CN219832664U - 一种基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于氧处理的高性能p‑GaN栅增强型晶体管，包括：衬底、缓冲层、GaN高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层、p‑GaN帽层、氧离子注入区、栅极、隔离区、源极以及漏极，其中，衬底、缓冲层、GaN高阻层、GaN沟道层以及AlGaN势垒层自下而上依次设置；p‑GaN帽层位于AlGaN势垒层的上表面中心位置；氧离子注入区位于AlGaN势垒层的内部，并且，氧离子注入区位于p‑GaN帽层的正下方；栅极位于p‑GaN帽层的上方；隔离区位于GaN高阻层的上方，源极和漏极位于GaN沟道层的上方，分别位于AlGaN势垒层5两侧。本实用新型提供的晶体管能够充分耗尽栅极区域下GaN沟道层和AlGaN势垒层之间产生的二维电子气，同时削弱晶体管栅极区域势垒层的极化效应，进而提高晶体管阈值电压和导通电流。
Description
技术领域
本实用新型属于微电子领域，涉及一种基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管。
背景技术
GaN器件作为具有高电子迁移率、高热导率、高击穿电压等优越性能的新型半导体器件，已经广泛应用于快充、射频、航天等领域，由于GaN材料在生长过程中产生的界面态和缺陷，器件栅极存在的缺陷对器件阈值电压产生不利影响。现有p-GaN栅增强型器件开启电压在1.5V左右，其阈值电压较低且工作范围小，与此同时存在由缺陷导致的阈值电压漂移，易出现器件误导通、输出错误信号等问题，因此近年来提高阈值电压是提升p-GaN栅器件性能的关键。
众所周知，GaN高电子迁移率晶体管(HEMT，High Electron MobilityTransistor)的导通电流由晶体管内部产生的二维电子气决定。常规的p-GaN栅增强型晶体管的阈值电压和导通电流相互制约，导致无法制备高性能晶体管。较厚的AlGaN势垒层可以极化出更多的二维电子气，使得导通电流增加，但是这也使得晶体管很难耗尽二维电子气，导致晶体管的阈值电压较低。为了消除这种矛盾，松下曾经提出过再生长AlGaN和p-GaN的技术，但是该技术极为复杂。与此同时，为了实现增强型器件，有人采用氧等离子体处理的方法氧化栅极的AlGaN势垒层，从而使其失去极化效应，进而实现增强型晶体管。
但是直接采用氧等离子体方法不适用于p-GaN栅极，这是因为p-GaN也容易被氧化，虽然实现了增强型器件但是牺牲了器件阈值电压稳定性，器件的可靠性降低。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管，该晶体管包括：衬底、缓冲层、GaN高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层、p-GaN帽层、氧离子注入区、栅极、隔离区、源极以及漏极，其中，
所述衬底、所述缓冲层、所述GaN高阻层、所述GaN沟道层以及所述AlGaN势垒层自下而上依次设置；
所述p-GaN帽层位于所述AlGaN势垒层的上表面中心位置；所述氧离子注入区位于所述AlGaN势垒层的内部，并且所述氧离子注入区位于所述p-GaN帽层的正下方；所述栅极位于所述p-GaN帽层的上方；
所述隔离区位于所述GaN高阻层的上方，并对称分布在所述GaN沟道层的两侧；所述源极和所述漏极位于所述GaN沟道层的上方，分别位于所述AlGaN势垒层两侧。
在本实用新型的一个实施例中，所述氧离子注入区与所述源极通过所述AlGaN势垒层间隔设置，所述氧离子注入区与所述漏极通过所述AlGaN势垒层间隔设置。
在本实用新型的一个实施例中，所述氧离子注入区的上表面与所述p-GaN帽层的下表面接触。
在本实用新型的一个实施例中，所述氧离子注入区与所述p-GaN帽层和栅极在横向方向的宽度相同。
在本实用新型的一个实施例中，所述氧离子注入区在纵向方向的深度小于所述AlGaN势垒层在纵向方向的深度。
在本实用新型的一个实施例中，所述氧离子注入区为注入氧离子的AlGaN形成的矩形。
