CN111916493A - 一种用于铁电栅GaN基增强型HEMT器件的异质结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于铁电栅GaN基增强型HEMT器件的异质结构及其制备方法，所述异质结构包括：AlGaN/GaN/Si异质结半导体衬底，以及依次生长在所述AlGaN/GaN/Si异质结半导体衬底中AlGaN层表面的MgO外延薄膜界面层和BaTiO3铁电薄膜栅介质。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁电栅GaN基增强型高电子迁移率晶体管器件及其制备技术，具体涉及一种用于铁电栅GaN基增强型HEMT器件的异质结构及其制备方法，属于半导体器件技术领域。
背景技术
氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料，其相对于传统半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的饱和电子漂移速度、更大的临界击穿电场强度等诸多优势，更加适合于高频、高速、高温、大功率和高密度集成电子器件应用。由于AlGaN/GaN异质结界面自发形成高迁移率和高浓度二维电子气(2DEG)，基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)已应用于高功率电子器件、高频微波器件等领域。
由于AlGaN/GaN异质结界面自发形成2DEG，故所制备的GaN基HEMT器件为耗尽型器件(D-HEMT)。为了降低HEMT器件功率损耗、提高器件系统安全性、降低系统控制复杂度和实现GaN基数字集成电路，研制基于界面耗尽电子气AlGaN/GaN异质结的增强型HEMT器件(E-HEMT)具有重要的应用价值。目前，虽然已有一些技术应用于制备E-HEMT器件，如凹栅技术、氟离子注入、添加p-GaN盖帽层等。然而，上述方法制备工艺复杂、具有各自的固有缺陷且制备的E-HEMT器件阈值电压较低。
采用铁电薄膜作为极化栅介质与AlGaN/GaN基HEMT器件集成，开发铁电场效应增强型高电子迁移率晶体管(MFSHEMT)是极具潜力的发展方向。其原理是利用铁电薄膜的铁电极化场效应，耗尽AlGaN/GaN界面2DEG，实现E-HEMT器件。其相对于传统方法具有诸多优势。由于铁电薄膜的强铁电极化场效应，MFSHEMT可具有更高的阈值电压。由于界面2DEG导电通道的非破坏性，MFSHEMT可具有更加优异的电学输运特性。同时，利用铁电极化翻转调控AlGaN/GaN异质结界面2DEG对于开发GaN基非挥发性存储器件具有重要的研究意义。
目前，主要有LiNbO3(LNO)铁电薄膜(Hao L,Zhu J,Luo W,et al.Epitaxialfabrication and memory effect of ferroelectric LiNbO3 film/AlGaN/GaNheterostructure[J].Applied Physics Letters,2009,95(23):232907.)和PbZr0.52Ti0.48O3(PZT)铁电薄膜(Li L,Liao Z,Gauquelin N,et al.Epitaxial Stress-Free Growth of High Crystallinity Ferroelectric PbZr0.52Ti0.48O3 on GaN/AlGaN/Si(111)Substrate[J].Advanced Materials Interfaces,2018,5(2):1700921.)集成于AlGaN/GaN异质结并构筑MFSHEMT器件。然而，由于集成的LNO薄膜以及PZT薄膜生长质量、介电特性、铁电特性及其界面状态较差，故所制备的MFSHEMT器件阈值电压较低且电学特性不稳定。
发明内容
针对上述问题，本发明的基于材料体系及结构体系的设计，目的在于提供一种用于铁电栅GaN基增强型HEMT器件的异质结结构及其制备方法。
一方面，本发明提供了一种用于铁电栅GaN基增强型HEMT器件的异质结构，所述异质结构包括：AlGaN/GaN/Si异质结半导体衬底，以及依次生长在所述AlGaN/GaN/Si异质结半导体衬底中AlGaN层表面的MgO外延薄膜界面层和BaTiO3铁电薄膜栅介质。
在本发明中用于铁电栅GaN基增强型HEMT器件的异质结构为BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结材料结构体系，其由依次生长在AlGaN/GaN/Si异质结半导体衬底表面的超薄MgO外延薄膜界面层和BaTiO3铁电薄膜栅介质构成。其中MgO外延薄膜界面层具有较大的禁带宽度，适合作为半导体器件中的栅极材料。另外，MgO外延薄膜界面层与AlGaN/GaN/Si异质结半导体衬底中AlGaN层和BaTiO3铁电薄膜栅介质均具有良好的晶格匹配。因此，MgO外延薄膜界面层能在AlGaN/GaN/Si异质结衬底上外延生长的同时能够诱导BaTiO3铁电薄膜的高质量集成，使得所构筑的异质结具有良好的界面状态。而且，BaTiO3具有优异的铁电特性以及高介电特性，故其作为铁电栅介质对于异质结界面2DEG具有良好的控制特性。
