CN111640672A - 增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管及其制备方法，所述增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的制备方法，包括以下步骤：提供衬底，所述衬底上表面设置有堆叠结构，所述堆叠结构包括沟道层和势垒层；在所述堆叠结构的上表面形成源极、漏极和二维电子气消耗装置，所述二维电子气消耗装置用于为二维电子气提供空穴，以消耗所述二维电子气；在所述二维电子气消耗装置上表面形成所述栅极。
Description
技术领域
本发明涉及晶体管生产领域，具体涉及一种增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管及其制备方法。
背景技术
高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种三端电子器件，包括源极、栅极和漏极，作为功率电子器件，能够满足现代电子科技对高温、高频、高压、高功率以及抗辐射等高性能的要求，是目前国际上大力发展的前沿热点技术，也是我国能源发展中迫切需要的关键电力电子技术的核心技术。高电子迁移率晶体管的导通是通过源电极和漏电极间沟道层中的二维电子气(2DEG)来实现的，由栅电极来控制电流的导通或截止。
现有技术中，常用一种氮化镓基高电子迁移率晶体管。氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表，具有禁带宽度大、电子漂移速度大、热传导率高、耐高压、耐热分解、耐腐蚀和耐放射性辐照等特性。氮化镓基高电子迁移率晶体管的原理是：由于氮化铝镓(AlGaN)和氮化镓(GaN)的异质结构中氮化铝镓的禁带宽度大于氮化镓的禁带宽度。在氮化铝镓和氮化镓相交的界面处，在氮化铝镓一侧形成势垒，在氮化镓一侧形成准三角形势阱，使得氮化铝镓和氮化镓相交的界面处的电子在水平方向可自由移动，而在垂直于界面方向被限制在准三角形势阱中，即为所述二维电子气。二维电子气的导通或截止受其上的栅极电压所控制：当栅极电压小于最小导通电压，即阈值电压时，由于二维电子气被耗尽，导电通道截止；反之，当栅极电压大于最小导通电压即阈值电压时，由于二维电子气的高导电性，导电通道开启。
在常规情况下氮化镓基高电子迁移率晶体管在加电后会处于导通状态，即只有加足够的负偏压耗尽二维电子气后，器件才能关断，这种结构称为耗尽型氮化镓基高电子迁移率晶体管。但为了保证使用安全，防止发生触电危险，功率器件应在常态下处于关断状态，即常态下栅极下二维电子气是耗尽的，栅极加正向电压后器件才能导通，这种结构称为增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管。
增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的制备是技术人员目前的发展重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管及其制备方法。
为了解决上述技术问题，以下提供了一种增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的制备方法，包括以下步骤：提供衬底，所述衬底上表面设置有堆叠结构，所述堆叠结构包括沟道层和势垒层；在所述堆叠结构的上表面形成源极、漏极和二维电子气消耗装置，所述二维电子气消耗装置用于为二维电子气提供空穴，以消耗所述二维电子气；在所述二维电子气消耗装置上表面形成所述栅极。
可选的，在所述堆叠结构上表面形成欧姆接触的源极和漏极。
可选的，所述二维电子气消耗装置包括p型氧化镍锂层，在形成二维电子气消耗装置时，包括以下步骤：在所述堆叠结构上表面形成p型氧化镍锂层，所述p型氧化镍锂层在所述衬底上表面的投影与所述栅极在所述衬底上表面的投影重合。
可选的，使用原子层外延、化学气相外延、溅射、物理气相沉积、电子束沉积中的至少一种方法制备所述p型氧化镍锂层。
可选的，在所述堆叠结构的上表面形成二维电子气消耗装置前，还包括以下步骤：在所述堆叠结构的上表面形成势垒提高装置，用于提高肖特基势垒高度，以及降低栅极漏电流。
可选的，所述势垒提高装置包括氧化铝层，在形成所述势垒提高装置时，还包括以下步骤：在所述堆叠结构上表面形成所述氧化铝层，所述氧化铝层在所述衬底上表面的投影与所述栅极在所述衬底上表面的投影重合。
