CN111799326B - 一种新型二维电子气浓度调控的晶体管结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型二维电子气浓度调控的晶体管结构及制作方法，涉及半导体技术领域，该新型二维电子气浓度调控的晶体管结构包括衬底及制作在衬底上的氮化镓铝/氮化镓异质结构，氮化镓铝/氮化镓异质结构界面形成二维电子气，氮化镓铝/氮化镓异质结构上制作ε相氧化镓层，本申请利用ε相氧化镓层的自发极化和外加电场下的极化翻转行为和特性，对异质结构界面二维电子气浓度进行调控，可实现异质结构界面二维电子气浓度的增强或耗尽，不仅有利于提高器件的性能，而且为实现低导通电阻或增强型晶体管提供了新途径。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种新型二维电子气浓度调控的晶体管结构及制作方法。
背景技术
以GaN(氮化镓)为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速率高、介电常数小和击穿场强高等特点，成为高压、高功率器件的重要材料，非常适用于制作高频、高速、高功率、抗辐射、高集成度的电子器件和电路，在电池充电器、智能手机、计算机、服务器、汽车、通讯、照明系统和光伏领域的功率转换市场发挥着关键作用，对国家安全和国民经济发展具有极为重要的意义。近年来，美国、日本和欧洲等发达国家和地区均将电力电子器件列入重大战略计划，我国也明确提出优先推动电力装备重点领域的发展，大力发展大功率电力电子器件。高电子迁移率晶体管(HEMT)是最重要的功率开关器件之一，由于高功率密度、高击穿电压和高开关速度及良好的频率特性，GaN-HEMTs在电动汽车充电系统、功率开关、5G通信射频功率放大等方面得到了很好的展示。
GaN-HEMTs优异的器件性能主要源于AlGaN/GaN(氮化镓铝/氮化镓)界面2DEG(二维电子气)的存在：由于极化不连续和巨大的能带偏移，AlGaN/GaN界面势阱处可极化诱导形成高浓度高迁移率的2DEG，使得GaN-HEMTs在高压、高频、高功率应用领域表现出优良特性。基于强极化诱导作用和巨大能带偏移(band offset)，AlGaN/GaN异质结构界面的量子阱内可形成强量子局域化的高浓度二维电子气系统(2DEG)，即使在不掺杂的情况下，也可感生高达～1013cm-2的2DEG，通常情况下，(20nm)Al0.3Ga0.7N/GaN浓度可达约1.5×1013cm-2，载流子饱和迁移率可达1.5×107cm2/VS。
加强对AlGaN/GaN界面2DEG的浓度和迁移率的调控对改善其功率电子器件的性能具有重要意义，尤其是对器件的阈值电压、导通电阻的大小的调控有重要作用。提高AlGaN/GaN界面2DEG浓度可减小GaN-HEMTs的导通电阻和功耗，目前有些做法会通过增加AlGaN厚度或增大AlGaN中Al组分来实现2DEG面密度增大，但2DEG面密度随AlGaN势垒层厚度逐渐饱和，载流子面密度增加有限；使用高Al组分势垒层提高2DEG浓度时，高Al组分AlGaN材料的生长存在困难，且Al组分增大形成的应力引起AlGaN/GaN界面粗糙度增大，成为抑制高Al异质结构2DEG迁移率的重要因素。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种新型二维电子气浓度调控的晶体管结构，本发明的技术方案如下：
一种新型二维电子气浓度调控的晶体管结构，其特征在于，新型二维电子气浓度调控的晶体管结构包括：
衬底；
氮化镓层，氮化镓层形成在衬底上；