较佳地，所述MgO外延薄膜界面层的厚度为1～3nm，且沿[111]方向外延生长。若MgO外延薄膜界面层的厚度过薄，则不能起到缓冲层和界面氧化阻挡层的作用。若MgO外延薄膜界面层的厚度过厚，则会一定程度上屏蔽铁电极化对于AlGaN/GaN异质结界面2DEG的调控作用，削弱异质结的阈值电压。而且，若不制备MgO缓冲层，则直接生长在AlGaN/GaN异质结上的BTO铁电薄膜为柱状晶结构，质量很差，铁电性能很弱，无法实现对于AlGaN/GaN异质结界面2DEG的调控，阈值电压较低。同时，由于BTO在氧气氛围下生长，若无MgO作为氧化阻挡层，则AlGaN/GaN异质结表面还会被氧化或者与BTO发生扩散反应，降低异质结整体的电学特性。
较佳地，所述BaTiO3铁电薄膜栅介质的厚度为50～250nm。
较佳地，所述AlGaN/GaN/Si异质结半导体衬底为(0002)AlGaN层/GaN层/Si外延片。
又，较佳地，所述AlGaN层的化学组成为AlxGa1-xN，x为0.20～0.30，厚度为10nm～20nm；所述GaN层的厚度为1μm～2μm。
另一方面，本发明提供了一种如上述的用于铁电栅GaN基增强型HEMT器件的异质结构的制备方法，包括：
(1)以MgO单晶块体为靶材，采用脉冲激光沉积技术在AlGaN/GaN/Si异质结半导体衬底的AlGaN层表面生长所述MgO外延薄膜界面层；
(2)以BaTiO3陶瓷块体为靶材，采用脉冲激光沉积技术在MgO外延薄膜界面层表面生长BaTiO3铁电薄膜栅介质，得到所述用于铁电栅GaN基增强型HEMT器件的异质结构。
较佳地，步骤(1)中，所述脉冲激光沉积技术的参数包括：腔体真空度抽至≤2×10-4Pa；沉积温度为：630～680℃；沉积氧压≤2×10-4Pa；激光能量密度为：3～5J/cm2；沉积速率为0.1～0.2nm/分钟。
较佳地，步骤(2)中，所述脉冲激光沉积技术的参数包括：沉积温度为：680～750℃；沉积氧压为：0.5～5Pa；激光能量密度为：1～3J/cm2；沉积速率为0.5～1nm/分钟。
有益效果：
本发明提供了一种用于铁电栅GaN基增强型HEMT器件的BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结结构及其制备方法。在所设计的异质结中利用BaTiO3铁电栅介质中的铁电极化效应可实现对于AlGaN/GaN界面2DEG的完全耗尽，故该异质结中具有较高的阈值电压。同时，通过改变BaTiO3铁电栅介质中极化状态可实现异质结中阈值电压的连续正向可调。例如，通过调节BaTiO3薄膜栅介质中的铁电极化状态可完全耗尽AlGaN/GaN界面二维电子气，可使得上述异质结由耗尽型向增强型转变，异质结阈值连续正向可调且最高可达+3.2V。故本发明中所构筑的BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结可用于制备高性能铁电极化栅增强型GaN基HEMT器件。因此，以该异质结为基础，可制备出具有高阈值电压的增强型HEMT器件，对于开发GaN基高性能功率电子器件具有重要的应用价值。
附图说明
图1为实施例1中制备的BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结的各层薄膜的表面反射高能电子衍射(RHEED)图谱；
图2为实施例1中制备的BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Buffer/Si异质结的高分辨X射线衍射(HRXRD)图谱；
图3为实施例1中制备的BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结的断面高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像；
图4为实施例1中制备的BaTiO3薄膜的表面原子力显微镜(AFM)形貌图像；
图5为实施例1中制备的Pt/BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si和Pt/AlGaN/GaN/Si异质结电容-电压(C-V)特性曲线；
图6为实施例1中制备的BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结的压电力显(PFM)图像；
图7为实施例1中制备的BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结的电学特性调控示意图；
图8为实施例1中制备的BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结在不同外加极化电压下的C-V特性曲线；
图9为实施例1中制备的BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结的阈值电压随外加极化电压的变化曲线；
图10示出本发明的用于铁电栅GaN基增强型HEMT器件的异质结构的结构示意图。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
