CN113437146B - 基于斜切角衬底的晶体管及其制备方法和气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种基于斜切角衬底的晶体管及其制备方法和气体传感器，基于斜切角衬底的晶体管包括：衬底(1)和形成在衬底(1)上方包含有栅极感应区域的帽层(8)；其中，衬底(1)中靠近帽层(8)的面和栅极感应区域均为连续波浪形的台阶结构，台阶结构的台阶面倾斜，栅极感应区域用于气体探测。本公开的连续波浪形台阶结构，大大增加了栅极感应区域的表面粗糙度，提高了气体吸附效率。台阶结构的台阶面倾斜，增大了器件电流密度，提高了气体传感器的输出电流和灵敏度。
Description
技术领域
本公开涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种基于斜切角衬底的晶体管及其制备方法和气体传感器。
背景技术
在气体传感领域，由于III族氮化物的极化效应，基于铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)气体传感器展现出巨大的潜力。但是现有气体传感器的灵敏度有待提高，特别是针对氨气、硫化氢等极小浓度就致命的气体探测。同时，现有气体传感器的气体选择性普遍较低，特别是对化学性质相似的干扰气体的区分能力有待提高。现有的栅极感应区域修饰需借助额外的工艺手段，如金属氧化物(氧化镍、氧化锌等)蒸镀、表面修饰(RIE等离子体轰击、机械研磨、化学腐蚀等)、纳米结构(纳米粒子、纳米线、纳米簇等)修饰等，工艺复杂。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于现有的技术问题，本公开提供一种基于斜切角衬底的晶体管及其制备方法和气体传感器，用于至少部分解决以上技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种基于斜切角衬底的晶体管，包括：衬底1和形成在衬底1上方包含有栅极感应区域的帽层8；其中，衬底1中靠近帽层8的面和栅极感应区域均为连续波浪形的台阶结构，台阶结构的台阶面倾斜，栅极感应区域用于气体探测。
可选地，台阶结构的台阶面具有0.2°～15°的斜切角。
可选地，台阶结构的台阶面具有4°的斜切角。
可选地，基于斜切角衬底的晶体管还包括：依次叠加的成核层2，缓冲层3，背势垒层4，沟道层5，间隔层6和势垒层7；其中，成核层2叠加在衬底1上，帽层8叠加在势垒层7上。
可选地，沟道层5中的沟道沿不同晶向分布。
可选地，缓冲层3中无掺杂；背势垒层4和势垒层7为含有Al和/或Ga和/或In的二元，三元或四元氮化物合金。
可选地，背势垒层4和势垒层7的组分固定或者沿由衬底1的外延方向渐变。
可选地，基于斜切角衬底的晶体管还包括：栅极10，栅极10形成于栅极感应区域上，栅极10的长度为0.5～1000μm，宽度为0.5～100μm，栅极10的材料为钯或铂。
本公开另一方面提供一种基于斜切角衬底的晶体管制备方法，包括：在衬底1的外延面上依次外延生长成核层2，缓冲层3，背势垒层4，沟道层5，间隔层6，势垒层7和包含有栅极感应区域的帽层8，其中，衬底1的外延面和栅极感应区域为连续波浪形的台阶结构，台阶结构的台阶面倾斜。
本公开另一方面提供一种气体传感器，包含任一实施例中的基于斜切角衬底的晶体管。
(三)有益效果
本公开提供一种基于斜切角衬底的晶体管，用于制备气体传感器进行气体探测。其中，用于探测气体的栅极感应区域的表面为连续的波浪形台阶结构，大大增加了栅极感应区域的表面粗糙度，提高了气体吸附效率。台阶结构的台阶面倾斜，增大了器件电流密度，提高了气体传感器的输出电流和灵敏度。
随着斜切角增大，沟道层中沿不同沟道方向，即沿不同晶向的电流输出密度不同，制备得到沟道方向不同的HEMT器件，可以提高不同气体探测的分辨率，得到高选择性的气体探测器。
本公开提供一种基于斜切角衬底的晶体管制备方法，通过在具有连续波浪形台阶结构的衬底上直接制备得到同样具有大致一致台阶结构的栅极感应区域，得到了同时兼有灵敏度高和气体选择性强的晶体管，还避免了对栅极感应区域的复杂修饰，提高了晶体管的生产工艺兼容性，节约了生产成本。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的晶体管结构图；
图2示意性示出了根据本公开实施例晶体管的原子力显微镜表面形貌图；
图3示意性示出了根据本公开实施例晶体管的电流传输机理及气体吸附原理图；
