CN117936578A - 一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管及其制备方法，包括依次设置的衬底、沟道层、势垒层和铁电栅介质；所述沟道层的材料为非故意掺杂β‑Ga2O3，所述势垒层的材料为AlN，在沟道层与势垒层的界面形成AlN/β‑Ga2O3异质结。本发明通过采用AlN/β‑Ga2O3异质结解决Ga2O3载流子迁移率低的问题，同时利用铁电栅介质AlScN实现Ga2O3场效应晶体管工作模式的切换。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，具体涉及一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
随着汽车电子、航空航天和电子电力等领域的发展，对于功率更大、能耗和成本更低、可靠性更高的半导体器件的需求急剧增长。由于禁带宽度大、击穿电场强度高、抗辐射能力强，宽禁带半导体可适用于高温高压等极端环境。β-Ga2O3具有4.8eV的禁带宽度、8MV/cm的理想击穿电场强度和高达3400的巴利加优值，远远大于SiC(340)和GaN(870)等同类型材料。特别是，β-Ga2O3单晶生产成本低、质量高，表现出应用于功率/射频器件的巨大潜力。
然而，载流子迁移率低等固有材料特性，使得氧化镓基器件的频率特性和输出特性受到制约，低于理论预期值。调制掺杂沟道是获得高压、高频和大功率Ga2O3晶体管的关键技术。目前主要通过Delta掺杂构建β-(AlxGa1-x)2O3/Ga2O3异质结，形成二维电子气(2DEG)改善器件电学性能。高浓度Al掺杂会带来杂质散射，降低电子迁移率，且不可避免地在器件中引入寄生沟道。同时，Delta掺杂需要对掺杂层精准定位，工艺难度和成本都较高。此外，难以进行有效P型掺杂，Ga2O3无法形成P型场效应晶体管。尽管采用沟槽栅、F离子注入等技术手段可实现常关型的2DEG器件，但是这些措施增加了器件制造的工艺复杂度，同时极易引入缺陷和界面态，造成器件电学性能退化，不利于高性能Ga2O3器件的实现。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管及其制备方法，通过采用AlN/β-Ga2O3异质结解决Ga2O3载流子迁移率低的问题，同时利用铁电栅介质AlScN实现Ga2O3场效应晶体管工作模式(即增强型和耗尽型)的切换。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管，包括依次设置的衬底、沟道层、势垒层和铁电栅介质；所述沟道层的材料为非故意掺杂β-Ga2O3，所述势垒层的材料为AlN，在沟道层与势垒层的界面形成AlN/β-Ga2O3异质结。
所述铁电栅介质的材料为AlScN。
所述沟道层的晶面采用(001)型或(-201)型。
所述沟道层上设置源电极和漏电极，且源电极和漏电极被所述势垒层隔开，所述铁电栅介质上设置栅电极。
所述势垒层设置有向所述衬底方向凹陷的凹槽；
铁电栅介质，设置在所述源漏电极上、所述源漏电极侧壁、所述势垒层上及所述凹槽的内壁上；
栅电极，设置在所述铁电栅介质上。
所述势垒层凹槽位于势垒层中间或位于势垒层中间偏向源漏电极中的一侧的位置；
所述栅电极的位置受到所述势垒层凹槽的限制。
所述铁电栅介质在源漏电极上的部分的边缘与所述源漏电极的边缘具有一定距离，源漏电极未被铁电栅介质覆盖的部分即为预制的互联通孔。
所述沟道层在所述源漏电极下方位置设置凹槽，使源漏电极下表面低于沟道层最高上表面一定距离。
所述势垒层采用AlN材料，势垒层采用(0001)晶面；
所述沟道层采用非故意掺杂(UID)β-Ga2O3材料，沟道层采用(001)、(-201)晶面中的一种；
所述铁电栅介质采用AlScN材料；
所述衬底包括但不限于蓝宝石、掺铁氧化镓(Fe-Doped Ga2O3)、掺镁氧化镓(Mg-Doped Ga2O3)中的一种；
所述源漏电极采用镍、金、钛、铝、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆、钨中的至少一种，但不限于此；源漏电极与沟道层受到掺杂的部分形成欧姆接触。
所述栅电极采用镍、金、钛、铝、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆、钨、氮化钛、氮化钽中的至少一种，但不限于此。
所述势垒层与沟道层处，形成AlN(0001)/β-Ga2O3异质结结构，在AlN(0001)/β-Ga2O3异质结结构中，AlN的自发极化电场能将异质结处Ga2O3导带弯曲至费米能级之下，形成深且窄的势阱，电子填充至势阱并形成二维电子气。
进一步的，在(001)或(-201)的β-Ga2O3材料上外延(0001)AlN材料，此时在(0001)AlN材料中同时存在两材料晶格常数不匹配造成的压电极化和AlN材料自身存在的自发极化；
压电极化方向由Ga2O3指向AlN，自发极化方向从AlN指向Ga2O3，且远强于压电极化，总极化方向是从AlN指向Ga2O3；
对铁电栅介质施加偏压，形成不同方向的极化状态，分为极化向上和极化向下两个状态；
从而增强和耗尽栅电极下方二维电子气，实现器件的导通与关断，即耗尽型和增强型工作模式的切换。
一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤；
1)在衬底上表面外延生长Ga2O3沟道层；
2)在Ga2O3沟道层上表面生长(0001)AlN势垒层；
3)在整体结构相对的两侧刻蚀全部势垒层或全部势垒层与部分沟道层，形成源漏极凹槽；
4)在整体结构的中间位置刻蚀势垒层，形成栅极凹槽；
5)在所述源漏极凹槽位置制备源漏电极；
6)在源漏电极上表面、源漏电极侧壁、势垒层上表面及势垒层凹槽内壁表面生长AlScN栅极介质；
7)在源漏电极上方的边缘处刻蚀栅极介质，形成互连通孔；
8)制作栅电极，完成Ga2O3场效应晶体管制备。
所述步骤1)中，所述外延生长Ga2O3采用包括但不限于金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法、分子束外延(MBE)法、氢化物气相外延(HVPE)法、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法中的一种；
所述步骤2)中，所述外延生长AlN采用包括但不限于金属有机气相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)、电子束蒸发、直流反应磁控溅射中的一种；
所述步骤3)中，所述刻蚀采用包括但不限于离子束刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、电感耦合等离子体刻蚀(ICP)、电容耦合等离子体刻蚀(CCP)中的一种；
所述步骤4)中，所述刻蚀采用包括但不限于离子束刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、电感耦合等离子体刻蚀(ICP)、电容耦合等离子体刻蚀(CCP)中的一种；
所述步骤5)中，所述电极制作工艺采用磁控溅射、电子束蒸镀中的一种；
所述步骤6)中，所述外延生长采用反应式射频磁控溅射，溅射源选用Al与Sc金属、AlSc合金中的一种；
所述步骤7)中，所述刻蚀采用包括但不限于离子束刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、电感耦合等离子体刻蚀(ICP)、电容耦合等离子体刻蚀(CCP)中的一种；
所述步骤8)中，所述电极制作工艺采用磁控溅射、电子束蒸镀中的一种。
所述步骤5)中，在制作源漏电极之前，需要用离子注入设备对源漏凹槽下方沟道层材料进行第一施主离子注入形成N型掺杂，第一施主离子包括但不限于Si离子，第一施主离子浓度为1x1019～2x1019个/cm3，离子注入后需要退火(850℃～900℃，20～30min)激活离子。
本发明的有益效果：
本发明通过采用AlN/β-Ga2O3异质结，实现2DEG，降低导通电阻，提升频率特性和输出特性。相对于常规的β-(AlxGa1-x)2O3/Ga2O3异质结，AlN/β-Ga2O3界面有更大的导带阶，能够产生更强的电子限域性，二维电子气质量更高。
由于AlN和AlScN的晶格常数、热膨胀系数等材料特性接近，势垒层3AlN可作为成核层生长高质量的AlScN薄膜，AlScN薄膜也能极大减小界面层的缺陷，显著降低AlN表面能级对2DEG的影响。同时，AlScN具有铁电性，预施加电压可改变其极化电场方向，进而调控二维电子气沟道的导通与关断，实现器件增强和耗尽型的切换。
附图说明
图1为本发明的增强/耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管纵向截面示意图。
图2为本发明的增强/耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管制作流程示意图。
图3为AlN(0001)/β-Ga2O3异质结结构示意图。
图4为增强和耗尽栅极下方二维电子气得示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1，本发明中增强/耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管包括：衬底1、氧化镓沟道层2、AlN势垒层3、源漏电极4、AlScN栅介质5和栅极电极6。
衬底1和沟道层2依次层叠设置；
源漏电极4，设置在所述沟道层2上相对的两侧，左右侧各设置一个；
势垒层3，设置在所述沟道层2上并设置在所述源漏电极4之间；所述势垒层3设置有向所述衬底1方向凹陷的凹槽；
铁电栅介质5，设置在所述源漏电极4上、所述源漏电极4侧壁、所述势垒层3上及所述凹槽的内壁上；
栅电极6，设置在所述铁电栅介质5上。
衬底起绝缘效果；
沟道层作为载流子的运输通道；
AlN势垒层与氧化镓沟道层共同生成二维电子气，同时作为成核层生长高质量AlScN薄膜；
源漏电极作为载流子流入和流出沟道层的通道；
AlScN栅介质提供铁电性以调控器件常开和常关状态的切换，同时也为AlN势垒层起到表面钝化作用；
栅电极控制器件的开关，也起到调控AlScN栅介质极化方向的作用。
如图2所示，一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤；
1)在衬底1上表面外延生长Ga2O3沟道层2；
2)在Ga2O3沟道层2上表面生长(0001)AlN势垒层3；
3)在整体结构相对的两侧刻蚀全部势垒层3或全部势垒层3与部分沟道层2，形成源漏极凹槽；
4)在整体结构的中间位置刻蚀势垒层3，形成栅极凹槽；
5)在所述源漏极凹槽位置制备源漏电极4；
6)在源漏电极4上表面、源漏电极4侧壁、势垒层3上表面及势垒层3凹槽内壁表面生长AlScN栅极介质；
7)在源漏电极4上方的边缘处刻蚀栅极介质，形成互连通孔；
8)制作栅电极6，完成Ga2O3场效应晶体管制备。
所述衬底1的厚度为50～650μm。
所述沟道层2的厚度为100～600nm。
所述势垒层3的厚度为10～50nm。
所述源漏电极4的厚度为50～300nm。
所述栅电极6的厚度为50～300nm。
所述铁电栅介质5的厚度为30～50nm。
如图3所示，在AlN(0001)/β-Ga2O3异质结结构中，AlN的自发极化电场能将异质结处Ga2O3导带弯曲至费米能级之下，形成深且窄的势阱；
在(001)或(-201)的β-Ga2O3材料上外延(0001)AlN材料，此时在AlN材料中同时存在两材料晶格常数不匹配造成的压电极化和AlN材料自身存在的自发极化；
压电极化方向由Ga2O3指向AlN，自发极化方向从AlN指向Ga2O3，且远强于压电极化，因此总极化方向是从AlN指向Ga2O3。
电场导致能带弯曲，在界面处，能带弯曲至最低值，异质结界面附近Ga2O3材料的导带被弯曲至费米能级以下，因此形成一个能够容纳大量电子的势阱，电子填充至势阱并形成二维电子气。
如图4所示。AlN存在高面密度的类施主表面态，表面态离化后释放出电子，并在极化电场作用下聚集到异质结界面处的势阱中，形成二维电子气(2DEG)；铁电材料具有非易失的自发极化；对铁电栅介质5AlScN施加偏压，可形成不同方向的极化状态，在这里可以分为极化向上和极化向下两个状态。
例如在栅极施加正向偏置，则铁电薄膜受到指向衬底1的电场作用，铁电材料内的铁电畴在电场作用下重新排列而形成指向衬底1的自发极化，撤走外加偏置后，小部分铁电畴恢复无序状态，大部分铁电畴保持排列，总极化方向指向衬底1，反之亦然。
从而增强和耗尽栅电极6下方二维电子气，实现器件的导通与关断，即耗尽型和增强型工作模式的切换。
参照图2，本发明制作增强/耗尽可切换的Ga2O3场效应晶体管的方法，给出如下实施例。
实施例：
制作增强/耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管。
本实例的实现步骤如下：
步骤1：清洗衬底1
将400μm厚度的蓝宝石衬底1置于高纯氢气(H2)、1100℃的环境中热清洁10分钟，以去除其表面的杂质，如图2(a)。
步骤2：沉积Ga2O3沟道层2
利用金属有机物化学气相沉积工艺(MOCVD)，在875℃的温度与25Torr的压强条件下，通入三甲基镓(100sccm)和氧气(500sccm)，在蓝宝石衬底1上生长50nm厚的(-201)晶面非故意掺杂β-Ga2O3，如图2(b)。
步骤3：沉积AlN势垒层3
利用金属有机物化学气相沉积工艺(MOCVD)，在900℃的温度与100Torr的压强条件下，通入三甲基铝(30sccm)、氨气流量为500sccm的NH3以及流量为1000sccm的氢气(H2)作为环境气体，在β-Ga2O3沟道层2上生长一层10nm厚度的(0001)晶面AlN势垒层3，如图2(c)。
步骤4：刻蚀形成源漏凹槽
在射频功率500W，气压100mTorr，温度125℃，利用氯气分别刻蚀AlN与Ga2O3材料，形成源极、漏极凹槽，如图2(d)。
步骤5：刻蚀形成栅极凹槽
在射频功率400W，气压100mTorr，温度125℃及刻蚀掩膜的作用下，刻蚀AlN材料层，形成AlN势垒层3栅极凹槽，如图2(e)。
步骤6：源漏处沟道重掺杂
利用离子注入工艺，对源漏极凹槽下方的Ga2O3材料注入Si离子，形成2e19的掺杂浓度，并在氮气(N2)气氛中进行30分钟，850℃的热退火。
步骤7：形成源漏电极4
利用电子束蒸镀工艺，形成25nm/140nm/40nm/50nm的Ti/Al/Ni/Au叠层金属作为源极与漏极电极，并在氮气中完成退火，如图2(f)。
步骤8：沉积AlScN薄膜
利用反应式射频磁控溅射工艺，以Al0.57Sc0.43材料作为合金靶，在2.5mTorr气压的Ar/N2气体环境中沉积40nm厚的AlScN铁电薄膜，如图2(g)。
步骤9：刻蚀AlScN薄膜
利用刻蚀气体氯气，在射频功率400W，气压100mTorr，温度125℃及刻蚀掩膜的作用下，刻蚀AlScN材料层，在源漏极处刻蚀出金属连接通孔，如图2(h)。
步骤10：形成栅极电极
利用电子束蒸镀工艺，形成50nm/100nm的Ni/Au栅极电极，并在氮气中退火，完成器件制作，如图2(i)。
以上所述仅是本发明的几个优选实施方式，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)
1.一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管，包括依次设置的衬底(1)、沟道层(2)、势垒层(3)和铁电栅介质(5)；其特征在于，所述沟道层(2)的材料为非故意掺杂β-Ga2O3，所述势垒层(3)的材料为AlN，在沟道层(2)与势垒层(3)的界面形成AlN/β-Ga2O3异质结。
2.根据权利要求1所述的一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管，其特征在于，所述铁电栅介质(5)的材料为AlScN。
3.根据权利要求1所述的一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管，其特征在于，所述沟道层(2)的晶面采用(001)型或(-201)型。
4.根据权利要求1所述的一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管，其特征在于，所述沟道层(2)上设置源电极(41)和漏电极(42)，且源电极(41)和漏电极(42)被所述势垒层(3)隔开，所述铁电栅介质(5)上设置栅电极(6)。
5.根据权利要求1所述的一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管，其特征在于；
所述势垒层(3)设置有向所述衬底(1)方向凹陷的凹槽；
铁电栅介质(5)，设置在所述源漏电极(4)上、所述源漏电极(4)侧壁、所述势垒层(3)上及所述凹槽的内壁上；
栅电极(6)，设置在所述铁电栅介质(5)上；
所述凹槽位于势垒层(3)中间或位于势垒层(3)中间偏向源漏电极(4)中的一侧的位置；
所述栅电极(6)的位置受到所述势垒层(3)凹槽的限制；
所述铁电栅介质(5)在源漏电极(4)上的部分的边缘与所述源漏电极(4)的边缘具有一定距离，源漏电极(4)未被铁电栅介质(5)覆盖的部分即为预制的互联通孔；
所述沟道层(2)在所述源漏电极(4)下方位置设置凹槽，使源漏电极(4)下表面低于沟道层(2)最高上表面一定距离；
所述势垒层(3)采用AlN材料，势垒层(3)采用(0001)晶面；
所述衬底(1)为蓝宝石、掺铁氧化镓(Fe-Doped Ga2O3)、掺镁氧化镓(Mg-Doped Ga2O3)中的一种；
所述源漏电极(4)采用镍、金、钛、铝、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆、钨中的至少一种；源漏电极(4)与沟道层(2)受到掺杂的部分形成欧姆接触；