在本公开中，通过材料体系及结构体系的设计制备得到BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结结构(参见图10)。具体来说，以MgO外延薄膜界面层为基础诱导BaTiO3铁电薄膜栅介质在AlGaN/GaN/Si异质结半导体衬底(AlGaN/GaN/Si高电子迁移率晶体管(HEMT)异质结半导体衬底)表面高质量集成，构筑BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结构，实现了高性能铁电薄膜在AlGaN/GaN异质结上的高质量集成，以及铁电极化场对AlGaN/GaN界面2DEG的完全耗尽，且以该异质结为基础可用于制备铁电栅GaN基增强型HEMT器件。
在可选的实施方式中，AlGaN/GaN/Si异质结半导体衬底可为(0002)AlxGa1-xN层/GaN层/缓冲层(Buffer)/Si外延片。AlxGa1-xN层中Al组分含量x可为0.20～0.30。其中，AlxGa1-xN层的厚度可为10nm～20nm。GaN层的厚度可为1μm～2μm。
在可选的实施方式中，所述MgO外延薄膜界面层的厚度可为1～3nm，且沿[111]方向外延生长。
在可选的实施方式中，所述BaTiO3铁电薄膜栅介质的厚度为50～250nm。
在本发明一实施方式中，采用脉冲激光沉积(PLD)方法依次AlGaN/GaN/Si异质结衬底上生长MgO外延薄膜界面层和BaTiO3铁电薄膜栅介质，以构成BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结。
MgO外延薄膜界面层制备。以MgO单晶块体为靶材，采用脉冲激光沉积(PLD)技术在在AlGaN/GaN/Si异质结衬底上生长MgO薄膜(MgO外延薄膜界面层)，得到MgO/AlGaN/GaN/Si异质结。首先将PLD薄膜沉积系统真空度抽至≤2×10-4Pa，以升温速率8～10℃/分钟加热衬底至630～680℃。通过PLD方法在AlGaN/GaN/Si异质结衬底上生长MgO薄膜的参数包括：沉积温度为：630～680℃；沉积氧压为：背底真空(≤2×10-4Pa)；激光能量密度为：3～5J/cm2；沉积速率为0.1～0.2nm/分钟。所沉积的MgO外延界面薄膜层的厚度可为1～3nm。
BaTiO3铁电薄膜栅介质的制备。以BaTiO3陶瓷块体为靶材料，采用PLD方法在MgO/AlGaN/GaN/Si异质结的MgO外延薄膜界面层上生长BaTiO3薄膜(BaTiO3铁电薄膜栅介质)。首先以升温速率8～10℃/分钟加热衬底至680～750℃。通过PLD技术生长BaTiO3铁电薄膜的参数包括：沉积温度为：680～750℃；沉积氧压为：0.5～5Pa；激光能量密度为：1～3J/cm2；沉积速率为0.5～1nm/分钟。所生长的BaTiO3铁电薄膜厚度为50～250nm。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
MgO外延薄膜界面层制备。本发明以MgO单晶块体为靶材，所选用的半导体衬底为(0002)Al0.22Ga0.78N/GaN/Buffer/Si外延片。首先将PLD薄膜沉积系统真空度抽至≤2×10- 4Pa(背底真空)，以升温速率10℃/分钟加热衬底至650℃。通过PLD方法在AlGaN/GaN/Si异质结衬底上生长MgO薄膜的参数包括：沉积温度为：650℃；沉积氧压为：保持背底真空≤2×10-4Pa；激光能量密度为：4J/cm2；沉积速率为0.1nm/分钟。所沉积的MgO界面层薄膜厚度为1.2nm。
BaTiO3铁电薄膜栅介质制备。本发明以BaTiO3陶瓷块体为靶材，采用PLD方法在MgO/AlGaN/GaN/Si异质结上生长BaTiO3铁电薄膜栅介质。以升温速率10℃/分钟加热衬底至700℃。通过PLD技术生长BaTiO3铁电薄膜的参数包括：沉积温度为：700℃；沉积氧压为：2Pa；激光能量密度为：1.5J/cm2；沉积速率为0.8nm/分钟。所生长的BaTiO3铁电薄膜厚度为225nm。
BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结结构表征。图1中(a)、(b)和(c)分别为BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结中AlGaN/GaN/Si半导体衬底、MgO外延薄膜界面层和BaTiO3铁电薄膜的RHEED图谱，分析可知MgO外延薄膜界面层在衬底上沿[111]方向层状生长，并诱导BaTiO3铁电薄膜沿着[111]方向择优取向生长。图2为BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结HRXRDθ-2θ图谱，分析可知BaTiO3铁电薄膜沿着(111)方向择优取向生长。图3为BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结HRTEM图像(右侧为放大图)，MgO和BaTiO3厚度分别约为1.2nm和225nm，薄膜结构致密且BaTiO3/MgO/AlGaN界面状态良好。图4为BaTiO3薄膜表面AFM图像，其表面方均根粗糙度为0.764nm，表面平整。综上所述，所制备的BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结结晶性、微结构和界面状态优良。
BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结电学特性表征。利用孔径为180μm掩模版，采用PLD方法在BaTiO3薄膜表面溅射小圆形Pt上电极，在AlGaN/GaN/Si衬底上溅射3×10mm的大面积Pt下电极，以上述上电极和下电极为基础测试异质结电学特性。同时作为对比，在未生长MgO和BaTiO3薄膜的AlGaN/GaN/Si衬底上分别直接溅射上述上下电极，测试电学特性。图5为Pt/BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结和Pt/AlGaN/GaN/Si异质结电容-电压(C-V)特性曲线，测试频率为500Hz。相对于Pt/AlGaN/GaN/Si异质结，生长BaTiO3薄膜后的Pt/BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结阈值电压直接由-2.5V提高到-0.4V。图6为BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结未加载外加极化的PFM图像，其压电响应信号均为正值且中值统计分布为41.8mV，分析可知在AlGaN/GaN/Si异质结上集成的BaTiO3薄膜具有自发向上铁电极化特征，从而直接提高了异质结中阈值电压。
BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结电学特性调控。由于BaTiO3薄膜具有铁电特性，通过调控BaTiO3薄膜铁电极化状态可进一步调控BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结中阈值电压。首先通过铁电测试的过程加载脉冲三角波电压信号改变BaTiO3薄膜铁电极化状态，再切换到C-V测试表征BaTiO3薄膜铁电极化状态的改变对于异质结中阈值电压的调控作用。其中测试结构如图7所示，C-V测试频率为500Hz且加载外加电压信号过程为：0V→4V→0V→-4V→0V。如图8中(a)、(b)和(c)所示，当外加极化电压分别为0V、12V和24V时，异质结阈值电压逐渐由负值变为正值。因此，通过调控BaTiO3薄膜铁电极化状态可实现该异质结由耗尽型转变为增强型。图9为异质结阈值电压随外加极化电压的变化曲线，分析可知通过调节BaTiO3薄膜的铁电极化状态可实现异质结中阈值电压由-0.4V到+3.2V的连续调控。
通过调节BaTiO3薄膜铁电极化状态，可在所设计的BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si异质结中实现高达+3.2V的阈值电压，同时BaTiO3薄膜具有高介电特性可以抑制器件中的栅极漏电流，故所设计BaTiO3/MgO/AlGaN/GaN/Si可用于制备高性能GaN基增强型HEMT器件。
Claims (8)
1.一种用于铁电栅GaN基增强型HEMT器件的异质结构，其特征在于，所述异质结构包括：AlGaN/GaN/Si异质结半导体衬底，以及依次生长在所述AlGaN/GaN/Si异质结半导体衬底中AlGaN层表面的MgO外延薄膜界面层和BaTiO3铁电薄膜栅介质。
2.根据权利要求1所述的异质结构，其特征在于，所述MgO外延薄膜界面层的厚度为1～3 nm，且沿 [111] 方向外延生长。
3.根据权利要求1或2所述的异质结构，其特征在于，所述BaTiO3铁电薄膜栅介质的厚度为50～250 nm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的异质结构，其特征在于，所述AlGaN/GaN/Si异质结半导体衬底为(0002) AlGaN层/GaN层/Si外延片。
5.根据权利要求4所述的异质结构，其特征在于，所述AlGaN层的化学组成为AlxGa1-xN，x为0.20～0.30，厚度为10 nm～20 nm；所述GaN层的厚度为1μm～2μm。
6.一种如权利要求1-5任一项所述用于铁电栅GaN基增强型HEMT器件的异质结构的制备方法，其特征在于，包括：
（1）以MgO单晶块体为靶材，采用脉冲激光沉积技术在AlGaN/GaN/Si异质结半导体衬底的AlGaN层表面生长所述MgO外延薄膜界面层；
（2）以BaTiO3陶瓷块体为靶材，采用脉冲激光沉积技术在MgO外延薄膜界面层表面生长BaTiO3铁电薄膜栅介质，得到所述用于铁电栅GaN基增强型HEMT器件的异质结构。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述脉冲激光沉积技术的参数包括：腔体真空度抽至≤2×10-4 Pa；沉积温度为：630～680 ℃；沉积氧压≤2×10-4Pa；激光能量密度为：3～5 J/cm2；沉积速率为0.1～0.2 nm/分钟。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述脉冲激光沉积技术的参数包括：沉积温度为：680～750 ℃；沉积氧压为：0.5～5 Pa；激光能量密度为：1～3J/cm2；沉积速率为0.5～1 nm/分钟。
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