图4示意性示出了根据本公开实施例晶体管的转移特性图；
图5示意性示出了根据本公开实施例晶体管的输出特性图；
图6示意性示出了根据本公开实施例不同栅极宽度及源漏间距晶体管的输出特性图。
【附图标记说明】
1-衬底
2-成核层
3-缓冲层
4-背势垒层
5-沟道层
6-间隔层
7-势垒层
8-帽层
9-源极
10-栅极
11-漏极
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例，且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。
虽然结合附图对本公开进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本公开优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本公开的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本公开的限制。
虽然本公开总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体公开构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本公开的范围以权利要求和它们的等同物限定。
图1示意性示出了根据本公开实施例的晶体管结构图。
图2示意性示出了根据本公开实施例晶体管的原子力显微镜表面形貌图。
根据本公开的实施例，如图1所示，基于斜切角衬底的晶体管例如包括：衬底1和形成在衬底1上方包含有栅极感应区域的帽层8。其中，衬底1中靠近帽层8的面和栅极感应区域均为连续波浪形的台阶结构，台阶结构的台阶面倾斜，栅极感应区域用于气体探测。如图2所示，可以看到变宽、变高的台阶流和粗糙度增大的栅极感应区域表面形貌。且沿图中的[11-20]方向的台阶更宽，有利于载流子迁移；沿[10-10]方向的台阶高度变大，在载流子迁移过程中引入额外的势垒，这会造成沟道沿[11-20]方向的HEMT器件比沟道沿[10-10]方向的器件具有更大的输出电流，即器件表现出各向异性的电学特性。栅极感应区域例如为帽层8中栅极10所在区域。
图3示意性示出了根据本公开实施例晶体管的电流传输机理及气体吸附原理图。
根据本公开的实施例，如图3所示，电子(图中向上的虚线所示箭头方向)沿图中的[11-20]方向(图中填充部分所示方向)传输更加快速，而沿[10-10]方向(图中右实线所示箭头方向)传输的电子(图中向右的虚线所示箭头方向)则会因高度升高的台阶阻挡迁移率有所下降。在大的斜切角衬底上，HEMT表现出明显的各向异性电学特性，即沟道沿[11-20]方向的器件，其电流密度大于沟道沿[10-10]方向的器件。斜切角衬底是指偏离主晶面特定角度、具有沿特定晶向原子级台阶的衬底。以蓝宝石斜切角衬底为例，“c偏m面4°斜切角衬底”表示：由c面偏向m面4°的衬底，其具有沿m晶向[11-20]的原子级台阶结构。增大的表面粗糙度可以提高气体分子(图中圆形图标所示)的吸附效率，同时更加明显的台阶边缘也能够提供吸附位点。栅极感应区域的表面为连续的波浪形台阶结构，大大增加了栅极感应区域的表面粗糙度，而更大的表面粗糙度可以增加气体传感器用晶体管的气体吸附位点，更多的气体吸附位点导致实际测试时，气体传感器可以在更短的时间里与更多的气体分子结合，带来更大的2DEG浓度变化，从而更大范围地改变测量的源漏电流值。同时，斜切角衬底可以提升HEMT器件的输出电流密度和沿不同晶向的各向异性电学特性，有利于提高测量灵敏度，且引起器件对不同气体的响应差异增大，从而提高气体传感器的气体选择性。
图4示意性示出了根据本公开实施例晶体管的转移特性图。
图5示意性示出了根据本公开实施例晶体管的输出特性图。
根据本公开的实施例，台阶结构的台阶面倾斜，如图4和图5所示，随着衬底台阶面倾斜角度α的增大(例如从0.2°增加到4.0°)，电子迁移率例如从957cm2/V·s增加到1246cm2/V·s，因此气体传感器的最大输出电流密度也会增加(例如从300mA/mm增大到650mA/mm)，有利于提高气体传感器的输出电流和灵敏度。衬底1台阶面的倾斜角例如为0.2°～15.0°之间。衬底1的材料例如为硅、蓝宝石、碳化硅、氮化镓中的任意一种。
优选地，衬底1台阶面的倾斜角为4.0°。
根据本公开的实施例，基于斜切角衬底的晶体管例如还包括：依次叠加的成核层2，缓冲层3，背势垒层4，沟道层5，间隔层6和势垒层7。其中，成核层2形成于衬底1上，帽层8形成于势垒层7上。成核层2，缓冲层3，背势垒层4，沟道层5，间隔层6和势垒层7例如也都有与衬底1形状大致相同的台阶结构。
根据本公开的实施例，成核层2选用的材料例如为AlN材料，厚度例如为10～1000nm。成核层2为后续缓冲层3的生长提供成核位点，提高了外延层的晶体质量。
优选地，成核层2的厚度例如为25nm。
根据本公开的实施例，缓冲层3例如选用GaN材料，生长过程中不引入掺杂源以保证缓冲层3的高阻特性，减小器件漏电。缓冲层3的厚度例如为1-100μm，具体本公开不做限制。
优选地，缓冲层3的厚度例如为2μm。
根据本公开的实施例，背势垒层4的材料例如可以选用(Al，Ga，In)N的二元、三元或四元合金。背势垒层合金例如可以选用两种形式，形式1：选用三族元素固定组分的背势垒层4，例如Al组分为10％的AlGaN合金(写作Al0.1Ga0.9N)势垒层，或者，In组分为10％的InAlN合金(写作In0.1Al0.9N)势垒层。形式2：选用三族元素组分渐变的背势垒层4，以AlGaN渐变背势垒层为例，其Al组分例如在k1到k2之间沿背势垒层4的生长方向渐变，其中0≤k1≤1，0≤k2≤1，k1与k2大小不做限制，即组分渐变的背势垒层4中的Al组分可沿生长方向递增或者递减。背势垒层4的厚度例如为1～100μm，具体本公开不做限制。
优选地，背势垒层4的厚度例如为1μm。
根据本公开的实施例，沟道层5的材料例如可以选用(Al，Ga，In)N的二元、三元或四元合金。沟道层5的厚度例如为1～1000nm，具体本公开不做限制。随着倾斜角(或称之为斜切角)的增加，沟道层5中沿不同沟道方向的晶向也不同，进而沿不同晶向的电流输出密度不同，可以提高不同气体的探测分辨率。
优选地，沟道层5的厚度例如为100nm。
根据本公开的实施例，间隔层6例如选用AlN材料，间隔层6的厚度例如为0.1～5nm，具体本公开不做限制。
优选地，间隔层6的厚度例如为1nm。
根据本公开的实施例，势垒层7的材料例如可以选用(Al，Ga，In)N的二元、三元或四元合金。势垒层合金例如可以选用两种形式，形式1：选用三族元素固定组分的势垒层7，例如Al组分为30％的AlGaN合金(写作Al0.3Ga0.7N)势垒层，或者，In组分为10％的InAlN合金(写作In0.1Al0.9N)势垒层。情形2：选用三族元素组分渐变的势垒层7，以AlGaN渐变势垒层为例，其Al组分例如在k1到k2之间沿势垒层7的生长方向渐变，其中0≤k1≤1，0≤k2≤1，k1与k2大小不做限制，即组分渐变的势垒层7中的Al组分可沿生长方向递增或者递减。势垒层7的厚度例如为1～100nm，具体本发明不做限制
优选地，势垒层7的厚度例如为15nm。
根据本公开的实施例，帽层8的材料例如可以选用(Al，Ga，In)N的二元、三元或四元合金。帽层8的厚度例如为0.1～5nm，具体本公开不做限制。
优选地，帽层8的厚度例如为2nm。
根据本公开的实施例，基于斜切角衬底的晶体管例如还包括：源极9，栅极10和漏极11。源极9，栅极10和漏极11例如位于帽层8上。源极9和漏极11例如可以采用Ti/Al/Ni/Au金属堆叠层，其具体形状、面积和金属厚度本公开不做限制。栅极感应区域为气体感应区，材料例如可以为钯或铂金属，具体电极材料、形态及厚度本公开不做限制。漏极9和栅极10的间距本公开不做限制。源极9和漏极11例如可以选用矩形，长宽范围例如为0.5～1000μm。栅极10的长度例如为0.5～100μm，宽度例如为0.5～1000μm。源漏间距例如为1～50μm。
图6示意性示出了根据本公开实施例不同栅极宽度及源漏间距晶体管的输出特性图。
根据本公开的实施例，如图6所示，随着栅极10的宽度(LG)由2μm增大至6μm，在两种衬底上生长的HEMT器件的最大输出电流密度均下降。但另一方面，增大栅长可以增大栅极面积，增大气体吸附面积，提升器件气敏特性。器件最大输出电流随漏源间距(LSD)变大而减小，表明器件的输出特性及探测特性会随尺寸变大而减小，但较大的漏源间距可以提高器件的耐受电压和击穿特性。在实际使用中，视情况选定器件的栅长及漏源间距尺寸。同时，从图6中也可以看出，在斜切角衬底上制备的HEMT器件具有很高的各向异性稳定性。例如对于0.2°和4.0°斜切角衬底上的HEMT器件，其沿[11-20]与[10-10]方向的器件最大输出电流密度差值平均值例如分别为6mA/mm和100mA/mm，也表明了大的斜切角有助于提高晶体管的各向异性差异，增大气体传感器的选择比。
优选地，源极9和漏极11的长度例如为150μm。栅极10的长度例如为100μm，宽度例如为4μm。源极9和漏极11的间距例如为12μm。
综上所述，本公开实施例提出一种基于斜切角衬底的晶体管。用于探测气体的栅极感应区域的表面为连续的波浪形台阶结构，大大增加了栅极感应区域的表面粗糙度，提高了气体吸附效率。台阶结构的台阶面倾斜，增大了器件电流密度，提高了气体传感器的输出电流和灵敏度。
本公开另一方面提供一种基于斜切角衬底的晶体管制备方法，例如包括：在衬底1的外延面上依次外延生长成核层2，缓冲层3，背势垒层4，沟道层5，间隔层6，势垒层7和包含有栅极感应区域的帽层8，其中，衬底1的外延面和栅极感应区域为连续波浪形的台阶结构，台阶结构的台阶面倾斜。
根据本公开的实施例，例如通过机械切割、化学机械抛光等方法制备具有斜切角台阶结构的衬底。例如通过磁控溅射方法生长成核层2。例如通过金属有机物化学气相沉积或分子束外延技术外延缓冲层3，背势垒层4，沟道层5，间隔层6，势垒层7和帽层8，其中，缓冲层3，背势垒层4和沟道层5在生长过程中例如可以都不引入掺杂源，以保证缓冲层3，背势垒层4和沟道层5各自的高阻特性，减小器件漏电。势垒层7在生长过程中可以选用Si元素进行N型掺杂来提高器件的导电特性，或者不引入掺杂源以保证器件的高压、击穿特性。
方法实施例部分未尽细节之处与装置实施例部分类似，请参见装置实施例部分，此处不再赘述。
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于的特定顺序或层次。
还需要说明的是，实施例中提到的方向术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本公开处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本公开单独的优选实施方案。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于斜切角衬底的晶体管，其特征在于，包括：
衬底(1)和形成在所述衬底(1)上方包含有栅极感应区域的帽层(8)，所述栅极感应区域为栅极(10)和所述帽层(8)相接触的区域；
其中，所述衬底(1)中靠近所述帽层(8)的面和所述栅极感应区域均为连续波浪形的台阶结构，所述台阶结构的台阶面倾斜，所述栅极感应区域用于气体探测。
2.根据权利要求1所述的基于斜切角衬底的晶体管，其特征在于，所述台阶结构的台阶面具有0.2°～15°的斜切角。
3.根据权利要求2所述的基于斜切角衬底的晶体管，其特征在于，所述台阶结构的台阶面具有4°的斜切角。
4.根据权利要求1所述的基于斜切角衬底的晶体管，其特征在于，所述晶体管还包括：
依次叠加的成核层(2)，缓冲层(3)，背势垒层(4)，沟道层(5)，间隔层(6)和势垒层(7)；
其中，所述成核层(2)叠加在所述衬底(1)上，所述帽层(8)叠加在所述势垒层(7)上。
5.根据权利要求4所述的基于斜切角衬底的晶体管，其特征在于，所述沟道层(5)中的沟道沿不同晶向分布。
6.根据权利要求4所述的基于斜切角衬底的晶体管，其特征在于，所述缓冲层(3)中无掺杂；
所述背势垒层(4)和所述势垒层(7)为含有Al和/或Ga和/或In的二元，三元或四元氮化物合金。
7.根据权利要求5所述的基于斜切角衬底的晶体管，其特征在于，所述背势垒层(4)和所述势垒层(7)的组分固定或者沿由所述衬底(1)的外延方向渐变。
8.根据权利要求1所述的基于斜切角衬底的晶体管，其特征在于，所述晶体管还包括：
栅极(10)，所述栅极(10)形成于所述栅极感应区域上，所述栅极(10)的长度为0.5～1000μm，宽度为0.5～100μm，所述栅极(10)的材料为钯或铂。
9.一种基于斜切角衬底的晶体管制备方法，其特征在于，包括：
在衬底(1)的外延面上依次外延生长成核层(2)，缓冲层(3)，背势垒层(4)，沟道层(5)，间隔层(6)，势垒层(7)和包含有栅极感应区域的帽层(8)，其中，所述衬底(1)的外延面和所述栅极感应区域为连续波浪形的台阶结构，所述台阶结构的台阶面倾斜，所述栅极感应区域为栅极(10)和所述帽层(8)相接触的区域。
10.一种气体传感器，其特征在于，包含权利要求1～8任一项所述的基于斜切角衬底的晶体管。
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