CN112951911A - 增强型GaN基高电子迁移率晶体管及其制备方法 - Google Patents
增强型GaN基高电子迁移率晶体管及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112951911A CN112951911A CN202110403925.0A CN202110403925A CN112951911A CN 112951911 A CN112951911 A CN 112951911A CN 202110403925 A CN202110403925 A CN 202110403925A CN 112951911 A CN112951911 A CN 112951911A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gan
- layer
- electron mobility
- high electron
- based high
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 47
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 35
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 28
- QZQVBEXLDFYHSR-UHFFFAOYSA-N gallium(III) oxide Inorganic materials O=[Ga]O[Ga]=O QZQVBEXLDFYHSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 13
- AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N digallium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Ga+3] AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910001195 gallium oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 33
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 13
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 10
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 9
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 7
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 5
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 5
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 claims description 5
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 4
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 4
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N sulfuric acid Substances OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 claims description 4
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 4
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 3
- 230000008439 repair process Effects 0.000 claims description 3
- 238000004151 rapid thermal annealing Methods 0.000 claims description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract description 7
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 4
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 abstract description 2
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 105
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 5
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 3
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 229910015844 BCl3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 125000001475 halogen functional group Chemical group 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FAQYAMRNWDIXMY-UHFFFAOYSA-N trichloroborane Chemical compound ClB(Cl)Cl FAQYAMRNWDIXMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/0603—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions
- H01L29/0607—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
- H01L29/0611—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
- H01L29/2003—Nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
- H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
- H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
- H01L29/66409—Unipolar field-effect transistors
- H01L29/66446—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET]
- H01L29/66462—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET] with a heterojunction interface channel or gate, e.g. HFET, HIGFET, SISFET, HJFET, HEMT
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
本发明公开了一种增强型GaN基高电子迁移率晶体管，自下而上依次包括：一衬底层；一GaN缓冲层；一AlGaN势垒层；一p‑GaN层；一Ga2O3层，长宽与p‑GaN层保持一致；源电极和漏电极，设置在AlGaN势垒层上；栅电极，设置在Ga2O3层上，长宽与Ga2O3层保持一致，将源电极和漏电极间隔开。并公开了其制备方法。本发明的HEMT器件结构中，由于GaN料的自发极化和压电极化效应，GaN和AlGaN层之间会形成2DEG；在零偏压时，p‑GaN层能够耗尽上述沟道中的2DEG，使器件得到增强型性能；氧化镓与p‑GaN在栅下形成p‑n结，与栅极共同调控沟道载流子。本发明的有益效果如下：提高器件的正向阈值电压；提高器件的栅极击穿电压；降低器件的关态漏电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种增强型GaN基高电子迁移率晶体管及其制备方法，属于半导体器件技术领域。
背景技术
III族氮化物半导体材料是第三代半导体材料，具有禁带宽度大、电子饱和速度高、且耐高温、耐高压、抗辐射等优良特性，是制备电力电子器件的理想材料。GaN基高迁移率晶体管(HEMT)比基于Si、GaAs材料的电力电子器件在高温、高频、大功率领域具有更广阔的应用前景。AlGaN/GaN异质结是GaN基HEMT器件的基本结构，由于GaN材料独特的自发极化和压电极化效应，GaN基HEMT器件沟道处天然存在高浓度的二维电子气(2DEG)。因此传统的GaN基HEMT器件在为加电压时就存在电流，工作电压为负值，是耗尽型(常开型)器件。而为了简化后期栅极驱动电路设计的复杂程度，降低成本，工业界更需要增强型(常关型)器件。实现增强型器件的原理在于耗尽AlGaN/GaN异质结处的2DEG，通过工艺技术手段，目前有多种方法可以实现。其中在栅极下长一层p-GaN这种方法工艺可控性强，能够大规模重复生产，是目前工业界最常采用的增强型方法。但是GaN材料在生长过程中不可避免存在缺陷，这些缺陷会影响HEMT器件的性能。传统p-GaN栅结构HETM器件的阈值电压较低，栅极击穿电压有提升空间，且由于缺陷的存在，会存在关态漏电流，从而降低器件性能。氧化镓(Ga2O3)材料是一种超宽禁带半导体材料，且能够转移到GaN材料上，为GaN基HEMT器件提供新结构的可能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增强型GaN基高电子迁移率晶体管，可提高器件阈值电压和栅极击穿电压，降低器件的关态栅极漏电流，提高器件性能。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种增强型GaN基高电子迁移率晶体管，其结构自下而上依次包括：
