CN214705935U - 基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管。包括衬底、异质结构、栅介质层、源电极、漏电极及栅电极；异质结构包括位于衬底表面的氧化镓层和位于氧化镓层表面的氧化锌层，氧化镓层和氧化锌层的界面处形成二维电子气；栅介质层位于氧化锌层的表面，栅电极位于栅介质层的表面；源电极和漏电极位于氧化镓层的表面，且与氧化镓层欧姆接触。本实用新型利用在原子层沉积氧化锌的过程中对氧化镓层的氧化还原反应所产生的氧空位，在氧化锌/氧化镓异质结界面处形成导电沟道，通过栅极电压对氧空位浓度的调节，实现对场效应晶体管的开关控制，从而为低导通电阻增强型氧化镓二维电子气的耐压电子器件提供新的解决方案。

Description

基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管

技术领域

本实用新型涉及半导体器件领域，特别是涉及一种基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管。

背景技术

随着新能源、5G等新兴技术的出现与快速发展，传统硅基器件已经无法满足这些应用场景的需求，因此第三代化合物半导体受到的关注度越来越高，它们在大功率、高温、高压等应用场合将发挥传统硅基器件无法实现的各种功能。氧化镓凭借其超宽的禁带而在大功率器件的应用方面展现出独特优势。氧化镓具有n型半导体的特性，β相氧化镓能够在高温下稳定工作，能够承载更高的能量密度，具有较高的载流子迁移率，有利于提升器件整体的能效以及让器件高速地工作，这填补了硅基器件的不足，使得氧化镓在大功率场景中有广阔的应用前景。

现有技术中的场效应晶体管由于选用的沟道材料无法承受大击穿场强，在大功率和高频率使用条件下器件生产成本高、稳定性差，满足不了高功率，高迁移率的需求，限制了功率器件的发展。近年来，人们提出了在周期性排列的超晶格结构以及外延生长的异质结构的氧化物界面中形成二维电子气(2DEG)，例如LaAlO₃/SrTiO₃和ZnO/MgZnO，然而LaAlO₃/SrTiO₃等衬底材料成本高昂、制备工艺复杂，难以形成大面积的二维电子气层。本申请的实用新型人经大量研究，提出了一种利用氧化镓材料形成二维电子气的技术方案。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管，用于解决传统的硅基器件难以满足高功率、高迁移率等场景的应用需求，而采用LaAlO₃/SrTiO₃等衬底材料形成二维电子气存在成本高昂、制备工艺复杂，难以形成大面积的二维电子气层等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管，包括，衬底、异质结构、栅介质层、源电极、漏电极及栅电极；所述异质结构包括位于衬底表面的氧化镓层和位于氧化镓层表面的氧化锌层，所述氧化镓层和氧化锌层的界面处形成二维电子气；所述栅介质层位于所述氧化锌层的表面，所述栅电极位于所述栅介质层的表面；所述源电极和漏电极位于所述氧化镓层的表面，且与所述氧化镓层欧姆接触。

可选地，所述氧化镓层的厚度为10nm～100nm。

可选地，所述氧化锌层的厚度为1nm～20nm。

可选地，所述栅介质层包括氧化铝层、氧化铪层和氧化硅层中的一种或多种的结合，所述氧化铝层的厚度为5nm～50nm。

可选地，所述源电极、漏电极和栅电极的材质选自金、银、铜、铝、镍、钛、钼和铂中的一种或多种的结合。

可选地，电极的厚度为20nm～100nm。

可选地，所述衬底包括硅、氧化硅和氧化镓衬底中的一种或多种的结合。

如上所述，本实用新型的基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管，具有以下有益效果：本实用新型利用在原子层沉积氧化锌的过程中对氧化镓层的氧化还原反应所产生的氧空位，在氧化锌/氧化镓异质结界面处形成导电沟道，通过栅极电压对氧空位浓度的调节，实现对场效应晶体管的开关控制，从而为低导通电阻增强型氧化镓二维电子气的耐压电子器件提供新的解决方案。本实用新型的制备工艺简单，可以制备大面积的二维电子气层，有利于降低器件成本。

附图说明

图1显示为本实用新型实施例一提供的基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管例示性截面结构示意图。

图2-8显示为本实用新型实施例二提供的基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管的制备方法于各步骤所呈现出的例示性截面结构示意图。

图9-16显示为本实用新型实施例三提供的基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管的制备方法于各步骤所呈现出的例示性截面结构示意图。

