CN108598154A - 一种增强型氮化镓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型氮化镓晶体管及其制备方法。该晶体管包括：基底，基底包括源区和漏区，以及位于源区和漏区之间的栅区；氮化镓调制栅，位于栅区，氮化镓调制栅包括掺杂P型离子的氮化镓材料；源极及漏极，源极位于源区，漏极位于漏区；栅极金属层，位于氮化镓调制栅的远离基底的表面上，栅极金属层至少包括镧系金属层，镧系金属层与氮化镓调制栅接触。本发明实施例提供的增强型氮化镓晶体管，通过在氮化镓调制栅远离基底的一侧设置镧系金属层，并使镧系金属层与氮化镓调制栅接触，在增强型氮化镓晶体管工作时，需要提供更高的电压才能使源极和漏极之间的沟道导通，因此，提高了增强型氮化镓晶体管的栅极阈值电压，减少了栅极漏电流。
Description
技术领域
本发明实施例涉及宽带系功率器件的制备技术领域，尤其涉及一种增强型氮化镓晶体管及其制备方法。
背景技术
氮化镓是一种半导体材料，具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、击穿场强高以及导热性能好等特点，成为一种重要的第三代半导体材料。在电子器件领域，相比硅材料，氮化镓材料更适合于制造高温、高频、高压和大功率器件，具有很好的应用前景。
为得到高温、高频、高压和大功率的氮化镓器件，首先需要制备出具有较高的栅极阈值电压的氮化镓高电子迁移率晶体管(Gallium Nitride High Electron MbilityTransistors，GaN HEMT)。对于传统的硅材料晶体管，常通过调节衬底的掺杂浓度来调整其栅极开启电压。但对于增强型氮化镓晶体管，导电沟道是由异质结形成二维电子气(Two-Dimensional Electron Gas，2DEG)形成的，因此无法通过掺杂调节栅极的阈值电压。
在现有技术中，常用的提高氮化镓晶体管的栅极阈值电压的方法有两种。一种是刻蚀栅槽，通过减少势垒层的厚度来降低导电沟道中的二维电子气密度，但这种方法会引入额外的刻蚀损伤，并且，这种方法只能将氮化镓器件的阈值电压提高到1V左右。
发明内容
本发明提供一种增强型氮化镓晶体管及其制备方法，以提高增强型氮化镓晶体管的开启电压，降低栅极漏电流。
第一方面，本发明实施例提供了一种增强型氮化镓晶体管，包括：
基底，所述基底包括源区和漏区，以及位于所述源区和所述漏区之间的栅区；
氮化镓调制栅，位于所述栅区，所述氮化镓调制栅包括掺杂P型离子的氮化镓材料；
源极及漏极，所述源极位于所述源区，所述漏极位于所述漏区；
栅极金属层，位于所述氮化镓调制栅的远离所述基底的表面上，所述栅极金属层至少包括镧系金属层，所述镧系金属层与所述氮化镓调制栅接触。
进一步地，所述栅极金属层还包括帽层金属保护层，所述帽层金属保护层位于所述镧系金属层远离所述基底的一侧。
进一步地，所述帽层金属保护层的材料包括金、银、铜或钛。
进一步地，所述镧系金属层的厚度大于5nm。
进一步地，所述帽层金属保护层的厚度大于或等于40nm。
进一步地，所述氮化镓调制栅的P型离子掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1019cm-3。
第二方面，本发明实施例还提供了一种增强型氮化镓晶体管的制备方法，该制备方法包括：
提供P型氮化镓外延片，其中，所述P型氮化镓外延片包括基底和位于所述基底之上的氮化镓调制层，所述基底包括多个晶体管单元，每个所述晶体管单元包括源区和漏区，以及位于所述源区和所述漏区之间的栅区，所述氮化镓调制层包括掺杂P型离子的氮化镓材料；
刻蚀所述氮化镓调制层，在所述栅区形成氮化镓调制栅；
刻蚀所述晶体管单元相邻区域的部分基底，以进行漏电隔离，限定出多个所述增强型氮化镓晶体管；
在所述源区形成源极并在所述漏区形成漏极；
在所述氮化镓调制栅的远离所述基底的表面上形成栅极金属层，所述栅极金属层至少包括镧系金属层，所述镧系金属层与所述氮化镓调制栅接触。
进一步地，在所述氮化镓调制栅的远离所述基底的表面上形成栅极金属层，包括：
采用磁控溅射法在所述氮化镓调制栅的远离所述基底的表面沉积所述镧系金属层；
在所述镧系金属层上原位沉积帽层金属保护层。
进一步地，所述帽层金属保护层的材料包括金、银、铜或钛。