一衬底层；
一GaN缓冲层；
一AlGaN势垒层；
一p-GaN层；
一Ga2O3层，长宽与p-GaN层保持一致，完全覆盖在p-GaN层上方；
源电极和漏电极，设置在AlGaN势垒层上；
栅电极，设置在Ga2O3层上，长宽与Ga2O3层保持一致，且设置在所述源电极和漏电极之间，将源电极和漏电极间隔开。
优选的，p-GaN层的厚度为在零偏压条件下，耗尽GaN缓冲层和AlGaN势垒层之间形成的高密度的二维电子气。
优选的，还包括SiN钝化层，所述SiN钝化层设置于晶体管表面。
优选的，所述栅电极为条形栅电极。
优选的，所述栅电极为环形栅电极。
优选的，所述GaN缓冲层厚度为1～5μm；AlGaN势垒层厚度为15～25nm，Al组分0.2-0.3之间；p-GaN层厚度为40-70nm，其中Mg掺杂浓度为1*1018～1*1019cm-3；Ga2O3层厚度为3～7nm。
本发明还公开了上述的增强型GaN基高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于其步骤包括：
(1)在衬底层上依次生长GaN缓冲层、AlGaN势垒层，p-GaN层；
(2)将剥离下来的氧化镓层转移到以上结构的p-GaN/AlGaN/GaN样品的p-GaN层上；其中氧化镓层的生长和剥离方法为现有技术，可以参考文献3和4；
(3)将非栅区域的Ga2O3层及p-GaN层刻蚀去除，露出AlGaN势垒层；
(4)在AlGaN势垒层上蒸镀金属，之后进行快速热退火，使金属与GaN层形成欧姆接触，得到源电极和漏电极；
(5)栅极区域蒸镀金属，并与Ga2O3层形成肖特基接触，得到栅电极；
优选的，还包括步骤(6)和步骤(7)：
(6)用PECVD在晶体管表面生长SiN钝化层；
(7)采用RIE法刻蚀出源电极、漏电极和栅电极窗口。
优选的，完成步骤(2)之后，对器件进行清洗后再刻蚀。
优选的，清洗具体为将器件放入浓硫酸和双氧水混合液中浸泡，然后放入氨水和双氧水混合液中水浴加热浸泡，再放入KOH和双氧水混合液中浸泡，去离子水清洗，然后依次置于丙酮、乙醇中超声处理，最后放入去离子水中清洗，烘干。
优选的，所述步骤(3)具体为：
在器件表面生长一层SiN材料作为非栅区域的刻蚀掩膜，用光刻技术在SiN材料表面做出栅图案，然后用RIE设备刻蚀非栅区域的SiN材料，保证只有栅区域存在SiN材料；
用ICP法分步刻蚀非栅区域的Ga2O3和p-GaN材料，露出下方AlGaN势垒层材料，然后放入KOH：H2O2混合溶液中水浴加热浸泡，修复刻蚀损伤；
将器件浸泡到BOE溶液去除栅区域的SiN材料。优选的，步骤(6)中先将基片用ICP刻蚀技术进行台面隔离，然后在基片上制备源漏电极和栅电极，形成p-GaN增强型HEMT器件。
本发明的HEMT器件结构中，由于GaN料的自发极化和压电极化效应，GaN和AlGaN层之间会形成高密度的二维电子气(2DEG)；在零偏压时，p-GaN层能够耗尽上述沟道中的2DEG，使器件得到增强型性能；氧化镓与p-GaN在栅下形成p-n结，与栅极共同调控沟道载流子。
与传统增强型p-GaN栅结构GaN基HEMT器件相比，本发明的有益效果如下：
1、提高器件的正向阈值电压：氧化镓的禁带宽度(4.8eV)大于氮化镓的禁带宽度(3.4eV)，Ga2O3/p-GaN异质结，通过转移一层氧化镓在p-GaN层表面，能够调控该HEMT器件的能带结构，形成额外的势阱。
2、提高器件的栅极击穿电压：在相同正向电压下，与传统p-GaN栅结构HEMT器件相比，Ga2O3层的存在能够降低本发明设计器件栅极部分的电场强度，从而使器件能够承受更大的正向栅极电压，即提高器件的栅极击穿电压。
3、降低器件的关态漏电流：在器件未开启时，Ga2O3层的存在能够降低GaN缓冲层中的缺陷电离浓度，从而减小GaN材料中缺陷对器件关态漏电流影响。
附图说明
图1是增强型GaN基高电子迁移率晶体管的截面图。
图2是增强型GaN基高电子迁移率晶体管和传统p-GaN栅结构GaN基HEMT器件零偏压时导带和费米能级图。
图3是增强型GaN基高电子迁移率晶体管和传统p-GaN栅结构GaN基HEMT器件零偏压时施主缺陷电离浓度图。
图4是增强型GaN基高电子迁移率晶体管和传统p-GaN栅结构GaN基HEMT器件在栅极偏压为8V时的电场强度分布图。
图5为实施例2的增强型GaN基高电子迁移率晶体管的结构示意图，其中衬底未示出。
图6为实施例3的增强型GaN基高电子迁移率晶体管的俯视图。
具体实施方式
以下是结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1增强型GaN基高电子迁移率晶体管的制备方法