为了解决上述技术问题，以下还提供了一种增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管，包括：衬底；形成于所述衬底上表面的堆叠结构，所述堆叠结构包括沟道层和势垒层；形成于所述堆叠结构的上表面的所述增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的源极和漏极；形成于所述堆叠结构的上表面的二维电子气消耗装置，用于为二维电子气提供空穴，以消耗所述二维电子气；形成于所述二维电子气消耗装置上表面的栅。
可选的，所述二维电子气消耗装置包括形成于所述堆叠结构上表面的p型氧化镍锂层。
可选的，还包括：形成于所述二维电子气消耗装置和所述堆叠结构之间的势垒提高装置，所述势垒提高装置用于提高肖特基势垒高度，以及降低栅极漏电流。
可选的，所述势垒提高装置包括形成于所述堆叠结构上表面的氧化铝层。
本发明的增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管及其制备方法在所述栅极下方形成了二维电子气消耗装置，能够通过提供空穴来消耗氮化镓基高电子迁移率晶体管中原有的二维电子气，使该氮化镓基高电子迁移率晶体管从常开状态变为常闭状态，保证使用安全，防止发生触电危险。
附图说明
图1为本发明的一种具体实施方式中的增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的制备方法的步骤流程示意图。
图2A至2C为本发明的一种具体实施方式中的制备方法的各步骤形成的半导体器件的结构示意图。
具体实施方式
研究发现，可以通过在常态下耗尽栅极下二维电子气形成关断状态，来实现增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管。这样，所述增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管在栅极加正向电压后后才会形成导通状态。
研究还发现，可以通过凹栅刻蚀、栅极下氟基等离子体处理等技术来实现上述效果，但上述技术存在一些加工工艺上的困难，也难免会导致器件性能变差。例如，栅极下氟基等离子体处理技术存在热稳定性问题，当温度升高后，器件性能稳定变差；凹栅刻蚀需要精准的纳米级干法刻蚀，设备昂贵、加工困难且存在刻蚀损伤等问题。
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管及其制备方法作进一步详细说明。
请看图1、图2A至图2C，其中图1为本发明的一种具体实施方式中的增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的制备方法的步骤流程示意图；图2A至2C为本发明的一种具体实施方式中的制备方法的各步骤形成的半导体器件的结构示意图。
在该具体实施方式中，以下提供了一种增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的制备方法，包括以下步骤：S11提供衬底101，所述衬底101上表面设置有堆叠结构112，所述堆叠结构112包括沟道层104和势垒层106；S12在所述堆叠结构112的上表面形成源极111和漏极109和二维电子气消耗装置113，所述二维电子气消耗装置113用于为二维电子气提供空穴，以消耗所述二维电子气；S13在所述二维电子气消耗装置113上表面形成所述栅极108。
该具体实施方式中的增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的制备方法在所述栅极108下方形成了二维电子气消耗装置113，能够通过提供空穴来消耗增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管中原有的二维电子气，使该增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管从常开状态变为常闭状态，保证使用安全，防止发生触电危险。
在一种具体实施方式中，在所述堆叠结构112上表面形成欧姆接触的源极111和漏极109。
在一种具体实施方式中，利用电子束淀积Ni/Au(20nm/200nm/35nm/300nm)作为肖特基接触层，来形成所述栅极108。
欧姆接触指的是金属与半导体材料之间的接触处是一个纯电阻，肖特基接触指的金属和半导体材料相接触的时候，在界面处半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒，这将导致大的界面电阻。肖特基接触与欧姆接触相对应，欧姆接触时，界面处势垒非常小或者是没有接触势垒。