图17-28显示为本实用新型实施例四提供的基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管的制备方法于各步骤所呈现出的例示性截面结构示意图。

元件标号说明

11 衬底

12 氧化镓层

13 氧化锌层

14 二维电子气

15 栅介质层

16 源电极

17 漏电极

18 栅电极

19 光刻胶层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至28。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

如图1所示，本实用新型提供一种基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管，包括，衬底11、异质结构、栅介质层15、源电极16、漏电极17及栅电极18；所述异质结构包括位于衬底11表面的氧化镓层12和位于氧化镓层12表面的氧化锌层13，所述氧化镓层12和氧化锌层13的界面处形成二维电子气14；所述栅介质层15位于所述氧化锌层13的表面，所述栅电极18位于所述栅介质层15的表面；所述源电极16和漏电极17位于所述氧化镓层12的表面，且与所述氧化镓层12欧姆接触。本实用新型采用氧化镓材料和氧化锌形成异质结构，在氧化镓异质结界面能够形成可自由移动的电子，在不通过掺杂技术的条件下，可以形成低电阻率、高载流子密度的二维电子气，能够制备成耗尽型薄膜晶体管，满足高功率和高频率的使用场景。同时可以简化器件制备工艺，降低器件成本。

作为示例，所述衬底11包括但不限于氧化硅基底，或者可以为硅基底表面形成有氧化硅的复合衬底。在其他示例中，还可以为石英玻璃、塑料基底、硅衬底、氧化镓衬底或多种材质结合成的复合衬底等，对此不做严格限制。

所述氧化镓层和氧化锌层的厚度需精心设计才能确保二维电子气具有较好的性能。实用新型人经大量实验发现，所述氧化镓层12的厚度较佳地为10nm～100nm(包括端点值，本说明书中在涉及数值范围的描述时，如无特殊说明，均包括端点值)，更优地为20nm～50nm，所述氧化锌层13的厚度较佳地为1nm～20nm，更优地为10～15nm。所述氧化镓层12和氧化锌层13均可以采用包括但不限于等离子增强化学气相沉积、原子层沉积、金属氧化物化学气相沉积或者物理气相沉积方法中的一种或多种的结合形成，且在形成氧化镓层12还进行退火，以使非晶氧化镓转变为β相多晶或单晶氧化镓。

所述栅介质层15优选氧化铝层，这可以尽量减少栅介质层15和氧化锌层13之间的应力。所述氧化铝层的厚度较优地为5nm～50nm，更优地为10nm～30nm。当然，在其他示例中，所述栅介质层15也可以为氧化铪层、氧化硅层或其他高K介质材料或为多种材料层的结合，对此不做严格限制。形成所述栅介质层15的方法包括但不限于等离子增强化学气相沉积、原子层沉积、金属氧化物化学气相沉积或者物理气相沉积方法中的一种或多种的结合。

作为示例，所述源电极16、漏电极17和栅电极18的材质包括但不限于金、银、铜、铝、镍、钛、钼和铂中的一种或多种的结合，形成各电极的方法包括但不限于物理气相沉积法。各电极，包括所述源电极16、漏电极17和栅电极18的厚度优选为20nm～100nm。

实施例二

如图2至8所示，本实用新型提供一种基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管的制备方法，可以用于制备如实施例一中任一项所述的基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管，故实施例一中对薄膜场效应晶体管的介绍可以全文引用至此，出于简洁的目的尽量不赘述。所述制备方法包括步骤：

提供衬底11，于所述衬底11上方定义出有源区，得到的结构如图2所示；比如提供一二氧化硅基底，将二氧化硅基底依次放入丙酮溶液、乙醇溶液、去离子水中超声清洗5～10分钟后用氮气吹干，然后于衬底11上旋涂形成光刻胶层19，经曝光显影定义出有源区；

采用原子层沉积工艺于所述有源区形成氧化镓层12，所述氧化镓层12位于所述衬底11的表面；比如将清洗干燥后的二氧化硅基底放入等离子体增强型原子层沉积腔室中，沉积腔室温度为150℃～200℃(较优地为200℃)，反应前驱气体为三甲基镓，还原剂为氧气，之后去除残余的光刻胶层19，得到的结构如图3所示；

之后对所述氧化镓层12进行退火以使所述氧化镓层12的氧化镓转变为β相，也就是使非晶氧化镓转变为单晶或多晶氧化镓；对所述氧化镓层12进行退火的温度为800℃～1000℃，退火时间为5min～10min；在一较佳示例中，退火温度为800℃，退火时间为5分钟；