第一步，清洗材料。
首先将样品放入浓硫酸和双氧水(浓硫酸：双氧水＝7：3)混合液中浸泡10分钟。然后将样品放入稀释后的氨水(20％)和双氧水混合液(稀释后氨水：双氧水＝6：1)中，水浴加热10分钟，水浴温度设置为85℃。再将样品放入KOH：双氧水＝1：2的水溶液中浸泡10分钟，最后用去离子水洗净。用上述一系列酸碱等溶液对样品进行清洗可以有效除去样品表面的氧化物以及难溶于丙酮的化合物和杂质。之后再对样品进行传统的清洗步骤，先把样品放在丙酮中超声10分钟，超声功率设置为100W，用来去除样品表面的有机物杂质；然后将样品放入乙醇溶液中超声10分钟(超声功率100W)，去除残留的丙酮；最后放入去离子水中清洗，存入烘箱(110℃)中4分钟。至此，制备前的清洗步骤完成。
其中样品的结构自下而上依次包括：衬底层、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、p-GaN层。
第二步，非栅区域p-GaN层的刻蚀。
2.1.在样品表面生长200nmSiN材料用做非栅区域p-GaN刻蚀掩膜。运用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法，腔体内通SiH4/N2，生长温度为350℃，生长半个小时。运用海洋光学透射镜测试得到样品表面生长的SiN厚度为200nm。
2.2.由于栅极的尺寸较小(1μm)，因此常规的光刻不满足栅极图形的制备。运用电子束光刻，做出环形栅图形。
2.3.非栅区域SiN的刻蚀。运用反应离子刻蚀(RIE)设备刻蚀非栅区域的SiN材料，腔体中通CF4/O2(30/10sccm)，功率为150W，压强为4Pa，刻蚀时间设置为90s。由于下层GaN材料对这两种气体耐受，因此这一步骤可以稍微过刻以保证非栅区域的SiN材料被完全刻蚀。至此，只有环形栅区域存在SiN材料。
2.4.刻蚀非栅区域p-GaN材料。通过电感耦合等离子体(ICP)方法分步刻蚀Ga2O3和p-GaN材料。腔体中通Cl2/BCl3，这两种气体可以刻蚀掉GaN材料，但是不能刻蚀SiN材料，因此非栅区域的p-GaN可以被刻蚀掉。通过多次反复实验，摸索刻蚀条件，控制刻蚀时间，精确刻蚀掉Ga2O3材料和p-GaN材料。由于ICP刻蚀会损伤下方AlGaN势垒层材料，影响沟道中电子浓度，因此进行完刻蚀试验后，用KOH：H2O2溶液水浴加热浸泡，修复刻蚀损伤。至此，非栅区域的p-GaN材料都被刻蚀掉，仅有环形栅上方存在200nmSiN材料。
2.5.去除栅极上方SiN材料。将样品浸泡到BOE溶液中约10s，用来去除SiN材料，之后用去离子水清洗样品。至此，非栅区域的p-GaN材料刻蚀完毕。
第三步，制备源漏电极。
3.1.光刻源漏电极图形。光刻胶采用AZ1500，光刻、显影露出源漏电极区域。让后用去离子水洗去粘附在器件表面的光刻胶和显影液，在90℃环境下烘干4min，用来坚固光刻胶。
3.2.由于源漏电极需要在GaN层沟道电子处淀积，因此在淀积源漏金属前需要用ICP刻蚀源漏区域到达GaN层。与刻蚀p-GaN层的条件相同，改变刻蚀时间。刻蚀之后将样品浸泡在HCl溶液中，洗去样品表面的氧化物，为淀积金属做准备，提高淀积金属质量。
3.3.采用PVD电子束蒸发台在源漏区域蒸镀Ti/Al/Ni/Au(30/200/50/150nm)，之后进行将样品浸泡在丙酮中剥离源漏金属，若有些金属难以剥离，可以在低功率(20W)条件中超声一下。然后用去离子水清洗样品，烘干样品。最后在N2环境中用840℃快速高温退火30s，完成源漏电极与沟道中电子形成欧姆接触。
第四步，制备栅电极。电子束曝光形成环形栅图形，之后采用PVD电子束蒸发台在栅极区域蒸镀Ni/Au(40/100nm)，栅极与p-GaN之间为肖特基接触。
第五步，生长钝化层。为了延缓器件在空气中的使用寿命，降低表面态，抑制器件电流崩塌效应，上述步骤完成后我们在样品上生长200nmSiN，生长条件同第一步。
第六步，开介质层窗口用于测试。
6.1.曝光、显影电极(栅、源、漏)图形。为了减小套刻难度，一般这个图形可以小于电极图形。光刻胶采用AZ1500，光刻、显影、去离子水清洗，最后烘干，完成用于后期测试的电极图形。
6.2.刻蚀电极部分的SiN材料。运用RIE，条件与第一步中刻蚀条件相同，刻蚀掉用于测试的电极部分的SiN材料。
6.3.采用PVD电子束蒸发台，蒸镀200nmAu用于后期测试。至此，器件制备完成。
本实施例采用SiN材料做刻蚀p-GaN的掩膜，且先蒸镀源漏金属，再蒸镀栅金属，由于栅极制备要求肖特基接触，这种方法能够避免栅极在制备源漏电极欧姆接触退火时受到损坏。
采用环形栅结构，环形栅结构的优点有：1.栅下p-GaN高阻层用作隔离区域，无需台面隔离这一步工艺，避免了器件在大功率刻蚀下的损伤。2.源漏电极完全被高阻层隔开，阻隔了源漏之间电子泄露路径，提高了器件性能。
实施例2
如图1和图5所示，本增强型GaN基高电子迁移率晶体管，其结构自下而上依次包括：
一蓝宝石衬底层1；
一GaN缓冲层2，非故意掺杂，厚度2μm；
一AlGaN势垒层3，Al组分0.25，厚度20nm；