氮化镓铝层，氮化镓铝层形成在氮化镓层上形成氮化镓铝/氮化镓异质结构，氮化镓铝/氮化镓异质结构界面形成二维电子气；
ε相氧化镓层，ε相氧化镓层形成在氮化镓铝层上。
其进一步的技术方案为，新型二维电子气浓度调控的晶体管结构还包括：
源极、漏极和栅极，源极和漏极穿过ε相氧化镓层、氮化镓铝层并沉积形成在氮化镓层上表面与氮化镓铝/氮化镓异质结构形成欧姆接触，栅极生长在ε相氧化镓层的上表面并与ε相氧化镓层形成肖特基接触；
源极、漏极和栅极均采用金属材料制成，栅介质采用铁电材料制成，新型二维电子气浓度调控的晶体管结构形成为铁电栅场效应晶体管结构。
其进一步的技术方案为，ε相氧化镓层的厚度为10nm～20nm。
其进一步的技术方案为，氮化镓铝层的厚度为20～30nm。
其进一步的技术方案为，氮化镓铝层中铝组分为0.25～0.35。
其进一步的技术方案为，氮化镓层的厚度为400nm～1μm。
一种新型二维电子气浓度调控的晶体管结构的制作方法，用于制作形成本申请的新型二维电子气浓度调控的晶体管结构，该方法包括：
准备衬底；
在衬底上制作氮化镓层；
在氮化镓层上制作氮化镓铝层形成氮化镓铝/氮化镓异质结构，氮化镓铝/氮化镓异质结构界面形成二维电子气；
在氮化镓铝层上制作ε相氧化镓层。
其进一步的技术方案为，该方法还包括：
在制作得到氮化镓铝/氮化镓异质结构后，使用干法刻蚀方法对氮化镓铝/氮化镓异质结构进行器件隔离并制作得到漏极和源极，源极和漏极穿过氮化镓铝层并沉积形成在氮化镓层上表面与氮化镓铝/氮化镓异质结构形成欧姆接触；
在制作得到ε相氧化镓层后，在ε相氧化镓层表面制作得到栅极，栅极与ε相氧化镓层形成肖特基接触。
其进一步的技术方案为，在氮化镓铝层上制作ε相氧化镓层，包括：
使用乙酰丙酮镓为镓源、使用Mist-CVD方法在氮化镓铝/氮化镓异质结构上沉积ε相氧化镓层。
其进一步的技术方案为，在氮化镓铝层上制作ε相氧化镓层，包括：
使用氯化镓和氧气为前驱体、使用HVPE方法在氮化镓铝/氮化镓异质结构上沉积ε相氧化镓层。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种新型二维电子气浓度调控的晶体管结构及制作方法，利用ε-Ga2O3的自发极化和外加电场下的极化翻转行为和特性，对AlGaN/GaN异质结构界面2DEG浓度进行调控，可以实现AlGaN/GaN异质结构界面2DEG浓度的增强或耗尽，不仅有利于提高器件的性能，而且为实现低导通电阻或增强型AlGaN/GaN HEMT器件提供了新途径。
附图说明
图1是本申请的新型二维电子气浓度调控的晶体管结构的结构示意图。
图2是本申请的新型二维电子气浓度调控的晶体管结构在一个实例中的AlGaN/GaN异质结构能带图及界面2DEG浓度分布示意图。
图3是图2的实施例中，当ε-Ga2O3沿c轴方向自发极化与GaN相反时对2DEG浓度的调控示意图。
图4是图2的实施例中，当ε-Ga2O3沿c轴方向自发极化与GaN相同时对2DEG浓度的调控示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种新型二维电子气浓度调控的晶体管结构及制作方法，请结合图1，其制作方法如下：
(1)准备衬底，在本申请中，衬底选用蓝宝石或碳化硅作为衬底。
(2)在衬底上制作氮化镓铝/氮化镓异质结构(本申请以下用AlGaN/GaN表示)，本申请使用MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法制备AlGaN/GaN，其具体做法为：首先制作氮化镓层(以下用GaN表示)，然后在GaN上制作氮化镓铝层(以下用AlGaN表示)，该AlGaN为未掺杂的氮化镓铝，由此形成AlGaN/GaN，AlGaN/GaN界面形成二维电子气(本申请以下用2DEG表示)。