于退火后的所述氧化镓层12的表面形成源电极16和漏电极17，之后对所述源电极16和漏电极17进行退火，以使β相氧化镓和源电极16及漏电极17形成良好的欧姆接触；具体地，该步骤中，先于退火后的氧化镓层12及衬底11上形成光刻胶层19，然后采用曝光显影定义出源电极区域和漏电极区域，得到如图4所述的结构，之后采用包括但不限于物理气相沉积工艺分别于源电极区域和漏电极区域形成源电极16和漏电极17；在形成源电极16和漏电极17再次对电极进行退火处理，退火温度可以为800℃，退火温度为5min，以使得β相氧化镓与电极形成良好的欧姆接触，之后去除此步骤中残余的光刻胶层19，得到的结构如图5所示；

于所述氧化镓层12上方定义出沟道区域，采用原子层沉积工艺依次于所述沟道区域形成氧化锌层13及栅介质层15，所述氧化锌层13位于所述氧化镓层12表面，且氧化镓层12和氧化锌层13的界面处形成二维电子气14；具体地，本步骤中，先于电极退火处理后得到的结构表面形成光刻胶层19，然后采用曝光显影定义出沟道区域，得到的结构如图6所示；沟道区域通常位于氧化镓层12的上方，且位于源电极16和漏电极17之间，然后使用原子层沉积系统依次沉积氧化锌层13以及栅介质层15，比如氧化铝绝缘层，其中，沉积氧化锌层13时沉积腔室温度为150℃～200℃(优选为200℃)，反应前驱气体为二乙基锌，还原剂为去离子水；沉积氧化铝时沉积腔室温度为150℃～200℃(同样优选为200℃，即各膜层的沉积温度优选相同，以保持沉积系统条件的稳定，减少不同膜层之间的应力)，反应前驱气体为三甲基铝，还原剂为去离子水，形成氧化锌层13和栅介质层15后，去除此步骤中残余的光刻胶层19，得到的结构如图7所示，氧化镓层12和氧化锌层13形成异质结构，异质结构界面处形成二维电子气14；

于所述栅介质层15表面形成栅电极18；比如先于形成栅介质层15后得到的结构表面形成光刻胶层19，经曝光显影定义出栅电极区域，得到如图8所示的结构，栅电极区域通常位于栅电极18表面，然后采用物理气相沉积工艺在栅电极区域沉积金属以形成所述栅电极18，最后去除此步骤中残余的光刻胶层19，最终得到如图1所示的结构。

本实施例利用在原子层沉积氧化锌的过程中对氧化镓层12的氧化还原反应所产生的氧空位，在氧化锌/氧化镓异质结界面处形成导电沟道，通过栅极电压对氧空位浓度的调节，实现对场效应晶体管的开关控制，从而为低导通电阻增强型氧化镓二维电子气14的耐压电子器件提供新的解决方案。该制备工艺简单，可以制备大面积的二维电子气14层，有利于降低器件成本。

实施例三

如图9-16所示，本实施例提供另一种氧化镓二维电子气14的薄膜场效应晶体管的制备方法，同样可以用于制备如实施例一中任一项所述的基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管，故实施例一中对薄膜场效应晶体管的介绍可以全文引用至此，出于简洁的目的尽量不赘述。所述制备方法包括步骤：

提供衬底11，采用原子层沉积工艺于所述衬底11表面形成氧化镓层12；比如提供一二氧化硅基底，将二氧化硅基底依次放入丙酮溶液、乙醇溶液、去离子水中超声清洗5～10分钟后用氮气吹干，然后将清洗干燥后的二氧化硅基底放入等离子体增强型原子层沉积腔室中，沉积腔室温度为150℃～200℃(较优地为200℃)，反应前驱气体为三甲基镓，还原剂为氧气，得到的结构如图9所示；

对所述氧化镓层12进行退火以使所述氧化镓层12的氧化镓转变为β相，也即使非晶氧化镓转变为单晶或多晶氧化镓；对所述氧化镓层12进行退火的温度为800℃～1000℃，退火时间为5min～10min；在一较佳示例中，退火温度为800℃，退火时间为5分钟；

于所述氧化镓层12上方定义出源电极区域及漏电极区域；比如先于氧化镓层12表面形成光刻胶层19，然后经曝光显影定义出所需图形，得到的结构如图10所示；

采用包括但不限于物理气相沉积工艺分别于所述源电极区域及漏电极区域形成源电极16和漏电极17，对所述源电极16和漏电极17进行退火以得到预处理结构，以使β相氧化镓和源电极16及漏电极17形成良好的欧姆接触，然后去除残余的光刻胶层19，得到的结构如图11所示；该步骤中，对电极退火的温度可以为800℃，退火温度为5min；

