CN112802893A - 双栅极氮化镓mis-hemt器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双栅极氮化镓MIS‑HEMT器件及其制备方法，该双栅极氮化镓MIS‑HEMT器件包括衬底和依次设置在所述衬底上的GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层、电子储存层和钝化层，在所述GaN沟道层和AlGaN势垒层的有源区上设有源电极、漏电极和第一栅极，用于调控所述电子储存层中的电子；所述AlGaN势垒层上设有凹槽，所述凹槽上设有第二栅极，用于控制沟道。该双栅极氮化镓MIS‑HEMT器件及其制备方法通过双栅结构对电子储存层充放电从而达到调控氮化镓阈值的办法。
Description
技术领域
本发明涉及一种双栅极氮化镓MIS-HEMT器件及其制备方法，属于半导体器件制备领域。
背景技术
传统的增强型器件使用的是氟离子注入，PGaN和凹槽栅等方式实现的，但这几种增强型器件都有缺陷，并且器件的阈值在使用中是不可控的。
由于压电极化效应，在GaN和AlGaN的界面上存在2DEG，基于AlGaN/GaN的HEMT具有耗尽型的特性，即栅极偏压为零时，晶体管处于常开的状态。这使得HEMT作为功率器件有很大的隐患，形成增强型晶体管成为了研究的热点。目前传统的增强型晶体管主要使用的方法是氟离子注入(implanted gate structure)，P型GaN栅极(pGaN gate structure)和凹槽栅(recessed gate structure)等方式，但这几种增强型器件都有缺陷：
(1)P型GaN栅极
首先，对于具有肖特基栅极接触的p-GaN栅极HEMT，p-GaN层是“浮动区域(floating region)”，没有直接连接到任何电极。当对晶体管施加很高的漏极偏压时，由于2DEG的耗尽，漏极-栅极的区域会产生固定的净正电荷。p-GaN层中存储的一部分负电荷与这些正电荷配对，这将导致在开关切换期间阈值的正偏移。
其次，栅极承受电压和电压摆幅(约3-4V)存在明显的问题。另外，由于技术限制，不能获得高质量的P型GaN材料的高掺杂浓度。
(2)氟离子注入
首先，基于氟离子注入的晶体管的阈值不超过1V，这对于电力电子的应用是一个很大的限制因素。
其次，氟离子注入会破坏AlGaN/GaN的界面特性，并且使得HEMT在高温下会有严重的性能退化，造成一定的不稳定因素。
(3)凹槽栅
部分或者完成的刻蚀掉栅极下的AlGaN可以有效的调控阈值的大小。但如果将AlGaN完全刻蚀掉，会造成2DEG通道上的不可控损坏，从而会导致输出电流密度相对较低。另一方面，如果刻蚀掉部分的AlGaN，阈值有可能太小甚至小于零。
中国专利CN102709322A提出的使用等离子体浸没，离子注入或者含离子气氛沉积等方法将F离子或者Cl离子注入到固定电荷层薄膜的方法。这种方法的原理是使用注入的固定负电荷的电场排斥2DEG沟道中的电子，从而实现增强型器件。这种方法的缺点是：a.固定电荷的电荷量不容易控制b.离子注入后没有退火修复损伤，薄膜的可靠性下降c.引入F和Cl离子，有可能造成离子污染。
中国专利CN110648914A提出的双栅结构，在栅极和漏极之间增加一个栅极用来提升晶体管的耐压能力和漏极电流。这种方法有一定的缺陷：第二个栅下还是采用了刻蚀AlGaN的方法来改变电场的分布，这种方法会破坏2DEG沟道，使得漏极的饱和电流受到了限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双栅极氮化镓MIS-HEMT器件及其制备方法，通过双栅结构对电子储存层充放电从而达到调控氮化镓阈值的办法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种双栅极氮化镓MIS-HEMT器件，包括衬底和依次设置在所述衬底上的GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层、电子储存层和钝化层，在所述GaN沟道层和AlGaN势垒层的有源区上设有源电极、漏电极和第一栅极，用于调控所述电子储存层中的电子；所述AlGaN势垒层上设有凹槽，所述凹槽上设有第二栅极，用于控制沟道。
进一步地，所述第一栅极与所述AlGaN势垒层上形成欧姆接触或肖特基接触。
进一步地，所述源电极和漏电极分别设置在所述GaN沟道层和AlGaN势垒层的两侧，所述第一栅极设置在所述源电极和第二栅极之间。
进一步地，所述第一栅极为Ti/Al/Ni/TiN的金属叠层。