在一种具体实施方式中，所述二维电子气消耗装置113包括p型氧化镍锂层，在形成二维电子气消耗装置113时，包括以下步骤：在所述堆叠结构112上表面形成p型氧化镍锂层，所述p型氧化镍锂层在所述衬底101上表面的投影与所述栅极108在所述衬底101上表面的投影重合。
在一种具体实施方式中，形成所述二维电子气消耗装置113时，包括以下步骤：形成覆盖所述堆叠结构112上表面的完整p型氧化镍锂层；图形化所述完整p型氧化镍锂层，以形成所述p型氧化镍锂层。
在一种其他的具体实施方式中，形成所述p型氧化镍锂层时，包括以下步骤：(1)在所述堆叠结构112上表面形成图形化的掩膜层；(2)在所述堆叠结构112的外露区域沉积所述p型氧化镍锂材料，形成所述p型氧化镍锂层；(3)去除掩膜层，以及掩膜层上表面的多余的p型氧化镍锂材料。
在一种具体实施方式中，使用原子层外延、化学气相外延、溅射、物理气相沉积、电子束沉积中的至少一种方法制备所述p型氧化镍锂层。
在一种具体实施方式中，p型氧化镍锂层的空穴浓度为5E20cm-3，耗尽了栅极108下的二维电子气，使器件处于常关状态。当栅极108外加电压大于阈值电压时，导电通道开启。
在一种具体实施方式中，所述p型氧化镍锂层的厚度为2nm至1000nm，且p型氧化镍锂层中氧化镍(NiO)和氧化锂(LiO)的摩尔组分比为90:10到70:30。
在一种具体实施方式中，使用磁控溅射设备溅射氧化镍锂靶材形成所述p型氧化镍锂层。在溅射用的氧化镍锂靶材中，氧化镍和氧化锂的摩尔组分比为85:15，纯度99.99％。
在一种具体实施方式中，所述沟道层104为氮化镓沟道层，所述势垒层106为氮化铝镓势垒层。所述沟道层104和所述势垒层106之间还设置有一氮化铝插入层105，以降低所述氮化镓沟道层和氮化铝镓势垒层之间的位错密度。若不设置所述氮化铝插入层105，由于氮化镓沟道层和氮化铝镓势垒层两者的晶格常数差别比较大，很容易产生位错，导致所述氮化镓沟道层和氮化铝镓势垒层的物理性能受到影响。
在一种具体实施方式中，在所述沟道层104为氮化镓沟道层时，为了能够在所述衬底101表面形成晶体质量较好的氮化镓沟道层，需要在所述衬底101表面先形成一层氮化铝成核层102，以减小所述氮化镓沟道层内的位错密度，防止在所述衬底101表面直接生长所述氮化镓沟道层时由于过高的位错密度而造成的氮化镓沟道层的性能变化。在一种更优的具体实施方式中，在所述氮化铝成核层102的上表面还外延生长有一氮化镓缓冲层103，通过设置一定厚度的氮化镓缓冲层103，来进一步降低所述氮化镓沟道层的位错密度。
在一种更优的具体实施方式中，在所述堆叠结构112的上表面形成二维电子气消耗装置113前，还包括以下步骤：在所述堆叠结构112的上表面形成势垒提高装置114，用于提高肖特基势垒高度，以及降低栅极108漏电流。设置所述势垒提高装置114能够抬高所述势垒层106与栅极108进行肖特基接触时形成的肖特基势垒，以及降低栅极108漏电流，进一步优化所述增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的功能。
在一种具体实施方式中，所述势垒提高装置114包括氧化铝层，在形成所述势垒提高装置114时，还包括以下步骤：在所述堆叠结构112上表面形成所述氧化铝层，所述氧化铝层在所述衬底101上表面的投影与所述栅极108在所述衬底101上表面的投影重合。
在一种具体实施方式中，形成覆盖所述堆叠结构112上表面的完整氧化铝层，之后再图形化所述完整氧化铝层，以形成所需的氧化铝层。在该具体实施方式中，图形化后获得的氧化铝层在所述衬底101上表面的投影与所述栅极108在所述衬底101上表面的投影一致。
在一种其他的具体实施方式中，形成所述氧化铝层时，包括以下步骤：(1)在所述堆叠结构112上表面形成图形化的掩膜层；(2)在所述堆叠结构112的外露区域沉积氧化铝材料，形成所述氧化铝层；(3)去除掩膜层，以及掩膜层上表面的多余的氧化铝材料。
在一种具体实施方式中，所述氧化铝层的厚度为2nm至20nm。
在一种具体实施方式中，利用磁控溅射设备，溅射99.99％纯度的氧化铝靶材形成氧化铝层。在一种具体实施方式中，欲溅射形成的所述氧化铝层的厚度为15nm，射频功率为500W，气体为Ar气，真空室保持2×10-3mbar压强。