可选的，衬底与AlGaN/GaN之间还制作有其他层叠结构，比如本申请中，首先在衬底上制作氮化铝核层(AlN nuclear layer)，然后在氮化铝核层上制作氮化镓缓冲层(GaNbuffer)，然后在氮化镓缓冲层上制作GaN由此形成AlGaN/GaN。
在本申请中，AlGaN的厚度为20～30nm、其中铝组分为0.25～0.35。GaN的厚度为400nm～1μm。GaN buffer的厚度为2μm左右。
(3)在AlGaN/GaN上制作ε相氧化镓层(ε-Ga2O3)。
本申请使用Mist-CVD(雾化化学气相淀积)或者HVPE(氢化物气相外延)方法制作ε-Ga2O3：在使用Mist-CVD方法制作ε-Ga2O3时，使用乙酰丙酮镓为镓源。在使用HVPE方法制作ε-Ga2O3时，使用氯化镓和氧气为前驱体。
由于GaN与ε-Ga2O3较好的晶格匹配，在较低的制备温度即可实现ε-Ga2O3外延薄膜的生长，可抑制ε-Ga2O3与AlGaN外延层之间的扩散，以形成组分突变的陡峭的异质界面，本申请中ε-Ga2O3的制备温度为500～600℃。本申请制作得到的ε-Ga2O3的厚度为10nm～20nm。
Ga2O3材料具有比SiC和GaN更为优越的物理特性，成为近年来新型功率半导体材料与器件领域的研究热点。具有稳定相的β-Ga2O3材料比SiC和GaN具有更大的禁带宽度、更高的临界击穿场强和更好的Baliga品质因子，将表现出更低的导通电阻和高强的击穿场强等优越的器件特性。而亚稳相的ε-Ga2O3的禁带宽度约有4.4eV，可在650℃以下仍保持稳定状态，除了具备β-Ga2O3的相近的特性之外，ε-Ga2O3还具有独特的狗和物理特性优势，ε-Ga2O3可与蓝宝石、GaN等商业化衬底较β-Ga2O3实现更好的晶格匹配。与GaN相似，ε-Ga2O3属于极性半导体，沿c轴方向其自发极化强度为23μC/cm2，其强度是GaN极化强度(-2.9μC/cm2)的8倍。同时已有实验证实ε-Ga2O3还具有独特的铁电特性，其自发极化方向可在外加电场下发生翻转，另外ε-Ga2O3具备较大介电常数(接近32)，表明其具有较好的介电特性。
本申请结合Ga2O3材料和物理特性优势，将新型超宽禁带半导体材料ε-Ga2O3与AlGaN/GaN相结合，当ε-Ga2O3沿c轴方向自发极化与GaN相反时，AlGaN势垒层导电被抬高，AlGaN/GaN界面2DEG在ε-Ga2O3极化场作用下被耗尽；当ε-Ga2O3的自发极化方向在外加电场下发生翻转，自发极化与GaN相同时，由于在ε-Ga2O3势垒层的强极化场作用下，AlGaN导带向下弯曲，AlGaN/GaN界面2DEG浓度增大，因此本申请利用ε-Ga2O3强的自发极化和外加电场下的极化翻转行为和特性，对AlGaN/GaN界面2DEG浓度具有显著的调控作用。
需要说明的是，本申请的结构以AlGaN/GaN异质结构为例，但实际该结构也可用于其他异质结构体系，如铝酸镧/钛酸锶(LaAlO3/SrTiO3)体系等。
本申请在实际制作时，还包括制作电极的步骤，在上述步骤(2)和(3)之间还包括制作源极(Source)和漏极(Drain)的步骤，也即在制作得到AlGaN/GaN后，使用干法刻蚀方法对制备得到的AlGaN/GaN进行器件隔离，本申请的刻蚀深度为100～200nm。使用光刻、热蒸发工艺在异质结构器件区域沉积金属，在氮气分为中快速退火后制作得到漏极和源极。如图1所示，源极和漏极穿过AlGaN并沉积形成在GaN上表面与AlGaN/GaN形成欧姆接触。而步骤(3)在制作时ε-Ga2O3时，其覆盖AlGaN而不覆盖源极和漏极，因此源极和漏极还穿过了ε-Ga2O3。