进一步地，所述第二栅极为Ni/TiN的金属叠层。
进一步地，所述电子储存层为Al2O3/ZrO2/Al2O3层。
进一步地，所述钝化层选自SiO2、SiON、Si3N4、Al2O3、ZrO2、HfO2、AlON、AlN中一种或多种。
本发明还提供一种所述的双栅极氮化镓MIS-HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、在衬底上使用生长出所述GaN沟道层和AlGaN势垒层；
S2、在所述GaN沟道层和AlGaN势垒层的结构上进行台面隔离，刻蚀出有源区；
S3、将金属叠层沉积在有源区上，从而形成源电极、漏电极和第一栅极；
S4、在所述AlGaN势垒层上刻蚀出凹槽，并在所述AlGaN势垒层上生长Al2O3/ZrO2/Al2O3层；
S5、在所述Al2O3/ZrO2/Al2O3层上沉积钝化层，再所述凹槽上沉积第二栅极。
进一步地，步骤S3中，使用电子束蒸发或者磁控溅射把金属叠层沉积在所述有源区上，并在500℃～1000℃的氮气或者氩气氛围中退火30s～300s使金属与有源区形成欧姆接触。
进一步地，步骤S4中，在所述刻蚀过程中，刻蚀深度为8nm～21nm，保留的所述AlGaN势垒层的厚度为2nm～15nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、相比于传统的凹槽栅，本方法由于保存了2DEG沟道，使得器件具有很大的迁移率和电流，器件可以在大功率的工况下工作；
2、相比于使用F和Cl离子注入到介电层中，本方法没有破坏介电层，使得器件有更高的栅极耐压能力(大于15V)；
3、通过第一栅极和第二栅极对Al2O3/ZrO2/Al2O3层(电子储存层)进行调控，器件可以实现对于阈值编程的能力。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明一实施例所示的双栅极氮化镓MIS-HEMT器件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
需要说明的是：本发明的“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等用语只是参考附图对本发明进行说明，不作为限定用语。
如图1所示，本发明一实施例所示的双栅极氮化镓MIS-HEMT器件包括由下至上的硅衬底1、GaN缓冲层2、GaN沟道层3、AlGaN势垒层4、Al2O3/ZrO2/Al2O3层5(电子储存层5)和钝化层6。其中，在GaN沟道层3和AlGaN势垒层4的两侧分别设置有源电极7和漏电极8，在AlGaN势垒层4上设有第一栅极10和第二栅极11，其中，第一栅极10与双栅极氮化镓MIS-HEMT器件形成欧姆接触或肖特基接触，第二栅极11设置在AlGaN势垒层4中的凹槽上，且第一栅极10设置在源电极7和第二栅极11之间。具体的，在AlGaN势垒层4上刻蚀出凹槽41，本实施例中，设有凹槽41处的AlGaN势垒层4的厚度为2nm～15nm，其余地方的的厚度为23nm。
本实施例中，Al2O3/ZrO2/Al2O3层5的厚度分别为1～20nm/1～20nm/1～20nm。钝化层6选自SiO2、SiON、Si3N4、Al2O3、ZrO2、HfO2、AlON、AlN中一种或多种，厚度为10nm～300nm，其为现有结构，不详细说明。漏电极8和源电极7为Ti/Al/Ni/TiN的金属叠层，厚度分别为22.5nm/90nm/60nm/60nm。第一栅极10为Ti/Al/Ni/TiN的金属叠层，厚度分别为22.5nm/90nm/60nm/60nm，第二栅极11为Ni/TiN的金属叠层，厚度为50nm/100nm。
本实施例的双栅极氮化镓MIS-HEMT器件采用双栅结构，第一栅极10与器件(AlGaN势垒层4)为欧姆接触或肖特基接触，用于释放电子储存层中的电子；第二栅极11是凹槽栅，用于栅控。形成凹槽栅(第二栅极11)采用部分凹槽刻蚀，去除掉栅极下部分的AlGaN势垒层4并保留一定的沟道，使得在保证2DEG沟道不被破坏的前提下，阈值接近于0。同时，在第二栅极11下采用原子层沉积(ALD)的方法沉积Al2O3/ZrO2/Al2O3层可以有效的积累电子并调控阈值。
本发明的双栅极氮化镓MIS-HEMT器件在使用中可以调控不同阈值，当第一栅极10为负压或者0V，第二栅极11施加正压(或施加一个正压的脉冲)电子储存介电层中会存在电子，器件就会呈现增强型的特性；当第一栅极10为正压(或施加一个正压的脉冲)，电子储层介电层中的电子会通过电场的作用漂移丢失，器件会呈现耗尽型的特性。