一环形p-GaN层4，Mg掺杂浓度为5*1019cm-3，厚度为50nm；
一环形Ga2O3层5，长宽与p-GaN层保持一致，厚度5nm；
源电极6和漏电极7，设置在AlGaN势垒层上，为欧姆接触；
环形栅电极8，设置在Ga2O3层上，为肖基特接触，长宽与Ga2O3层保持一致，且设置在所述源电极和漏电极之间，将源电极和漏电极间隔开。
检测该HEMT器件与传统p-GaN栅结构GaN基HEMT器件的零偏压时导带和费米能级、零偏压时施主缺陷电离浓度、栅极偏压为8V时的电场强度分布图，结果分别如图2、图3、图4所示。如图2所示，由于Ga2O3层的引入，产生了额外了Ga2O3/p-GaN势阱，需要施加更大的正向栅极电压来开启器件，因此本发明结构的器件阈值电压更大。如图3所示，零偏压时的缺陷电离导致了器件关态漏电流，可以看出本发明结构缺陷电离浓度较低，因此降低了器件的关态漏电流。如图4所示，可以看出本发明结构在Ga2O3层处的电场强度要低，能够承受更大的正向栅极电压，因此本发明结构能够提高传统p-GaN栅结构GaN基HEMT器件的栅极击穿电压。
其中传统p-GaN栅结构GaN基HEMT器件的结构为：
一蓝宝石衬底层；
一GaN缓冲层，非故意掺杂，厚度2μm；
一AlGaN势垒层，Al组分0.25，厚度20nm；
一环形p-GaN层，Mg掺杂浓度为5*1019cm-3，厚度为50nm；
源电极和漏电极，设置在AlGaN势垒层上；
环形栅电极，设置在p-GaN层上，长宽与p-GaN层保持一致，且设置在所述源电极和漏电极之间，将源电极和漏电极间隔开。
实施例3
如图6所示，本增强型GaN基高电子迁移率晶体管，其结构自下而上依次包括：
一Si衬底层；
一GaN缓冲层，非故意掺杂，厚度1μm；
一AlGaN势垒层，Al组分0.2，厚度15nm；
一条形p-GaN层，Mg掺杂浓度为1*1019cm-3，厚度为40nm；
一条形Ga2O3层，长宽与p-GaN层保持一致，厚度3nm；
源电极和漏电极，设置在AlGaN势垒层上，为欧姆接触；
条形栅电极，设置在Ga2O3层上，为肖基特接触，长宽与Ga2O3层保持一致，且设置在所述源电极和漏电极之间，将源电极和漏电极间隔开。
实施例4
本增强型GaN基高电子迁移率晶体管，其结构自下而上依次包括：
一SiC衬底层；
一GaN缓冲层，非故意掺杂，厚度5μm；
一AlGaN势垒层，Al组分0.3，厚度25nm；
一条形p-GaN层，Mg掺杂浓度为1*1018cm-3，厚度为70nm；
一条形Ga2O3层，长宽与p-GaN层保持一致，厚度7nm；
源电极和漏电极，设置在AlGaN势垒层上，为欧姆接触；
条形栅电极，设置在Ga2O3层上，为肖基特接触，长宽与Ga2O3层保持一致，且设置在所述源电极和漏电极之间，将源电极和漏电极间隔开。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
参考文献：
1、TL.Wu,D.Marcon,SZ.You,N.Posthuma,B.Bakeroot,S.Stoffels,M.Van Hove,G.Groeseneken,S.Decoutere,S.Stefaan,“Forward Bias Gate Breakdown MechanisminEnhancement-Mode p-GaN Gate AlGaN/GaN High-electron Mobility Transistors,”IEEE Electron Device Lett.,vol.36,no.10,pp.1001-1003,Oct.2015.
2、J.Montes,C.Yang,H.Fu,T.H.Yang,K.Fu,H.Chen,J.Zhou,X.Huang,andY.Zhao,“Demonstration of mechanically exfoliatedβ-Ga2O3/GaN p-nheterojunction,”Appl.Phys.Lett.,vol.114,no.16,pp.162103.1-5,Apr.2019.
3、J.Montes,C.Yang,H.Fu,T.H.Yang,K.Fu,H.Chen,J.Zhou,X.Huang,andY.Zhao,“Demonstration of mechanically exfoliatedβ-Ga2O3/GaN p-nheterojunction,”Appl.Phys.Lett.,vol.114,no.16,pp.162103.1-5,Apr.2019.
4、Yang Liu,Lai Wang,Yuantao Zhang,Xin Dong,Xiankai Sun,Zhibiao Hao,YiLuo,Changzheng Sun,Yanjuun Han,Bing Xiong,Jian Wang,and Hongtao Li,“Demonstration of n-Ga2O3/p-GaN Diodes by Wet-Etching Lift-Off and Transfer-PrintTechnique,”IEEE Electron Device Lett.,vol.42,no.4,pp.509-512,Apr.2021.