所述栅电极(6)采用镍、金、钛、铝、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆、钨、氮化钛、氮化钽中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管，其特征在于，所述势垒层(3)与沟道层(2)处，形成AlN(0001)/β-Ga2O3异质结结构，在AlN(0001)/β-Ga2O3异质结结构中，AlN的自发极化电场能将异质结处Ga2O3导带弯曲至费米能级之下，形成深且窄的势阱，电子填充至势阱并形成二维电子气。
7.根据权利要求6所述的一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管，其特征在于，在(001)或(-201)的β-Ga2O3材料上外延(0001)AlN材料，在(0001)AlN材料中同时存在两材料晶格常数不匹配造成的压电极化和AlN材料自身存在的自发极化；
压电极化方向由Ga2O3指向AlN，自发极化方向从AlN指向Ga2O3，且远强于压电极化，总极化方向是从AlN指向Ga2O3；
对铁电栅介质(5)施加偏压，形成不同方向的极化状态，分为极化向上和极化向下两个状态；
从而增强和耗尽栅电极(6)下方二维电子气，实现器件的导通与关断，即耗尽型和增强型工作模式的切换。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
1)在衬底(1)上表面外延生长Ga2O3沟道层(2)；
2)在Ga2O3沟道层(2)上表面生长(0001)AlN势垒层(3)；
3)在整体结构相对的两侧刻蚀全部势垒层(3)或全部势垒层(3)与部分沟道层(2)，形成源漏极凹槽；
4)在整体结构的中间位置刻蚀势垒层(3)，形成栅极凹槽；
5)在所述源漏极凹槽位置制备源漏电极(4)；
6)在源漏电极(4)上表面、源漏电极(4)侧壁、势垒层(3)上表面及势垒层(3)凹槽内壁表面生长AlScN栅极介质；
7)在源漏电极(4)上方的边缘处刻蚀栅极介质，形成互连通孔；
8)制作栅电极(6)，完成Ga2O3场效应晶体管制备。
9.根据权利要求8所述的所述的一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述外延生长Ga2O3采用包括但不限于金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法、分子束外延(MBE)法、氢化物气相外延(HVPE)法、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法中的一种；
所述步骤2)中，所述外延生长AlN采用包括但不限于金属有机气相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)、电子束蒸发、直流反应磁控溅射中的一种；
所述步骤3)中，所述刻蚀采用包括但不限于离子束刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、电感耦合等离子体刻蚀(ICP)、电容耦合等离子体刻蚀(CCP)中的一种；
所述步骤4)中，所述刻蚀采用包括但不限于离子束刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、电感耦合等离子体刻蚀(ICP)、电容耦合等离子体刻蚀(CCP)中的一种；
所述步骤5)中，所述电极制作工艺采用磁控溅射、电子束蒸镀中的一种；
所述步骤6)中，所述外延生长采用反应式射频磁控溅射，溅射源选用Al与Sc金属、AlSc合金中的一种；
所述步骤7)中，所述刻蚀采用包括但不限于离子束刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、电感耦合等离子体刻蚀(ICP)、电容耦合等离子体刻蚀(CCP)中的一种；
所述步骤8)中，所述电极制作工艺采用磁控溅射、电子束蒸镀中的一种。
10.根据权利要求8所述的所述的一种增强和耗尽型可切换的Ga2O3场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中，在制作源漏电极(4)之前，需要用离子注入设备对源漏凹槽下方沟道层(2)材料进行第一施主离子注入形成N型掺杂，第一施主离子包括但不限于Si离子，第一施主离子浓度为1x1019～2x1019个/cm3，离子注入后需要退火(850℃～900℃，20～30min)激活离子。
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