CN113257907A - 一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管,包括支撑片；形成于支撑片上的漏极金属中间层和源极金属中间层；形成于漏极金属中间层上的漏极和源极金属中间层上的源极；形成于漏极金属中间层和源极金属中间层上的介质层；形成于介质层上的氮化物势垒层，且氮化物势垒层的底端部分形成于漏极和源极上；形成于氮化物势垒层上的氮化物沟道层；形成于氮化物沟道层上的氮化物缓冲层；形成于氮化物沟道层上的P型氮化物栅极区域；形成于氮化物缓冲层上的钝化层，且钝化层的底端部分形成于氮化物沟道层和P型氮化物栅极区域上；形成于P型氮化物栅极区域上的栅极。本发明的目的在于有效抑制器件的电流崩塌和提升器件的热稳定性。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管。
背景技术
从二十世纪中期至今，Si半导体材料相关的半导体产业和技术已日臻完善，得以实现真正的商业化。从二十世纪八十年代开始，以GaAs为代表的第二代半导体材料逐步发展成为现代电子信息的关键材料，成为电子工业的最重要的支撑材料之一。随着人们日常生活和社会经济发展对电能需求的不断增加，电子工业必然要向高效率、高频率、高可靠性和高功率密度的方向发展。从二十世纪末至今，以III-V族氮化物化合物为代表的第三代宽禁带半导体材料的出现，开启了半导体产业发展的新起点。III-V族氮化物具有优异的电学性能，包括禁带宽度宽、临界击穿场强高、热导率性能好、抗辐射能力强等，更适用于高频、高压、高温、大功率、高辐射的应用领域，随着其相关技术的不断发展，未来将在半导体器件应用中发挥重要作用。
目前，常规的氮化物场效应晶体管为平面横向结构，主要分为增强型(E-mode)和耗尽型(D-mode)两大类，两者都存在电流崩塌和热稳定性的问题。经过研究，引起电流崩塌的主要因素包括氮化物缓冲层内部陷阱、界面态引起的氮化物势垒层陷阱和栅极设计结构三个方面。尤其，靠近漏极一侧栅极边缘的强电场的作用下电子注入氮化物缓冲层并被陷阱俘获是造成电流崩塌效应的最主要原因。因此，通过栅极凹槽结构贯穿氮化物缓冲层和氮化物沟道层，使漏极与源极在氮化物缓冲层与氮化物沟道层电气隔离，有效抑制器件的电流崩塌。同时，氮化物材料通过激光剥离和转移技术，转移键合至高导热绝缘支撑片上，有效提升器件的热稳定性。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管，可以有效抑制器件的电流崩塌和提升器件的热稳定性。
为实现上述目的，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管，包括：支撑片；形成于支撑片上的漏极金属中间层；形成于支撑片上的源极金属中间层；形成于漏极金属中间层上的漏极；形成于源极金属中间层上的源极；形成于漏极金属中间层和源极金属中间层上的介质层，且介质层的底端至少部分形成于漏极金属中间层和源极金属中间层之间的支撑片上；形成于介质层上的氮化物势垒层，且氮化物势垒层的底端部分形成于漏极和源极上；形成于氮化物势垒层上的氮化物沟道层；形成于氮化物沟道层上的氮化物缓冲层；形成于氮化物沟道层上的P型氮化物栅极区域；形成于氮化物缓冲层上的钝化层，且钝化层的底端部分形成于氮化物沟道层和P型氮化物栅极区域上；形成于P型氮化物栅极区域上的栅极。
进一步，所述支撑片采用的材料为Si3N4、HfO2、AlN、Ga2O3、Al2O3或金刚石。
进一步，所述漏极金属中间层和源极金属中间层采用的材料为Au、AuSn、Ti/Au、Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/TiN中的一种或几种。
进一步，所述漏极、源极和所述氮化物势垒层形成合金欧姆接触。
进一步，所述介质层采用的材料为SiO2或Si3N4中的一种或两种。
进一步，所述氮化物势垒层采用的材料为AlGaN、AlInGaN或AlN中的一种或几种。
进一步，所述氮化物沟道层采用的材料为GaN或AlGaN中的一种或两种。
进一步，所述氮化物缓冲层采用的材料为AlN、GaN、AlON或AlGaN中的一种或几种。
进一步，所述P型氮化物栅极区域采用的材料为p型GaN。
进一步，所述钝化层采用的材料为Si3N4、SiCN、SiON、HfO2或Al2O3中的一种或几种。
区别现有技术的情况，本发明通过栅极凹槽结构贯穿氮化物缓冲层和氮化物沟道层，使漏极与源极在氮化物缓冲层与氮化物沟道层电气隔离，有效抑制器件的电流崩塌。同时，氮化物材料通过激光剥离和转移技术，转移键合至高导热绝缘支撑片上，有效提升器件的热稳定性。因此，本发明的有益效果为，该基于氮化物的双面结构场效应晶体管通过优化工艺流程和器件设计结构，有效抑制器件的电流崩塌和提升器件的热稳定性。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管的结构示意图。
图2是本发明提供的一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管可选的制作工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，详细说明本发明的技术方案。
本发明提供的一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管的结构示意图，如图1所示，包括支撑片1、漏极金属中间层2、源极金属中间层3、介质层4、漏极5、源极6、氮化物势垒层7、氮化物沟道层8、氮化物缓冲层9、P型氮化物栅极区域10、钝化层11、栅极12。
其中，漏极金属中间层2形成于支撑片1上。源极金属中间层3形成于支撑片1上。介质层4形成于漏极金属中间层2和源极金属中间层3上，并介质层4的底端至少部分形成于漏极金属中间层2和源极金属中间层3之间的支撑片1上。漏极5形成于漏极金属中间层2上。源极6形成于源极金属中间层3上。氮化物势垒层7形成于介质层4上，并氮化物势垒层7的底端部分形成于漏极5和源极6上。氮化物沟道层8形成于氮化物势垒层7上。氮化物缓冲层9形成于氮化物沟道层8上。P型氮化物栅极区域10形成于氮化物沟道层8上。钝化层11形成于氮化物缓冲层9上，并钝化层11的底端至少部分嵌入氮化物势垒层7内部。栅极12形成于P型氮化物栅极区域10上。