在本实用新型的一个实施例中，所述隔离区的下表面与所述GaN沟道层的下表面接触，所述隔离区的上表面与所述AlGaN势垒层上表面齐平。
在本实用新型的一个实施例中，所述源极与所述漏极位于所述隔离区之间，并与相邻的隔离区内侧接触，所述源极和所述漏极的下表面均与所述GaN沟道层的上表面接触。
在本实用新型的一个实施例中，所述源极与所述GaN沟道层的界面形成欧姆接触，所述漏极与所述GaN沟道层的界面形成欧姆接触。
在本实用新型的一个实施例中，所述氧离子注入区的氧离子浓度为1017～1018cm-3。
本实用新型具有如下有益技术效果：
本实用新型所提供的晶体管，相比传统的晶体管，增加了位于AlGaN势垒层内部的氧离子注入区，该氧离子注入区位于AlGaN势垒层内部，能够充分耗尽栅极区域下GaN沟道层和AlGaN势垒层之间产生的二维电子气，同时削弱晶体管栅极区域势垒层的极化效应，进而提高晶体管阈值电压和导通电流。
相对于使用氧等离子体方法、再生长AlGaN势垒层和p-GaN层方法制备的晶体管，本实用新型提供的晶体管的制备过程简化了工艺步骤，在不改变原有成熟工艺过程基础上，增加一步氧离子注入，大幅度提升器件性能，降低了工艺成本和器件结构复杂程度，不但实现了增强型器件并且提高了器件阈值电压的稳定性和可靠性。
以下将结合附图及实施例对本实用新型做进一步详细说明。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的一种基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管的剖面侧视图；
图2为本实用新型实施例提供的基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管制备过程的流程示意图；
图3(a)～图3(h)为本实用新型实施例提供的基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管制备过程中各种阶段的示意图。
附图标记说明：
1-衬底，2-缓冲层，3-GaN高阻层，4-GaN沟道层，5-AlGaN势垒层，6-p-GaN帽层，7-氧离子注入区，8-栅极，9-隔离区，10-源极，11-漏极，100-光刻胶，200-凹槽。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型做进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
在本实用新型的描述中，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。由此，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。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定，此外，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“横向”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本实用新型的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本实用新型中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本实用新型中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本实用新型进行了描述，然而，在实施所要求保护的本实用新型过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
实施例一
请参见图1，图1为本实用新型实施例提供的一种基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管的剖面侧视图，该晶体管包括以下结构：衬底1、缓冲层2、GaN高阻层3、GaN沟道层4、AlGaN势垒层5、p-GaN帽层6、氧离子注入区7、栅极8、隔离区9、源极10和漏极11。
具体地，衬底1的材料是Si、蓝宝石、GaN、SiC、多晶AlN中的一种。