在步骤(3)之后还包括制作栅极(Gate)的步骤，也即在制作得到ε-Ga2O3后，使用光刻、热蒸发工艺在ε-Ga2O3表面沉积多层金属电极制作得到Gate，Gate与ε-Ga2O3形成肖特基接触。
源极、漏极和栅极均采用金属材料制成，栅介质采用铁电材料制成，由此形成基于金属-铁电-半导体(MFS结构)的铁电栅介质HEMT(FeFET)结构。在本申请中，用于制作形成漏极和源极的金属采用Ti/Al/Ni/Au，用于制作形成栅极的金属采用Pt/Ti/Au。
最后漏源电极通孔，并使用Ti/Au金属进行覆盖接触。
因极化半导体异质界面可极化诱导产生高浓度2DEG，传统的GaN-HEMTs属于耗尽型，然而在电路设计和使用中，增强型器件比耗尽型器件有更广泛的应用范围和更可靠的性能，目前有诸如F掺杂、沟槽栅技术、P-GaN帽层等实现增强型器件的方法，但以上方法存在损伤沟道或影响栅压调控能力的缺点。而本申请构建和制备得到的基于ε-Ga2O3/AlGaN/GaN异质结的金属-铁电-半导体MFS的FeFET结构，利用ε-Ga2O3强的自发极化和外加电场下的极化翻转行为和特性，实现对AlGaN/GaN界面2DEG浓度的增强或耗尽，为实现低导通电阻或增强型AlGaN/GaN-HEMT器件提供了新途径，相比于传统的F-掺杂、沟槽栅技术等调控方法相比，该方法可有效抑制对AlGaN/GaN界面的损伤，并增强栅极调控作用。
由上述制作方法，即可制作得到如图1所示的新型二维电子气浓度调控的晶体管结构，该晶体管即主要包括衬底、氮化镓层、氮化镓铝层、ε相氧化镓层，氮化镓层形成在衬底上，氮化镓铝层形成在氮化镓层上形成氮化镓铝/氮化镓异质结构，氮化镓铝/氮化镓异质结构界面形成二维电子气，ε相氧化镓层形成在氮化镓铝层上。除此之外，还包括源极、漏极和栅极，源极和漏极穿过ε相氧化镓层、氮化镓铝层并沉积形成在氮化镓层上表面与氮化镓铝/氮化镓异质结构形成欧姆接触，栅极生长在ε相氧化镓层的上表面并与ε相氧化镓层形成肖特基接触。其余各部分细节结构以及各层的特征可以参照上述制作方法中的特征，本申请不再赘述。
以AlGaN的厚度为20nm、GaN的厚度为400nm为例，AlGaN中Al组分为0.3因此可表示为Al0.3Ga0.7N。通过薛定谔-泊松方程迭代求解得到的AlGaN/GaN异质结构能带图及界面2DEG浓度分布如图2所示，AlGaN/GaN界面2DEG浓度为7.1×1019cm-3，当使用20nm铁电材料作为栅介质时，即形成FeFET结构。则如图3所示，当ε-Ga2O3沿c轴方向自发极化与GaN相反时，AlGaN导电被抬高，AlGaN/GaN界面2DEG在ε-Ga2O3极化场作用下被耗尽。如图4所示，当ε-Ga2O3的自发极化方向在外加电场下发生反转，自发极化与GaN相同时，相比于图2中2DEG浓度增强至9.4×1019cm-3，增强了32.4％。由此可见ε-Ga2O3对2DEG浓度具有显著的调控作用。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种新型二维电子气浓度调控的晶体管结构，其特征在于，所述新型二维电子气浓度调控的晶体管结构包括：
衬底；
氮化镓层，所述氮化镓层形成在所述衬底上；
氮化镓铝层，所述氮化镓铝层形成在所述氮化镓层上形成氮化镓铝/氮化镓异质结构，所述氮化镓铝/氮化镓异质结构界面形成二维电子气；
ε相氧化镓层，所述ε相氧化镓层形成在所述氮化镓铝层上；