采用原子层沉积工艺于得到的预处理结构表面依次形成氧化锌层13及栅介质层15；比如使用原子层沉积系统依次沉积氧化锌层13以及栅介质层15，例如氧化铝绝缘层，其中，沉积氧化锌层13时沉积腔室温度为150℃～200℃(优选为200℃)，反应前驱气体为二乙基锌，还原剂为去离子水；沉积氧化铝时沉积腔室温度为150℃～200℃(同样优选为200℃，即各膜层的沉积温度优选相同，以保持沉积系统条件的稳定，减少不同膜层之间的应力)，反应前驱气体为三甲基铝，还原剂为去离子水，得到的结构如图12所示；

对所述氧化锌层13和栅介质层15进行光刻刻蚀，比如先于图12所示的结构表面形成光刻胶层19，然后经曝光显影定义出有源区，得到的结构如图13所示；之后采用光刻刻蚀去除位于有源区之外的氧化锌层13和栅介质层15，得到结构如图14所示，所述有源区位于所述源电极16和漏电极17之间，且位于所述氧化镓层12的上方，所述氧化锌层13位于所述氧化镓层12表面，且氧化镓层12和氧化锌层13形成异质结构，异质结构的界面处形成二维电子气14，之后去除有源区表面残余的光刻胶层19，得到的结构如图15所示；

于所述栅介质层15表面形成栅电极18；该步骤中，可以先于如图15所述的结构表面形成光刻胶层19，经曝光显影定义出栅电极区域，栅电极区域通常位于栅介质层15上方，得到如图16所示的结构，之后采用包括但不限于物理气相沉积工艺于栅电极区域沉积电极材料以形成所述栅电极18，最后去除此步骤中残余的光刻胶层19，最终得到如图1所示的结构。

本实施例的制备方法与实施例二的主要区别在于各结构层的形成顺序不同，而各结构层的材质及形成方法则基本相同，故对相关结构层的介绍可以参考实施例二的介绍，出于简洁的目的尽量不赘述。

实施例四

如图17-28所示，本实施例提供另一种基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管的制备方法，同样可以用于制备如实施例一中任一项所述的基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管，故实施例一中对薄膜场效应晶体管的介绍可以全文引用至此，出于简洁的目的尽量不赘述。所述制备方法包括步骤：

提供衬底11，采用原子层沉积工艺于所述衬底11表面形成氧化镓层12；比如提供一二氧化硅基底，将二氧化硅基底依次放入丙酮溶液、乙醇溶液、去离子水中超声清洗5～10分钟后用氮气吹干，然后将清洗干燥后的二氧化硅基底放入等离子体增强型原子层沉积腔室中，沉积腔室温度为150℃～200℃(较优地为200℃)，反应前驱气体为三甲基镓，还原剂为氧气，得到的结构如图17所示；

对所述氧化镓层12进行退火以使所述氧化镓层12的氧化镓转变为β相，也即使非晶氧化镓转变为单晶或多晶氧化镓；对所述氧化镓层12进行退火的温度为800℃～1000℃，退火时间为5min～10min；在一较佳示例中，退火温度为800℃，退火时间为5分钟；

于所述氧化镓层12上方定义出源电极区域及漏电极区域；该步骤中，通常包括先于退火后的氧化镓层12表面形成光刻胶层19，然后经曝光显影定义出所需图形，得到的结构如图18所示；

分别于所述源电极区域及漏电极区域形成源电极16和漏电极17，对所述源电极16和漏电极17进行退火以得到第一预处理结构，以使β相氧化镓和源电极16及漏电极17形成良好的欧姆接触；对电极退火的温度可以为800℃，退火温度为5min，之后去除残余的光刻胶层19，得到的结构如图19所示；

采用原子层沉积工艺于得到的第一预处理结构表面形成氧化锌层13；比如使用原子层沉积系统沉积氧化锌层13，沉积腔室温度为150℃～200℃(优选为200℃)，反应前驱气体为二乙基锌，还原剂为去离子水，得到的结构如图20所示；