缓冲层2位于衬底1上方，缓冲层2的材料是AlN、AlGaN、AlN/(Al)GaN超晶格和GaN中的一种，在本实施例中，缓冲层2的材料为AlGaN，该缓冲层2在纵向方向的厚度为200～800nm。
GaN高阻层3位于缓冲层2上方。优选地，GaN高阻层3为C掺杂的GaN，其中，C掺杂浓度为5×1017cm-3～5×1018cm-3。
GaN沟道层4位于GaN高阻层3上方，AlGaN势垒层5位于GaN沟道层4上方。优选地，GaN沟道层4在纵向方向的厚度为50～500nm。
优选地，AlGaN势垒层5的材料为AlxGa1-xN，其中，x表示铝组份，x的取值范围为0.1～0.5，AlGaN势垒层5在纵向方向的厚度为10nm～50nm。
p-GaN帽层6位于AlGaN势垒层5的上方，具体地，p-GaN帽层6位于AlGaN势垒层5上表面中心位置，p-GaN帽层6的下表面与AlGaN势垒层5的上表面接触。
优选地，p-GaN帽层6的材料为Mg掺杂的p-GaN，并且Mg掺杂浓度为1018cm-3～1020cm-3，p-GaN帽层6的厚度为50nm～500nm。
氧离子注入区7位于AlGaN势垒层5的内部，氧离子注入区7为注入氧离子的AlGaN，氧离子注入区7位于p-GaN帽层6的正下方，氧离子注入区7的上表面与AlGaN势垒层5的上表面齐平且与p-GaN帽层6的下表面接触。进一步地，如图1所示，氧离子注入区7呈矩形，并且氧离子注入区7在纵向方向的深度h小于AlGaN势垒层5在纵向方向的深度H。
优选地，氧离子注入区7的氧离子浓度为1017～1018cm-3。
栅极8位于p-GaN帽层6的上方，进一步地，p-GaN帽层6、氧离子注入区7和栅极8在横向方向的宽度相同。
本实施例的隔离区9为两个，两个隔离区9位于GaN高阻层3的上方，并对称地分布在GaN沟道层4两侧，所有隔离区9与GaN沟道层4下表面接触，并且所有隔离区9与AlGaN势垒层5上表面齐平。
源极10和漏极11均位于GaN沟道层4的上方，分别位于AlGaN势垒层5两侧，即位于在两个隔离区9的之间，并与相邻隔离区9的内侧接触。具体地，第一侧的隔离区9与源极10相邻，并且，源极10与第一侧的隔离区9的内侧接触，第二侧的隔离区9与漏极11相邻，并且，漏极11与第二侧的隔离区9的内侧接触，源极10和漏极11的下表面均与GaN沟道层4的上表面接触；氧离子注入区7与源极10通过AlGaN势垒层5间隔设置，氧离子注入区7与漏极11通过AlGaN势垒层5间隔设置。
本实施例所提供的晶体管，相比传统的晶体管，增加了位于AlGaN势垒层内部的氧离子注入区，该氧离子注入区位于AlGaN势垒层内部，削弱栅极区域下方AlGaN势垒层的极化作用，同时耗尽栅极区域下的GaN沟道层和AlGaN势垒层之间产生的二维电子气，进而提高晶体管阈值电压，从而实现高阈值电压、高导通电流的增强型氮化镓晶体管。
图2为本实用新型实施例提供的基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管制备过程的流程示意图；该制备过程包括：
步骤1：在衬底上依次生长缓冲层、GaN高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层和p-GaN层。
请参照图3(a)，在衬底1上自下而上依次生长并形成缓冲层2、GaN高阻层3、GaN沟道层4、AlGaN势垒层5和p-GaN层。
具体地，衬底1的材料为Si、蓝宝石、GaN、SiC、多晶AlN中的一种，缓冲层2的材料为AlN、AlGaN、AlN/(Al)GaN超晶格和GaN中的一种。
优选地，采用金属有机化合物化学气相沉淀工艺，在低温下生长C掺杂的GaN高阻层3。
在本实用新型的一个实施例中，衬底1的材料为蓝宝石，缓冲层2的材料为AlGaN，厚度为200～800nm，
GaN高阻层3的C掺杂浓度为5×1017cm-3～5×1018cm-3，GaN沟道层4的厚度为50～500nm，AlGaN势垒层5的材料为AlxGa1-xN，其中，x的取值范围为0.1～0.5，x表示铝组份，AlGaN势垒层5在纵向方向的厚度为10nm～50nm；p-GaN层的材料为掺杂Mg的p-GaN，p-GaN层的厚度为50nm～500nm，其中，Mg掺杂浓度为1018cm-3～1020cm-3。
步骤2：在p-GaN层上表面旋涂光刻胶，并在p-GaN层上预设的栅极区域进行曝光、显影、去胶；
请参照图3(b)，在p-GaN层上预设栅极8的区域，在p-GaN层上表面整体旋涂光刻胶100，然后在p-GaN层上预设的栅极8的区域进行曝光、显影并去胶，以形成位于p-GaN层上方两侧的光刻胶100以及位于光刻胶100之间的凹槽200，该凹槽200的底部与p-GaN层上表面平齐，该凹槽200为p-GaN层上预设的栅极8的区域。
步骤3：在p-GaN层上方向AlGaN势垒层进行氧离子注入形成氧离子注入区；
请参照图3(c)，具体地，采用离子注入工艺，在两侧的光刻胶100上方以及凹槽200的上方向AlGaN势垒层5进行氧离子注入。通过步骤2，在p-GaN层上除了凹槽200外，其它区域均覆盖有光刻胶100，因此，在p-GaN层上方进行氧离子注入，实现了在AlGaN势垒层5内部，相当于仅在栅极8的预设区域进行氧离子注入。
在本实施例中，关键地，氧离子注入的温度为500～600℃，氧离子注入浓度为1017～1018cm-3，其中，氧离子注入深度由p-GaN层与AlGaN势垒层5的接触界面向下至AlGaN势垒层5内部。
随后，退火，如图3(d)所示，在AlGaN势垒层5内部形成氧离子注入区7，同时，AlGaN势垒层5中的二维电子气被充分耗尽。该氧离子注入区7呈矩形，材料为注入氧离子的AlGaN。氧离子注入区7位于p-GaN层栅极8预设区域的正下方，氧离子注入区7的上表面与AlGaN势垒层5的上表面齐平，氧离子注入区7的上表面与p-GaN层的下表面接触，并且氧离子注入区7在纵向方向的深度小于AlGaN势垒层5在纵向方向的深度。随后，清洗整个晶片。
步骤4：在p-GaN层上表面沉积栅极金属；
请参照图3(e)，在p-GaN层的上表面沉积栅极金属。在本实施例中，采用电子束蒸发或者磁控溅射法，在p-GaN层上表面沉积TiN，形成10nm～300nm的TiN金属层。
步骤5：在栅极金属上刻蚀掉栅极区域之外的p-GaN层和栅极金属；
请参照图3(f)，在栅极金属上刻蚀掉栅极8预设区域之外的栅极金属形成栅极8，在p-GaN层刻蚀掉栅极8预设区域之外的p-GaN层形成p-GaN帽层6。
具体地，本实施例采用反应离子法刻蚀掉栅极8预设区域之外的TiN金属层，从而形成栅极8，采用等离子法刻蚀掉栅极区域之外的p-GaN层，形成p-GaN帽层6。
步骤6：在AlGaN势垒层5两侧向下进行离子注入至GaN沟道层4形成隔离区；
请参照图3(g)，在AlGaN势垒层5的两侧向下进行离子注入至GaN沟道层4，形成位于GaN沟道层4两侧的隔离区9。
具体地，在本实施例中，在AlGaN势垒层5两侧向下进行N离子注入，注入N离子浓度为1015cm-3～1017cm-3。形成隔离区9，该隔离区9的下表面与GaN沟道层4下表面接触，该隔离区9的上表面与AlGaN势垒层5上表面齐平。
步骤7：在AlGaN势垒层上，在预设的源极区域和预设的漏极区域进行刻蚀并淀积金属，形成源极和漏极。
请参照图3(h)，具体地，在AlGaN势垒层5上刻蚀掉预设的源极10的区域、预设的漏极11的区域，然后分别在预设的源极10的区域、预设的漏极11的区域淀积金属，形成源极10和漏极11。
具体地，在本实施例中，采用干法刻蚀方法刻蚀AlGaN势垒层5中预设的源极10的区域、预设的漏极11的区域，然后采用电子束蒸发或者磁控溅射法在预设的源极10的区域、预设的漏极11的区域淀积金属，并经过退火后，形成源极10和漏极11，其中，源极10与GaN沟道层4的接触界面形成欧姆接触，漏极11与GaN沟道层4的接触界面形成欧姆接触。
本实用新型所提供的晶体管，相比传统的晶体管，增加了位于AlGaN势垒层内部的氧离子注入区，该氧离子注入区位于AlGaN势垒层内部，能够有效削弱栅极区域下AlGaN区域势垒层极化作用，同时耗尽GaN沟道层和AlGaN势垒层之间产生的二维电子气，进而提高晶体管阈值电压，从而实现高阈值电压、高导通电流的增强型氮化镓晶体管。