Claims (10)
1.一种增强型GaN基高电子迁移率晶体管，其特征在于其结构自下而上依次包括：
一衬底层；
一GaN缓冲层；
一AlGaN势垒层；
一p-GaN层；
一Ga2O3层，长宽与p-GaN层保持一致；
源电极和漏电极，设置在AlGaN势垒层上；
栅电极，设置在Ga2O3层上，长宽与Ga2O3层保持一致，且设置在所述源电极和漏电极之间，将源电极和漏电极间隔开。
2.根据权利要求1所述的增强型GaN基高电子迁移率晶体管，其特征在于：p-GaN层的厚度为在零偏压条件下，耗尽GaN缓冲层和AlGaN势垒层之间形成的高密度的二维电子气。
3.根据1或2所述的增强型GaN基高电子迁移率晶体管，其特征在于：还包括SiN钝化层，所述SiN钝化层设置于晶体管表面。
4.根据权利要求1或2所述的增强型GaN基高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述栅电极为条形栅电极或环形栅电极。
5.根据权利要求1或2所述的增强型GaN基高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述GaN缓冲层厚度为1～5μm；AlGaN势垒层厚度为15～25nm，Al组分0.2-0.3之间；p-GaN层厚度为40-70nm，其中Mg掺杂浓度为1*1018～1*1019cm-3；Ga2O3层厚度为3～7nm。
6.权利要求1-5中任一项所述的增强型GaN基高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于其步骤包括：
(1)在衬底层上依次生长GaN缓冲层、AlGaN势垒层，p-GaN层；
(2)将剥离下来的氧化镓层转移到以上结构的p-GaN/AlGaN/GaN样品的p-GaN层上；
(3)将非栅区域的Ga2O3层及p-GaN层刻蚀去除，露出AlGaN势垒层；
(4)在AlGaN势垒层上蒸镀金属，之后进行快速热退火，使金属与GaN层形成欧姆接触，得到源电极和漏电极；
(5)栅极区域蒸镀金属，并与Ga2O3层形成肖特基接触，得到栅电极。
7.根据权利要求6所述的增强型GaN基高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于还包括步骤(6)和步骤(7)：
(6)用PECVD在晶体管表面生长SiN钝化层；
(7)采用RIE法刻蚀出源电极、漏电极和栅电极窗口。
8.根据权利要求6或7所述的增强型GaN基高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于：完成步骤(2)之后，对器件进行清洗后再刻蚀。
9.根据权利要求8所述的增强型GaN基高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于：清洗具体为将器件放入浓硫酸和双氧水混合液中浸泡，然后放入氨水和双氧水混合液中水浴加热浸泡，再放入KOH和双氧水混合液中浸泡，去离子水清洗，然后依次置于丙酮、乙醇中超声处理，最后放入去离子水中清洗，烘干。
10.根据权利要求6或7所述的增强型GaN基高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)具体为：
在器件表面生长一层SiN材料作为非栅区域的刻蚀掩膜，用光刻技术在SiN材料表面做出栅图案，然后用RIE设备刻蚀非栅区域的SiN材料，保证只有栅区域存在SiN材料；
用ICP法分步刻蚀非栅区域的Ga2O3和p-GaN材料，露出下方AlGaN势垒层材料，然后放入KOH：H2O2混合溶液中水浴加热浸泡，修复刻蚀损伤；
将器件浸泡到BOE溶液去除栅区域的SiN材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110403925.0A CN112951911A (zh) | 2021-04-15 | 2021-04-15 | 增强型GaN基高电子迁移率晶体管及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110403925.0A CN112951911A (zh) | 2021-04-15 | 2021-04-15 | 增强型GaN基高电子迁移率晶体管及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112951911A true CN112951911A (zh) | 2021-06-11 |
Family
ID=76232709
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110403925.0A Pending CN112951911A (zh) | 2021-04-15 | 2021-04-15 | 增强型GaN基高电子迁移率晶体管及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112951911A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023001374A1 (en) * | 2021-07-22 | 2023-01-26 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Member, transistor devices, power devices, and method for manufacturing member |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105931999A (zh) * | 2016-04-22 | 2016-09-07 | 西安电子科技大学 | 薄势垒增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法 |
| CN108133961A (zh) * | 2017-12-20 | 2018-06-08 | 成都海威华芯科技有限公司 | 一种基于氮化铝阻挡层的GaN_HEMT器件制备方法 |
| US20190027590A1 (en) * | 2017-07-20 | 2019-01-24 | The 13Th Research Institute Of China Electronics Technology Group Corporation | Method for preparing cap-layer-structured gallium oxide field effect transistor |