本实施例的双栅极氮化镓MIS-HEMT器件采用以下方法制备：
1)在硅衬底上使用MOCVD外延出GaN沟道层和AlGaN势垒层；
2)在AlGaN/GaN结构上使用ICP或者RIE或者PE进行台面隔离，刻蚀出有源区；
3)使用电子束蒸发或者磁控溅射把金属叠层沉积在有源区上，并在500℃～1000℃的氮气或者氩气氛围中退火30s～300s形成欧姆接触，从而形成源极电极，漏极电极和第一栅极；
4)使用ICP或者RIE或者PE进行栅极下凹槽刻蚀，刻蚀深度为8nm～21nm，从而保留的AlGaN的厚度为2nm～15nm；
5)使用ALD或者PEALD生长Al2O3/ZrO2/Al2O3层,厚度分别为1～20nm/1～20nm/1～20nm；
6)使用PECVD或者LPCVD或者ICPCVD设备沉积钝化层，温度为0℃～1000℃；
7)通过电子束蒸发或者磁控溅射在被刻蚀的栅凹槽上沉积Ni/TiN，从而形成第二栅极。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种双栅极氮化镓MIS-HEMT器件，其特征在于，包括衬底和依次设置在所述衬底上的GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层、电子储存层和钝化层，在所述GaN沟道层和AlGaN势垒层的有源区上设有源电极、漏电极和第一栅极，用于调控所述电子储存层中的电子；所述AlGaN势垒层上设有凹槽，所述凹槽上设有第二栅极，用于控制沟道。
2.如权利要求1所述的双栅极氮化镓MIS-HEMT器件，其特征在于，所述第一栅极与所述AlGaN势垒层上形成欧姆接触或肖特基接触。
3.如权利要求2所述的双栅极氮化镓MIS-HEMT器件，其特征在于，所述源电极和漏电极分别设置在所述GaN沟道层和AlGaN势垒层的两侧，所述第一栅极设置在所述源电极和第二栅极之间。
4.如权利要求1至3中任一项所述的双栅极氮化镓MIS-HEMT器件，其特征在于，所述第一栅极为Ti/Al/Ni/TiN的金属叠层。
5.如权利要求1所述的双栅极氮化镓MIS-HEMT器件，其特征在于，所述第二栅极为Ni/TiN的金属叠层。
6.如权利要求1所述的双栅极氮化镓MIS-HEMT器件，其特征在于，所述电子储存层为Al2O3/ZrO2/Al2O3层。
7.如权利要求1所述的双栅极氮化镓MIS-HEMT器件，其特征在于，所述钝化层选自SiO2、SiON、Si3N4、Al2O3、ZrO2、HfO2、AlON、AlN中一种或多种。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的双栅极氮化镓MIS-HEMT器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在衬底上使用生长出所述GaN沟道层和AlGaN势垒层；
S2、在所述GaN沟道层和AlGaN势垒层的结构上进行台面隔离，刻蚀出有源区；
S3、将金属叠层沉积在有源区上，从而形成源电极、漏电极和第一栅极；
S4、在所述AlGaN势垒层上刻蚀出凹槽，并在所述AlGaN势垒层上生长Al2O3/ZrO2/Al2O3层；
S5、在所述Al2O3/ZrO2/Al2O3层上沉积钝化层，在所述凹槽上沉积第二栅极。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，使用电子束蒸发或者磁控溅射把金属叠层沉积在所述有源区上，并在500℃～1000℃的氮气或者氩气氛围中退火30s～300s使金属与有源区形成欧姆接触。
10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中，在所述刻蚀过程中，刻蚀深度为8nm～21nm，保留的所述AlGaN势垒层的厚度为2nm～15nm。
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|---|---|---|---|---|
| CN114284355A (zh) * | 2021-12-27 | 2022-04-05 | 西交利物浦大学 | 双栅极mis-hemt器件、双向开关器件及其制备方法 |
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- 2021-01-15 CN CN202110054671.6A patent/CN112802893A/zh active Pending
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