
相比三角柱斜面沟道，梯形斜面沟道的栅长(两个脊形侧壁长度之和)更容易做的短一些，这有助于提高器件的高频特性。
实施例3
图7示意性示出了本发明实施例提供的三角柱或梯形柱斜面沟道的GaN基常关型高电子迁移率晶体管的制备方法流程图，如图7所示，该方法例如可以包括操作S1-S5。
S1，在衬底10上依次制备成核层11、缓冲层12和第一高阻GaN层13。
在本实施例一可行的方式中，可以采用金属有机化合物化学气相沉淀法(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)在衬底10上依次生长成核层11、缓冲层12和第一高阻GaN层13，形成GaN模板，结构如图8中a或图9中a所示。其中，成核层11的生长温度例如可以为500-1000℃。
S2，在第一高阻GaN层13上制备图形化介质层20。
在本实施例一可行的方式中，可以采用等离子体增强化学气相沉积法(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)，在第一高阻GaN层13上沉积一层介质层，介质层例如可以是SiO2，介质厚度例如可以是50-300nm，厚度优选值100nm，通过光刻和刻蚀工艺在介质层上开孔形成图形化介质层20，图形化介质层20为条状，条状介质条之间距为0.1-5μm，条形介质条之宽度为10μm-1mm，结构如图8中b或图9中b所示。
S3，基于图形化介质层20，横向外延生长脊形GaN层30，然后去除图形化介质层20，形成脊形GaN模板，其中，脊形GaN层30的侧壁为
晶面或
晶面。
在本实施例一可行的方式中，在上述具有图形化介质层20的第一高阻GaN层13上，采用MOCVD方法再次外延GaN，制备脊形GaN层30。该脊形GaN层30的形状例如可以为三角柱(如图8中c所示)或梯形柱(如图9中c所示)。横向外延过程中先形成梯形柱结构，然后随着时间增加，逐渐形成三角柱结构，当外延时间较短时自然会形成梯形柱结构。因此，可根据实际的外延时间获取实际所需的斜面沟道形状。
在生长脊形沟道层31及脊形势垒层32之前，需要去除图形化介质层20。在本实施例一可行的方式中，可采用湿法刻蚀方法去除图形化介质层20，得到脊形GaN模板，如三角柱(如图8中d所示)或梯形柱(如图9中d所示。
S4，基于脊形GaN模板，依次外延生长脊形沟道层31及脊形势垒层32。
在脊形GaN模板上采用MOCVD方法进行第三次外延，依次生长脊形沟道层31，脊形势垒层32，完成脊形GaN HEMT外延片制备，如图8中e所示或如图9中e所示。
S5，在脊形势垒层32上制备脊形介质层40，在脊形势垒层32平台上制备源电极50及漏电极51，在脊形介质层40的侧壁制备栅电极60。
在本实施例一可行的方式中，源电极50及漏电极51通常通过退火形成欧姆接触，栅电极60例如可以为肖特基型栅电极。
至此，完成脊形GaN HEMT的制备，其结构如图1或图4所示。
此外，在本实施例一可行的方式中，还可以在脊形GaN模板上外延生长脊形沟道层31之前，先外延一层第二高阻GaN层301，在脊形沟道层31与脊形势垒层32之间制备AlN插入层33，在脊形势垒层32与脊形介质层40之间制备u-GaN帽层34，如图10所示。
该方法实施例中未尽细节之处(各结构的材料、厚度参数等)，请参见上述结构实施例，此处不再赘述。
本实施例提供的斜面沟道GaN基常关型高电子迁移率晶体管的制备方法，适用于制备采用极性面氮化镓基材料的增强型场效应晶体管，也可适用于其它许多调控二维电子气沟道的氮化镓基电子器件。
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 (10)
1.一种GaN基常关型高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
S1，在衬底(10)上依次制备成核层(11)、缓冲层(12)和第一高阻GaN层(13)；
S2，在所述第一高阻GaN层(13)上制备图形化介质层(20)；
S3，基于所述图形化介质层(20)，横向外延生长脊形GaN层(30)，然后去除图形化介质层(20)，形成脊形GaN模板，其中，所述脊形GaN层(30)的侧壁为
晶面或
晶面；
S4，基于所述脊形GaN模板，依次外延生长脊形沟道层(31)及脊形势垒层(32)；
S5，在所述脊形势垒层(32)上制备脊形介质层(40)，在所述脊形势垒层(32)平台上制备源电极(50)及漏电极(51)，在所述脊形介质层(40)的侧壁制备栅电极(60)；
其中，所述脊形沟道层(31)和脊形势垒层(32)的侧壁的厚度均小于各自对应的脊形平台的厚度。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：在脊形GaN模板上外延生长脊形沟道层(31)之前，外延第二高阻GaN层(301)。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
在所述脊形沟道层(31)与脊形势垒层(32)之间制备AlN插入层(33)；
在所述脊形势垒层(32)与所述脊形介质层(40)之间制备u-GaN帽层(34)。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述横向外延生长脊形GaN层(30)，包括：
横向外延生长三角柱或梯形柱的所述脊形GaN层(30)，其中，三角柱的所述脊形GaN层(30)的两个侧壁的长度之和为0.2-10μm，两个脊形平台的长度均为5-500μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述依次外延生长脊形沟道层(31)及脊形势垒层(32)，包括：
外延生长GaN材料形成所述脊形沟道层(31)；
外延生长单层非故意掺杂的AlxGa1-xN材料，或单层非故意掺杂的AlyIn1-yN材料，或单层非故意掺杂的AlInGaN材料，形成所述脊形势垒层(32)，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述在所述脊形沟道层(31)与脊形势垒层(32)之间制备AlN插入层(33)，包括：
制备厚度为1nm-10nm的所述AlN插入层(33)。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在所述脊形势垒层(32)上制备脊形介质层(40)，包括：
在所述脊形势垒层(32)上沉积Si3N4钝化层，形成所述脊形介质层(40)。
8.根据权利1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
在所述脊形介质层(40)与所述栅电极(60)之间制备栅介质层(41)。所述栅介质层(41)的材料为介电常数大于第一预设值，且禁带宽度大于第二预设值的材料。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在衬底(10)上依次制备成核层(11)、缓冲层(12)和第一高阻GaN层(13)，包括：
制备C掺杂的或Fe掺杂的所述第一高阻GaN层(13)，或者制备包含Al(Ga)N插入层的所述第一高阻GaN层(13)，或者制备包含p-(Al)GaN插入层的所述第一高阻GaN层(13)。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述制备方法的GaN基常关型高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括：
衬底(10)，其表面依次形成有成核层(11)、缓冲层(12)和第一高阻GaN层(13)，所述第一高阻GaN层(13)上形成有脊形GaN层(30)，其中，所述脊形GaN层(30)的侧壁为
晶面或
晶面；
所述脊形GaN层(30)上依次形成有脊形沟道层(31)、脊形势垒层(32)、脊形介质层(40)；
所述脊形势垒层(32)平台形成有源电极(50)及漏电极(51)，所述脊形介质层(40)的侧壁形成有栅电极(60)；
其中，所述脊形沟道层(31)和脊形势垒层(32)的侧壁的厚度均小于各自对应的脊形平台的厚度。
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