| CN110190116A (zh) * | 2019-04-30 | 2019-08-30 | 大连理工大学 | 一种高阈值电压常关型高电子迁移率晶体管及其制备方法 |
| CN110660643A (zh) * | 2019-09-05 | 2020-01-07 | 西交利物浦大学 | 一种优化氮化镓高电子迁移率晶体管钝化的方法 |
-
2021
- 2021-04-15 CN CN202110403925.0A patent/CN112951911A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105931999A (zh) * | 2016-04-22 | 2016-09-07 | 西安电子科技大学 | 薄势垒增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法 |
| US20190027590A1 (en) * | 2017-07-20 | 2019-01-24 | The 13Th Research Institute Of China Electronics Technology Group Corporation | Method for preparing cap-layer-structured gallium oxide field effect transistor |
| CN108133961A (zh) * | 2017-12-20 | 2018-06-08 | 成都海威华芯科技有限公司 | 一种基于氮化铝阻挡层的GaN_HEMT器件制备方法 |
| CN110190116A (zh) * | 2019-04-30 | 2019-08-30 | 大连理工大学 | 一种高阈值电压常关型高电子迁移率晶体管及其制备方法 |
| CN110660643A (zh) * | 2019-09-05 | 2020-01-07 | 西交利物浦大学 | 一种优化氮化镓高电子迁移率晶体管钝化的方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023001374A1 (en) * | 2021-07-22 | 2023-01-26 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Member, transistor devices, power devices, and method for manufacturing member |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101252088B (zh) | 一种增强型A1GaN/GaN HEMT器件的实现方法 | |
| WO2020221222A1 (zh) | 一种高阈值电压常关型高电子迁移率晶体管及其制备方法 | |
| CN100557815C (zh) | InA1N/GaN异质结增强型高电子迁移率晶体管结构及制作方法 | |
| CN107742644B (zh) | 一种高性能常关型的GaN场效应晶体管及其制备方法 | |
| CN113380623A (zh) | 通过p型钝化实现增强型HEMT的方法 | |
| CN102130160A (zh) | 槽形沟道AlGaN/GaN增强型HEMT器件及制作方法 | |
| WO2016141762A1 (zh) | Iii族氮化物增强型hemt及其制备方法 | |
| JP2016139781A (ja) | エンハンスメント型高電子移動度トランジスタおよびその製作方法 | |
| CN111916351A (zh) | 半导体器件及其制备方法 | |
| JP2011077122A (ja) | ゲートリセスの形成方法、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴの製造方法及びＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴ | |
| JP2007150106A (ja) | Ｉｉｉ族窒化物半導体基板 | |
| CN112289858A (zh) | Ⅲ族氮化物增强型hemt器件及其制备方法 | |
| CN107958939A (zh) | 一种氮化鎵基异质结肖特基二极管结构 | |
| CN109037326A (zh) | 一种具有p型埋层结构的增强型hemt器件及其制备方法 | |
| CN109950323B (zh) | 极化超结的ⅲ族氮化物二极管器件及其制作方法 | |
| CN210429824U (zh) | 一种增强型AlN/AlGaN/GaN HEMT器件 | |
| CN114899227A (zh) | 一种增强型氮化镓基晶体管及其制备方法 | |
| CN108598000B (zh) | GaN基增强型MISHEMT器件的制作方法及器件 | |
| CN112951911A (zh) | 增强型GaN基高电子迁移率晶体管及其制备方法 | |
| CN106548939B (zh) | 通过光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型hemt器件的系统及方法 | |
| CN106549049B (zh) | 一种电化学刻蚀p型氮化物实现增强型hemt的方法 | |
| He et al. | Comparison of two types of recessed-gate normally-off AlGaN/GaN heterostructure field effect transistors | |
| CN112542384B (zh) | 一种氮化镓增强型器件的制造方法 | |
| US11626483B2 (en) | Low-leakage regrown GaN p-n junctions for GaN power devices | |
| CN108695156B (zh) | 改善iii族氮化物mis-hemt欧姆接触的方法及mis-hemt器件 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |