CN113921609A - 一种垂直氮化镓场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了垂直氮化镓场效应晶体管，包括：第一硅掺的N+型GaN外延层沉积于N+型高掺杂GaN衬底第一面中的部分区域、第二硅掺的N‑型GaN外延层沉积于第一硅掺的N+型GaN外延层、第三硅掺的N+型GaN外延层第二硅掺的N‑型GaN外延层，Al2O3隔离层沉积于N+型高掺杂GaN衬底中除第一硅掺的N+型GaN外延层的剩余区域；AlGaN层在垂直于N+型高掺杂GaN衬底的方向上沉积于第二硅掺的N‑型GaN外延层表面，栅极层沉积于AlGaN层；SiN隔离层在平行于N+型高掺杂GaN衬底的方向上沉积于除第三硅掺的N+型GaN外延层区域以外的表面，源极层沉积于SiN隔离层和第三硅掺的N+型GaN外延层表面，漏极层沉积于N+型高掺杂GaN衬底的另一面。AlGaN/GaN异质结令异质界面GaN侧的量子阱变得更深更窄带来高电流密度。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电子器件技术领域，尤其是一种垂直氮化镓场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
近年来作为宽禁带半导体代表之一的氮化镓(GaN)以其优越的材料性能，如低介电常数(约8.9)和高有效质量(约0.370m0)，广泛运用于功率和射频器件应用领域的。
具有三维栅极结构的GaN全环绕栅极垂直纳米线金属-氧化物半导体场效应晶体管(Gate-All-Around Vertical Nanowire Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,简称GAA VNWMOSFET)，GaN基FET具有更小的自然长度和更低的直接隧穿概率，较好地抵御短通道效应，优异的栅极环绕调控能力，引起了人们高度重视并应用广泛。现有的GAA VNWMOSFET有突出的特点：实现了栅极对沟道之间的全方位均匀环绕，因此对沟道的控制能力十分出色，可以产生更快的驱动电流。允许器件尺寸进一步缩小，集成度更高，实现低驱动电压、低泄漏电流、低漏极诱导势垒降低、高开关比和高功率密度，适用于低功耗应用。
但是，现有的GAA VNWMOSFET存在一个不足：利用GaN材料作为电子的来源和电流的通道，会出现了电子传输速率不高和载流子的数量并不多的问题，从而影响晶体管的性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明创造的实施例提供一种垂直氮化镓场效应晶体管，包括：N+型高掺杂GaN衬底、第一硅掺的N+型GaN外延层、第二硅掺的N-型GaN外延层、第三硅掺的N+型GaN外延层、AL2O3隔离层、AlGaN层、栅极层、SiN隔离层、源极层和漏极层；
其中，第一硅掺的N+型GaN外延层沉积于N+型高掺杂GaN衬底第一面中的部分区域、第二硅掺的N-型GaN外延层沉积于第一硅掺的N+型GaN外延层、第三硅掺的N+型GaN外延层第二硅掺的N-型GaN外延层，AL2O3隔离层沉积于N+型高掺杂GaN衬底中除第一硅掺的N+型GaN外延层的剩余区域；
AlGaN层在垂直于N+型高掺杂GaN衬底的方向上沉积于第二硅掺的N-型GaN外延层表面，AlGaN层沉积有栅极氧化物Al2O3层，栅极层沉积于Al2O3层；
SiN隔离层在平行于N+型高掺杂GaN衬底的方向上沉积于除第三硅掺的N+型GaN外延层区域以外的表面，源极层沉积于SiN隔离层和第三硅掺的N+型GaN外延层表面，漏极层沉积于N+型高掺杂GaN衬底的另一面。
进一步地，栅极层包括10-25nm的Al2O3层以及50～100nm的金属膜层。
进一步地，第一硅掺的N+型GaN外延层0.2um-0.5um，的第二硅掺的N-型GaN外延层0.3um-0.6um以及第三硅掺的N+型GaN外延层0.2um-0.5um。
进一步地，N+型高掺杂GaN衬底厚度为200～500um。
进一步地，第一硅掺的N+型GaN外延层、第二硅掺的N-型GaN外延层和第三硅掺的N+型GaN外延层的直径为5～10nm。
一种垂直氮化镓场效应晶体管的制备方法，包括：
利用金属有机化学气相沉积法在N+型高掺杂GaN衬底的第一面依次生长0.2um-0.5um的第一硅掺的N+型GaN外延层，0.3um-0.6um的第二硅掺的N-型GaN外延层以及0.2um-0.5um的第三硅掺的N+型GaN外延层；
以光刻胶阻挡对外延层进行电子束光刻，用Cl2/BCl3干法刻蚀，以及用TMAH溶液进行湿法刻蚀，在刻蚀后的器件表面N+型高掺杂GaN衬底上生长Al2O3作为隔离层，在垂直于氮化镓表面的方向上在第二硅掺的N-型GaN外延层的表面生长AlGaN,使得和GaN形成高密度二维电子气；
在AlGaN表面生长10-25nm的AL2O3作为栅极氧化物，并在AL2O3表面上蒸镀金属膜，剥离后形成栅极；
在平行于GaN的方向上生长SiN作为隔离层，对隔离层和n型高掺杂衬底GaN衬底的第二面分别进行光刻后表面蒸镀金属膜，剥离，形成源极和漏极，在600℃、N2环境下退火得到垂直氮化镓场效应晶体管。
进一步地，第一硅掺的N+型GaN外延层中硅掺杂浓度为1x1018cm-3-4x1018cm-3，第一硅掺的N+型GaN外延层厚度为0.3um,直径为7nm；
第二硅掺的N-型GaN外延层中硅掺杂浓度为1x1015-x1015cm2,(1x1015-8x1015cm2),，第二硅掺的N-型GaN外延层厚度0.4um,直径为7nm；
第三硅掺的N+型GaN外延层中硅掺杂浓度为1x1018cm-3-8x1018cm-3，第三硅掺的N+型GaN外延层厚度0.3um，直径为7nm。
进一步地，AlGaN的厚度为10nm。
进一步地，在制备源极和漏极时蒸镀金属为Ti、A1、Ni和Au。
进一步地，栅极金属膜为Ti/Al膜、Ti/Au膜或Pt/Au膜。
本发明实施例的有益效果是：相比于现有技术，由于AlGaN/GaN异质结的强自发极化和压电极化效应，这两种极化效应调制其能带结构，使导带偏移，令异质界面GaN侧的量子阱变得更深更窄，从而吸引了大量的自由电子在阱中积聚形成了二维电子气，带来高电流密度，高功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种垂直氮化镓场效应晶体管的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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。
如图1所示，本实施例提供一种垂直氮化镓场效应晶体管，包括：N+型高掺杂GaN衬底、第一硅掺的N+型GaN外延层、第二硅掺的N-型GaN外延层、第三硅掺的N+型GaN外延层、AL2O3隔离层、AlGaN层、栅极层、SiN隔离层、源极层和漏极层；
其中，第一硅掺的N+型GaN外延层沉积于N+型高掺杂GaN衬底第一面中的部分区域、第二硅掺的N-型GaN外延层沉积于第一硅掺的N+型GaN外延层、第三硅掺的N+型GaN外延层第二硅掺的N-型GaN外延层，AL2O3隔离层沉积于N+型高掺杂GaN衬底中除第一硅掺的N+型GaN外延层的剩余区域；
AlGaN层在垂直于N+型高掺杂GaN衬底的方向上沉积于第二硅掺的N-型GaN外延层表面，栅极层沉积于AlGaN层；
SiN隔离层在平行于N+型高掺杂GaN衬底的方向上沉积于除第三硅掺的N+型GaN外延层区域以外的表面，源极层沉积于SiN隔离层和第三硅掺的N+型GaN外延层表面，漏极层沉积于N+型高掺杂GaN衬底的另一面。
具体地，栅极层包括10-25nm的AL2O3层以及50～100nm的金属膜层。其中，AL2O3层优选为20nm。
具体地，第一硅掺的N+型GaN外延层0.2um-0.5um，第二硅掺的N-型GaN外延层0.3um-0.6um，以及第三硅掺的N+型GaN外延层0.2um-0.5um，第一硅掺的N+型GaN外延层中硅掺杂浓度为1x1018cm-3-4x1018cm-3,优选为2x1018cm-3。
第一硅掺的N+型GaN外延层、第二硅掺的N-型GaN外延层和第三硅掺的N+型GaN外延层的直径为5～10nm。
优选地，第一硅掺的N+型GaN外延层厚度为0.3um,直径为7nm；第二硅掺的N-型GaN外延层中硅掺杂浓度为1x1015-1x1015cm2,(1x1015-8x1015cm2)优选为5x1015cm-3，第二硅掺的N-型GaN外延层厚度0.4um,直径为7nm；第三硅掺的N+型GaN外延层中硅掺杂浓度为1x1018cm-3-8x1018cm-3,优选为5x1018cm-3，第三硅掺的N+型GaN外延层厚度0.3um，直径为7nm。
具体地，N+型高掺杂GaN衬底厚度为200～500um，优选为300um。
本发明实施例，由于AlGaN/GaN异质结的强自发极化和压电极化效应，这两种极化效应调制其能带结构，使导带偏移，令异质界面GaN侧的量子阱变得更深更窄，从而吸引了大量的自由电子在阱中积聚形成了二维电子气，带来高电流密度，高功率密度。
本发明实施例还提供一种垂直氮化镓场效应晶体管的制备方法，包括：
步骤一、利用金属有机化学气相沉积法在N+型高掺杂GaN衬底的第一面依次生长0.2um-0.5um的第一硅掺的N+型GaN外延层，0.3um-0.6um的第二硅掺的N-型GaN外延层以及0.2um-0.5um的第三硅掺的N+型GaN外延层；
步骤二、(以SiO2作为掩模版对外延层进行电子束光刻)光刻胶阻挡用Cl2/BCl3干法刻蚀，以及用TMAH溶液进行湿法刻蚀，在刻蚀后的器件表面N+型高掺杂GaN衬底上生长AL2O3作为隔离层(这个的顺序在生长完AlGaN之后)，在垂直于氮化镓表面的方向上在第二硅掺的N-型GaN外延层的表面生长AlGaN,使得和GaN形成高密度二维电子气；
步骤三、在AlGaN表面生长13-18nm的AL2O3作为栅极氧化物，并在Al2O3表面上蒸镀金属膜，剥离后形成栅极；
步骤四、在平行于GaN的方向上生长SiN作为隔离层，对隔离层和N+型高掺杂衬底GaN衬底的第二面分别进行光刻后表面蒸镀金属膜，剥离，形成源极和漏极，在600℃、N2环境下退火得到垂直氮化镓场效应晶体管。
具体地，第一硅掺的N+型GaN外延层中硅掺杂浓度为1x1018cm-3-4x1018cm-3,为2x1018cm-3，第一硅掺的N+型GaN外延层厚度为0.3um,直径为7nm；第二硅掺的N-型GaN外延层中硅掺杂浓度为1x1018x1018cm2,(1x1015-8x1015)优选为5x1018cm-3，第二硅掺的N-型GaN外延层厚度0.4um,直径为7nm；第三硅掺的N+型GaN外延层中硅掺杂浓度为1x1015cm-3-8x1015cm-3,优选为5x1015cm-3，第三硅掺的N+型GaN外延层厚度0.3um，直径为7nm，AlGaN的厚度为10nm。
在具体实施例中，器件在生长外延层之后在在RIE台面隔离后，以SiO2作为掩模版进行电子束光刻，并用Cl2/BCl3干法刻蚀器件，随后用温度为80℃浓度为5％的TMAH溶液中湿法刻蚀，如此可以使得使器件尺寸更小，消除干法刻蚀带来的表面损伤，使其直径小于7nm。本实施例可以结合光刻利用原子层沉积(ALD)方法和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在器件表面生长氧化铝(Al2O3)，作为隔离层。利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在器件表面生长AlGaN来和GaN形成异质结，形成拥有二维电子气的导电沟道。
本发明的一个实施例，制备栅极(Gate)时，先进行光刻工艺，之后使用热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发等方法蒸镀金属膜，使用剥离工艺形成电极。其中，可采用的金属为Pt或Au，当金属为Pt时，蒸镀厚度为50nm，当金属选用Au时，蒸镀厚度为100nm。利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或原子层沉积(ALD)方法在平行于N+型高掺杂衬底GaN衬底的器件表面生长氮化硅(SiN)，作为隔离层。制备欧姆接触源极(source)和漏极(Drain)：光刻工艺后，在器件结构正面使用热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发等方法蒸镀金属膜，例如，可选用Ti、Al、Ni、Au，蒸镀厚度依次为25nm、100nm、25nm和55nm，使用剥离工艺形成电极后在600℃、N2环境下退火。
可选地，GaN衬底也可以选用SiC衬底，SiC隔离层还可以选用氧化铪材料。
以上仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种垂直氮化镓场效应晶体管，其特征在于，包括：N+型高掺杂GaN衬底、第一硅掺的N+型GaN外延层、第二硅掺的N-型GaN外延层、第三硅掺的N+型GaN外延层、Al2O3隔离层、AlGaN层、栅极层、SiN隔离层、源极层和漏极层；
其中，第一硅掺的N+型GaN外延层沉积于N+型高掺杂GaN衬底第一面中的部分区域、第二硅掺的N-型GaN外延层沉积于第一硅掺的N+型GaN外延层、第三硅掺的N+型GaN外延层第二硅掺的N-型GaN外延层，Al2O3隔离层沉积于N+型高掺杂GaN衬底中除第一硅掺的N+型GaN外延层的剩余区域；
AlGaN层在垂直于N+型高掺杂GaN衬底的方向上沉积于第二硅掺的N-型GaN外延层表面，AlGaN层沉积有栅极氧化物Al2O3层，栅极层沉积于Al2O3层；
SiN隔离层在平行于N+型高掺杂GaN衬底的方向上沉积于除第三硅掺的N+型GaN外延层区域以外的表面，源极层沉积于SiN隔离层和第三硅掺的N+型GaN外延层表面，漏极层沉积于N+型高掺杂GaN衬底的另一面。
2.根据权利要求1的晶体管，其特征在于，栅极层包括10-25nm的AL2O3层以及50～100nm的金属膜层。
3.根据权利要求1的晶体管，其特征在于，第一硅掺的N+型GaN外延层0.2um-0.5um，第二硅掺的N-型GaN外延层0.3um-0.6um以及第三硅掺的N+型GaN外延层0.2um-0.5um。
4.根据权利要求1的晶体管，其特征在于，N+型高掺杂GaN衬底厚度为200～500um。
5.根据权利要求1的晶体管，其特征在于，第一硅掺的N+型GaN外延层、第二硅掺的N-型GaN外延层和第三硅掺的N+型GaN外延层的直径为5～10nm。
6.一种垂直氮化镓场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
利用金属有机化学气相沉积法在N+型高掺杂GaN衬底的第一面依次生长0.2um-0.5um的第一硅掺的N+型GaN外延层，0.3um-0.6um的第二硅掺的N-型GaN外延层以及0.2um-0.5um的第三硅掺的N+型GaN外延层；
以光刻胶阻挡对外延层进行电子束光刻，用Cl2/BCl3干法刻蚀，以及用TMAH溶液进行湿法刻蚀，在刻蚀后的器件表面N+型高掺杂GaN衬底上生长Al2O3作为隔离层，在垂直于氮化镓表面的方向上在第二硅掺的N-型GaN外延层的表面生长AlGaN,使得和GaN形成高密度二维电子气；
在AlGaN表面生长10-25nm的Al2O3作为栅极氧化物，并在Al2O3表面上蒸镀金属膜，剥离后形成栅极；
在平行于GaN的方向上生长SiN作为隔离层，对隔离层和n型高掺杂衬底GaN衬底的第二面分别进行光刻后表面蒸镀金属膜，剥离，形成源极和漏极，在600℃、N2环境下退火得到垂直氮化镓场效应晶体管。
7.根据权利要求1的垂直氮化镓场效应晶体管的制备方法，其特征在于，
第一硅掺的N+型GaN外延层中硅掺杂浓度为1x1018cm-3-4x1018cm-3，第一硅掺的N+型GaN外延层厚度为0.3um,直径为7nm；
第二硅掺的N-型GaN外延层中硅掺杂浓度为1x1015-1x1015cm2,1x1015-8x1015，第二硅掺的N-型GaN外延层厚度0.4um,直径为7nm；
第三硅掺的N+型GaN外延层中硅掺杂浓度为1x1018cm-3-8x1018cm-3，第三硅掺的N+型GaN外延层厚度0.3um，直径为7nm。
8.根据权利要求1的垂直氮化镓场效应晶体管的制备方法，其特征在于，AlGaN的厚度为10nm。
9.根据权利要求1的垂直氮化镓场效应晶体管的制备方法，其特征在于，在制备源极和漏极时蒸镀金属为Ti、A1、Ni和Au。
10.根据权利要求1的垂直氮化镓场效应晶体管的制备方法，其特征在于，栅极金属膜为Ti/Al膜、Ti/Au膜或Pt/Au膜。
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