对所述氧化锌层13进行光刻刻蚀，比如于氧化锌层13表面形成光刻胶层19，然后经曝光显影定义出有源区，得到的结构如图21所示，然后采用光刻刻蚀去除位于有源区之外的氧化锌层13以得到第二预处理结构，得到的结构如图22所示，所述有源区位于所述源电极16和漏电极17之间，且位于所述氧化镓层12的上方，保留的所述氧化锌层13位于所述氧化镓层12表面，且氧化镓层12和氧化锌层13的界面处形成二维电子气14；之后去除该步骤中残余的光刻胶层19，得到的结构如图23所示；

于得到的第二预处理结构表面形成栅介质层15；比如使用原子层沉积系统形成栅介质层15，例如氧化铝绝缘层，沉积腔室温度为150℃～200℃(同样优选为200℃，即膜层的沉积温度优选相同，以保持沉积系统条件的温度，减少不同膜层之间的应力)，反应前驱气体为三甲基铝，还原剂为去离子水，得到的结构如图24所示；

对所述栅介质层15进行光刻刻蚀，比如先于栅介质层15表面形成光刻胶层19，经曝光显影再次定义出有源区，得到的结构如图25所示，之后采用光刻刻蚀去除位于有源区之外的栅介质层15，得到的结构如图26所示，所述栅介质层15位于所述氧化锌层13的表面，之后去除残余的光刻胶层19，得到的结构如图27所示；

于所述栅介质层15表面形成栅电极18；该步骤包括于图27所示的结构表面形成光刻胶层19，经曝光显影又一次定义出有源区(与前述步骤的有源区位置相同)，得到的结构如图28所示，之后于有源区内，即采用包括但不限于物理气相沉积工艺于栅介质层15表面形成栅电极18，最终得到如图1所示的结构。

本实施例的制备方法与实施例三的主要区别在于，实施例三中，氧化锌层和栅介质层为连续依次形成，之后经同一光刻刻蚀工艺形成栅电极区域，而本实施例中，氧化锌层和栅介质层为非连续形成，因而需经多次光刻刻蚀工艺，虽然步骤相对复杂，但各光刻刻蚀工艺中的光刻胶层的厚度可以相应减小，有利于提高曝光对准精度。

综上所述，本实用新型提供一种基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管。薄膜场效应晶体管包括，衬底、异质结构、栅介质层、源电极、漏电极及栅电极；所述异质结构包括位于衬底表面的氧化镓层和位于氧化镓层表面的氧化锌层，所述氧化镓层和氧化锌层的界面处形成二维电子气；所述栅介质层位于所述氧化锌层的表面，所述栅电极位于所述栅介质层的表面；所述源电极和漏电极位于所述氧化镓层的表面，且与所述氧化镓层欧姆接触。本实用新型利用在原子层沉积氧化锌的过程中对氧化镓层的氧化还原反应所产生的氧空位，在氧化锌/氧化镓异质结界面处形成导电沟道，通过栅极电压对氧空位浓度的调节，实现对场效应晶体管的开关控制，从而为低导通电阻增强型氧化镓二维电子气的耐压电子器件提供新的解决方案。本实用新型的制备工艺简单，可以制备大面积的二维电子气层，有利于降低器件成本。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于氧化镓二维电子气的薄膜场效应晶体管，其特征在于，包括，衬底、异质结构、栅介质层、源电极、漏电极及栅电极；所述异质结构包括位于衬底表面的氧化镓层和位于氧化镓层表面的氧化锌层，所述氧化镓层和氧化锌层的界面处形成二维电子气；所述栅介质层位于所述氧化锌层的表面，所述栅电极位于所述栅介质层的表面；所述源电极和漏电极位于所述氧化镓层的表面，且与所述氧化镓层欧姆接触。

2.根据权利要求1所述的薄膜场效应晶体管，其特征在于，所述氧化镓层的厚度为10nm~100nm。

3.根据权利要求1所述的薄膜场效应晶体管，其特征在于，所述氧化锌层的厚度为1nm~20nm。

4.根据权利要求1所述的薄膜场效应晶体管，其特征在于，所述栅介质层包括氧化铝层、氧化铪层和氧化硅层中的一种或多种的结合，所述氧化铝层的厚度为5nm~50nm。

5.根据权利要求1所述的薄膜场效应晶体管，其特征在于，所述源电极、漏电极和栅电极的材质选自金、银、铜、铝、镍、钛、钼和铂中的一种。

6.根据权利要求1所述的薄膜场效应晶体管，其特征在于，所述源电极、漏电极和栅电极的厚度为20nm~100nm。

7.根据权利要求1所述的薄膜场效应晶体管，其特征在于，所述衬底包括硅衬底、氧化硅衬底和氧化镓衬底中的一种或多种。

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