请参阅图2C，在该具体实施方式中，还提供了一种增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管，包括：衬底101；形成于所述衬底101上表面的堆叠结构112，所述堆叠结构112包括沟道层104和势垒层106；形成于所述堆叠结构112的上表面的所述增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的源极111和漏极109；形成于所述堆叠结构112的上表面的二维电子气消耗装置113，用于为二维电子气提供空穴，以消耗所述二维电子气；形成于所述二维电子气消耗装置113上表面的栅极108。
在该具体实施方式中，所述增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管在所述栅极108下方形成了二维电子气消耗装置113，能够通过提供空穴来消耗增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管中原有的二维电子气，使该增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管从常开状态变为常闭状态，保证使用安全，防止发生触电危险。
在一种具体实施方式中，所述二维电子气消耗装置113包括形成于所述堆叠结构112上表面的p型氧化镍锂层。在该具体实施方式中，所述p型氧化镍锂层在所述衬底101上表面的投影与所述栅极108在所述衬底101上表面的投影重合。
在一种具体实施方式中，所述增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管还包括：形成于所述二维电子气消耗装置113和所述堆叠结构112之间的势垒提高装置114，所述势垒提高装置114用于提高肖特基势垒高度，以及降低栅极108漏电流。
在一种具体实施方式中，所述势垒提高装置114包括形成于所述堆叠结构112上表面的氧化铝层。在该具体实施方式中，所述氧化铝层在所述衬底101上表面的投影与所述栅极108在所述衬底101上表面的投影重合。
在一种具体实施方式中，所述沟道层104为氮化镓沟道层，所述势垒层106为氮化铝镓势垒层。由于氮化镓沟道层与氮化铝镓势垒层的晶格常数相差较大，因此若直接在所述氮化镓沟道层上表面生长所述氮化铝镓势垒层时，会存在较大的应力，从而导致较多的位错，使得导致氮化镓沟道层和氮化铝镓势垒层两者的晶体质量均下降，影响两者的物理性质。因此，为了避免这种情况，在所述氮化镓沟道层和氮化铝镓势垒层之间形成一插入层，该插入层的晶格常数在所述氮化镓沟道层和氮化铝镓势垒层的晶格常数之间，以缓解直接在所述氮化镓沟道层上表面生长所述氮化铝镓势垒层时产生较多的位错的情况。
在该具体实施方式中，所述插入层包括氮化铝插入层105。实际上，也可以根据需要选择其他材料来制备所述插入层105。
在该具体实施方式中，由于直接在所述衬底101上表面形成所述氮化镓沟道层时，也可能会由于所述衬底101与所述氮化镓沟道层之间的晶格常数相差较大而导致位错，因此通常在选定衬底101的材料后，通常也在所述衬底101的上表面形成一缓冲结构，来缓冲所述位错。
在一种具体实施方式中，所述缓冲结构包括氮化铝成核层102以及氮化镓缓冲层103。在一些具体实施方式中，所述氮化铝成核层102已经可以实现位错减少的效果了，但为了获取到晶体质量更好的氮化镓沟道层，通常先在所述氮化铝成核层102上形成一氮化镓缓冲层103，这样随着晶体的逐渐生长，越往上晶体质量越好，最后获取到晶体质量更好的氮化镓沟道层。
请看以下实施例1，在该实施例1中，对该种增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的制备方法进行了说明。
所述实施例1包括以下步骤：(1)采用8英寸的晶向为<111>硅为衬底101；(2)利用金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)依次外延生长氮化铝成核层102、氮化镓缓冲层103、氮化镓沟道层、氮化铝插入层105、氮化铝镓势垒层，请看图2A；(3)利用电子束淀积Ti/Al/Ni/Au(20nm/200nm/35nm/300nm)作为金属欧姆接触，形成源极111和漏极109，且合金条件为氮气下850度30s，请看图2B；(4)利用磁控溅射设备溅射99.99％纯度的氧化铝靶材以形成厚度为15nm的氧化铝层，射频功率为500W，气体为Ar气，真空室保持2×10-3mbar的压强；(5)利用磁控溅射设备溅射溅射氧化镍锂靶材，氧化镍和氧化锂的摩尔组分比为85:15,纯度99.99％，以形成所述p型氧化镍锂层；(6)栅极108的形成利用电子束淀积Ni/Au(20nm/200nm/35nm/300nm)作为肖特基接触层，请看图2C。