相对于使用氧等离子体方法、再生长AlGaN势垒层和p-GaN层方法制备的晶体管，本实用新型提供的晶体管的制备过程简化了工艺步骤，在不改变原有成熟工艺过程基础上，增加一步氧离子注入，大幅度提升器件性能，降低了工艺成本和器件结构复杂程度，不但实现了增强型器件并且提高了器件阈值电压的稳定性和可靠性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管，其特征在于，包括：衬底(1)、缓冲层(2)、GaN高阻层(3)、GaN沟道层(4)、AlGaN势垒层(5)、p-GaN帽层(6)、氧离子注入区(7)、栅极(8)、隔离区(9)、源极(10)以及漏极(11)，其中，
所述衬底(1)、所述缓冲层(2)、所述GaN高阻层(3)、所述GaN沟道层(4)以及所述AlGaN势垒层(5)自下而上依次设置；
所述p-GaN帽层(6)位于所述AlGaN势垒层(5)的上表面中心位置；所述氧离子注入区(7)位于所述AlGaN势垒层(5)的内部，并且所述氧离子注入区(7)位于所述p-GaN帽层(6)的正下方；所述栅极(8)位于所述p-GaN帽层(6)的上方；
所述隔离区(9)位于所述GaN高阻层(3)的上方，并对称分布在所述GaN沟道层(4)的两侧；所述源极(10)和所述漏极(11)位于所述GaN沟道层(4)的上方，分别位于所述AlGaN势垒层(5)两侧。
2.根据权利要求1所述的基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管，其特征在于，所述氧离子注入区(7)与所述源极(10)通过所述AlGaN势垒层(5)间隔设置，所述氧离子注入区(7)与所述漏极(11)通过所述AlGaN势垒层(5)间隔设置。
3.根据权利要求2所述的基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管，其特征在于，所述氧离子注入区(7)的上表面与所述p-GaN帽层(6)的下表面接触。
4.根据权利要求3所述的基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管，其特征在于，所述氧离子注入区(7)与所述p-GaN帽层(6)和栅极(8)在横向方向的宽度相同。
5.根据权利要求4所述的基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管，其特征在于，所述氧离子注入区(7)在纵向方向的深度小于所述AlGaN势垒层(5)在纵向方向的深度。
6.根据权利要求5所述的基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管，其特征在于，所述氧离子注入区(7)为注入氧离子的AlGaN形成的矩形。
7.根据权利要求6所述的基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管，其特征在于，所述隔离区(9)的下表面与所述GaN沟道层(4)的下表面接触，所述隔离区(9)的上表面与所述AlGaN势垒层(5)上表面齐平。
8.根据权利要求7所述的基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管，其特征在于，所述源极(10)与所述漏极(11)位于所述隔离区(9)之间，并与相邻的隔离区(9)内侧接触，所述源极(10)和所述漏极(11)的下表面均与所述GaN沟道层(4)的上表面接触。
9.根据权利要求8所述的基于氧处理的高性能p-GaN栅增强型晶体管，其特征在于，所述源极(10)与所述GaN沟道层(4)的界面形成欧姆接触，所述漏极(11)与所述GaN沟道层(4)的界面形成欧姆接触。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118380466A (zh) * | 2024-06-26 | 2024-07-23 | 江苏能华微电子科技发展有限公司 | 一种常关型高电子迁移率晶体管及其制备方法 |
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2023
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