当所述ε相氧化镓层沿c轴方向自发极化与所述氮化镓层相反时，氮化镓铝势垒层导电被抬高，所述氮化镓铝/氮化镓异质结构界面二维电子气在所述ε相氧化镓层极化场作用下被耗尽；当所述ε相氧化镓层的自发极化方向在外加电场下发生翻转，自发极化与所述氮化镓层相同时，由于在ε相氧化镓势垒层的强极化场作用下，所述氮化镓铝层导带向下弯曲，所述氮化镓铝/氮化镓异质结构界面二维电子气浓度增大。
2.根据权利要求1所述的新型二维电子气浓度调控的晶体管结构，其特征在于，所述新型二维电子气浓度调控的晶体管结构还包括：
源极、漏极和栅极，所述源极和漏极穿过所述ε相氧化镓层、氮化镓铝层并沉积形成在所述氮化镓层上表面与所述氮化镓铝/氮化镓异质结构形成欧姆接触，所述栅极生长在所述ε相氧化镓层的上表面并与所述ε相氧化镓层形成肖特基接触；
所述源极、漏极和栅极均采用金属材料制成，栅介质采用铁电材料制成，所述新型二维电子气浓度调控的晶体管结构形成为铁电栅场效应晶体管结构。
3.根据权利要求1或2所述的新型二维电子气浓度调控的晶体管结构，其特征在于，所述ε相氧化镓层的厚度为10nm～20nm。
4.根据权利要求1或2所述的新型二维电子气浓度调控的晶体管结构，其特征在于，所述氮化镓铝层的厚度为20～30nm。
5.根据权利要求1或2所述的新型二维电子气浓度调控的晶体管结构，其特征在于，所述氮化镓铝层中铝组分为0.25～0.35。
6.根据权利要求1或2所述的新型二维电子气浓度调控的晶体管结构，其特征在于，所述氮化镓层的厚度为400nm～1μm。
7.一种新型二维电子气浓度调控的晶体管结构的制作方法，用于制作形成如权利要求1-6任一所述的新型二维电子气浓度调控的晶体管结构，其特征在于，所述方法包括：
准备衬底；
在所述衬底上制作氮化镓层；
在所述氮化镓层上制作氮化镓铝层形成氮化镓铝/氮化镓异质结构，所述氮化镓铝/氮化镓异质结构界面形成二维电子气；
在所述氮化镓铝层上制作ε相氧化镓层；
当所述ε相氧化镓层沿c轴方向自发极化与所述氮化镓层相反时，氮化镓铝势垒层导电被抬高，所述氮化镓铝/氮化镓异质结构界面二维电子气在所述ε相氧化镓层极化场作用下被耗尽；当所述ε相氧化镓层的自发极化方向在外加电场下发生翻转，自发极化与所述氮化镓层相同时，由于在ε相氧化镓势垒层的强极化场作用下，所述氮化镓铝层导带向下弯曲，所述氮化镓铝/氮化镓异质结构界面二维电子气浓度增大。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在制作得到所述氮化镓铝/氮化镓异质结构后，使用干法刻蚀方法对所述氮化镓铝/氮化镓异质结构进行器件隔离并制作得到漏极和源极，所述源极和漏极穿过所述氮化镓铝层并沉积形成在所述氮化镓层上表面与所述氮化镓铝/氮化镓异质结构形成欧姆接触；
在制作得到所述ε相氧化镓层后，在所述ε相氧化镓层表面制作得到栅极，所述栅极与所述ε相氧化镓层形成肖特基接触。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述在所述氮化镓铝层上制作ε相氧化镓层，包括：
使用乙酰丙酮镓为镓源、使用Mist-CVD方法在所述氮化镓铝/氮化镓异质结构上沉积所述ε相氧化镓层。
10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述在所述氮化镓铝层上制作ε相氧化镓层，包括：
使用氯化镓和氧气为前驱体、使用HVPE方法在所述氮化镓铝/氮化镓异质结构上沉积所述ε相氧化镓层。
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