需要注意的是，在进行氮化铝成核层102、氮化镓缓冲层103、氮化镓沟道层、氮化铝插入层105、氮化铝镓势垒层的外延生长时，使用的MOCVD系统为德国爱思强(Aixtron)行星式反应腔G5+，其可以放置5个8英寸硅衬底101。并且，在该腔室内在进行氮化铝成核层102、氮化镓缓冲层103、氮化镓沟道层、氮化铝插入层105、氮化铝镓势垒层的外延生长时，生长温度为1100℃至1150℃，三甲基铝(TMAl)其流量为50μmol/min至180μmol/min，三甲基镓(TMGa)的流量为80μmol/min至220μmol/min，使用氨气作为V族原材料供应，流量为5slm至50slm(standard litre per minute，标准状态下1L/min的流量)，使用氢气和氮气为载气，流量为10slm至80slm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底，所述衬底上表面设置有堆叠结构，所述堆叠结构包括沟道层和势垒层；
在所述堆叠结构的上表面形成源极、漏极和二维电子气消耗装置，所述二维电子气消耗装置用于为二维电子气提供空穴，以消耗所述二维电子气；
在所述二维电子气消耗装置上表面形成栅极。
2.根据权利要求1所述的增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，在所述堆叠结构上表面形成欧姆接触的源极和漏极。
3.根据权利要求1所述的增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，所述二维电子气消耗装置包括p型氧化镍锂层，在形成二维电子气消耗装置时，包括以下步骤：
在所述堆叠结构上表面形成p型氧化镍锂层，所述p型氧化镍锂层在所述衬底上表面的投影与所述栅极在所述衬底上表面的投影重合。
4.根据权利要求3所述的增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，使用原子层外延、化学气相外延、溅射、物理气相沉积、电子束沉积中的至少一种方法制备所述p型氧化镍锂层。
5.根据权利要求1所述的增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，在所述堆叠结构的上表面形成二维电子气消耗装置前，还包括以下步骤：
在所述堆叠结构的上表面形成势垒提高装置，用于提高肖特基势垒高度，以及降低栅极漏电流。
6.根据权利要求5所述的增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，所述势垒提高装置包括氧化铝层，在形成所述势垒提高装置时，还包括以下步骤：
在所述堆叠结构上表面形成所述氧化铝层，所述氧化铝层在所述衬底上表面的投影与所述栅极在所述衬底上表面的投影重合。
7.一种增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括：
衬底；
形成于所述衬底上表面的堆叠结构，所述堆叠结构包括沟道层和势垒层；
形成于所述堆叠结构的上表面的所述增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的源极和漏极；
形成于所述堆叠结构的上表面的二维电子气消耗装置，用于为二维电子气提供空穴，以消耗所述二维电子气；
形成于所述二维电子气消耗装置上表面的栅极。
8.根据权利要求7所述的增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述二维电子气消耗装置包括形成于所述堆叠结构上表面的p型氧化镍锂层。
9.根据权利要求8所述的增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，还包括：
形成于所述二维电子气消耗装置和所述堆叠结构之间的势垒提高装置，所述势垒提高装置用于提高肖特基势垒高度，以及降低栅极漏电流。
10.根据权利要求9所述的增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述势垒提高装置包括形成于所述堆叠结构上表面的氧化铝层。
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