此外，支撑片1采用的材料为Si3N4、HfO2、AlN、Ga2O3、Al2O3或金刚石。漏极金属中间层2和源极金属中间层3采用的材料为Au、AuSn、Ti/Au、Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/TiN中的一种或几种。漏极5、源极6和氮化物势垒层7形成合金欧姆接触。介质层4采用的材料为SiO2或Si3N4中的一种或两种。氮化物势垒层7采用的材料为AlGaN、AlInGaN或AlN中的一种或几种。氮化物沟道层8采用的材料为GaN或AlGaN中的一种或两种。氮化物缓冲层9采用的材料为AlN、GaN、AlON或AlGaN中的一种或几种。P型氮化物栅极区域10采用的材料为p型GaN。钝化层11采用的材料为Si3N4、SiCN、SiON、HfO2或Al2O3中的一种或几种。
此外，氮化物势垒层7与氮化物沟道层8会形成异质结，在该异质结的界面产生二维电子气(two dimension electron gas,简称为2DEG)，2DEG是导电载体，如图1中虚线所示。
本发明实施例的一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管通过优化工艺流程和器件设计结构，有效抑制器件的电流崩塌和提升器件的热稳定性。
本发明提供的一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管可选的制作工艺流程图，如图2所示。结合图1和图2，具体说明本发明提供的一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管可选的制作工艺流程，具体包括以下步骤：
第一步：清洗衬底，在衬底上外延生长氮化物缓冲层9。
第二步：在氮化物缓冲层9上外延生长氮化物沟道层8。
第三步：在氮化物沟道层8上外延生长氮化物势垒层7。
第四步：通过CVD工艺沉积介质层4。
第五步：通过干法刻蚀介质层4和氮化物势垒层7，形成漏极沟槽和栅极沟槽。
第六步：在氮化物势垒层7形成的漏极沟槽和栅极沟槽位置，制作漏极5和源极6。
第七步：清洗支撑片1，在支撑片1上蒸镀或溅射金属中间层。
第八步：通过干法刻蚀或金属剥离工艺，制作漏极金属中间层2和源极金属中间层3。
第九步：通过支撑片1上的金属中间层，将上述步骤制作的氮化物材料连接在支撑片1上。
第十步：通过干法刻蚀、湿法腐蚀或激光剥离工艺，实现衬底和氮化物材料分离。
第十一步：通过干法刻蚀氮化物材料，形成栅极凹槽，并生长p型氮化物层。
第十二步：在栅极凹槽位置的氮化物沟道层8上制作p型氮化物栅极区域10。
第十三步：沉积高介电常数、宽带隙的钝化层11。
第十四步：干法刻蚀栅极凹槽位置的p型氮化物栅极区域10上的钝化层11。
第十五步：在栅极凹槽位置的p型氮化物栅极区域10上制作栅极12。
以上针对本发明的优选实施方式进行了详细描述，基于本发明中的实施例和发明思想进行的各种变化形式均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管，其特征在于，包括：
支撑片；
形成于支撑片上的漏极金属中间层；
形成于支撑片上的源极金属中间层；
形成于漏极金属中间层上的漏极；
形成于源极金属中间层上的源极；
形成于漏极金属中间层和源极金属中间层上的介质层，且介质层的底端至少部分形成于漏极金属中间层和源极金属中间层之间的支撑片上；
形成于介质层上的氮化物势垒层，且氮化物势垒层的底端部分形成于漏极和源极上；
形成于氮化物势垒层上的氮化物沟道层；
形成于氮化物沟道层上的氮化物缓冲层；
形成于氮化物沟道层上的P型氮化物栅极区域；
形成于氮化物缓冲层上的钝化层，且钝化层的底端部分形成于氮化物沟道层和P型氮化物栅极区域上；
形成于P型氮化物栅极区域上的栅极。
2.根据权利要求1所述的一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管，其特征在于，所述支撑片采用的材料为Si3N4、HfO2、AlN、Ga2O3、Al2O3或金刚石。
3.根据权利要求1所述的一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管，其特征在于，所述漏极金属中间层和源极金属中间层采用的材料为Au、AuSn、Ti/Au、Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/TiN中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管，其特征在于，所述源极、漏极和所述氮化物势垒层形成合金欧姆接触。
5.根据权利要求1所述的一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管，其特征在于，所述介质层采用的材料为SiO2或Si3N4中的一种或两种。
6.根据权力要求1或4所述的一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管，其特征在于，所述氮化物势垒层采用的材料为AlGaN、AlInGaN或AlN中的一种或几种。
7.根据权力要求1所述的一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管，其特征在于，所述氮化物沟道层采用的材料为GaN或AlGaN中的一种或两种。
8.根据权力要求1所述的一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管，其特征在于，所述氮化物缓冲层采用的材料为AlN、GaN、AlON或AlGaN中的一种或几种。
9.根据权力要求1所述的一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管，其特征在于，所述P型氮化物栅极区域采用的材料为p型GaN。
10.根据权利要求1所述的一种基于氮化物的双面结构场效应晶体管，其特征在于，所述钝化层采用的材料为Si3N4、SiCN、SiON、HfO2或Al2O3中的一种或几种。
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