进一步地，所述镧系金属层的厚度大于5nm。
本发明实施例提供的增强型氮化镓晶体管，通过在氮化镓调制栅远离基底的一侧设置镧系金属层，并使镧系金属层与氮化镓调制栅接触，在增强型氮化镓晶体管工作时，需要提供更高的电压才能使源极和漏极之间的沟道导通，因此，提高了增强型氮化镓晶体管的栅极阈值电压，减少了栅极漏电流。
附图说明
图1是本发明实施例提供的增强型氮化镓晶体管的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一增强型氮化镓晶体管的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的又一增强型氮化镓晶体管的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的栅极金属层分别包括金属镧或金属镍时氮化镓控制栅的阈值电压的示意图；
图5是本发明实施例提供的栅极金属层分别包括金属镧或金属镍时的栅极漏电流的示意图；
图6是本发明实施例提供的增强型氮化镓晶体管的制备方法的流程图；
图7是本发明实施例提供的步骤10对应的晶体管的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的步骤20对应的晶体管的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的步骤30对应的晶体管的结构示意图；
图10是本发明实施例提供的步骤40对应的晶体管的结构示意图；
图11是本发明实施例提供的步骤50对应的晶体管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是本发明实施例提供的增强型氮化镓晶体管的结构示意图。可选地，请参考图1，该增强型氮化镓晶体管包括：基底100，基底100包括源区和漏区，以及位于源区和漏区之间的栅区；氮化镓调制栅101，位于栅区，氮化镓调制栅101包括掺杂P型离子的氮化镓材料；源极103及漏极104，源极103位于源区，漏极104位于漏区；栅极金属层102，位于氮化镓调制栅101的远离基底100的表面上，栅极金属层102至少包括镧系金属层112，镧系金属层112与氮化镓调制栅101接触。
具体地，当半导体材料的功函数的数值与金属材料的费米能级的数值不同时，二者接触会形成金半接触势垒，并且，半导体材料的功函数的数值与金属材料的费米能级的数值的差值越大，形成的金半接触势垒越大。氮化镓调制栅101为半导体材料，栅极金属层102为金属材料，一般来说，氮化镓调制栅101的功函数不同于栅极金属层102的费米能级，因此，氮化镓调制栅101和栅极金属层102接触会产生金半接触势垒。并且，在其他条件(包括氮化镓调制栅101的掺杂浓度)确定的情况下，金半接触势垒越大，增强型氮化镓晶体管的栅极阈值电压越高。
对于增强型氮化镓晶体管，当施加于栅极金属层102的实际电压大于阈值电压时，源极103和漏极104之间的沟道导通，晶体管才能开始工作。对于增强型氮化镓晶体管，当与氮化镓调制栅101接触的栅极金属层102为镧系金属材料时，可以使增强型氮化镓晶体管形成更高的阈值电压。这是由于，与其它金属材料相比，镧系金属的功函数较小，通常只有3.5eV左右，因此，镧系金属层112与氮化镓调制栅101接触可以形成更高的金半接触势垒，以及较高的栅极阈值电压。因此，在增强型氮化镓晶体管工作时，需要对氮化镓调制栅101施加较高的电压才可以使源极103和漏极104之间的沟道导通。由于增强型氮化镓晶体管的阈值电压升高，在晶体管工作时，需要对氮化镓调制栅101施加更大的电压，这导致沟道中的载流子进入栅极金属层102的难度提高，因而可以减少栅极漏电流。
本实施例提供的增强型氮化镓晶体管，通过在氮化镓调制栅远离基底的一侧设置镧系金属层，并使镧系金属层与氮化镓调制栅接触，在增强型氮化镓晶体管工作时，需要提供更高的电压才能使源极和漏极之间的沟道导通，因此，提高了增强型氮化镓晶体管的栅极阈值电压，减少了栅极漏电流。
图2是本发明实施例提供的另一增强型氮化镓晶体管的结构示意图。可选地，请参考图1和图2，增强型氮化镓晶体管的基底100可以包括势垒层105、沟道层106和衬底层107；其中，势垒层105位于沟道层106和氮化镓调制栅101之间。势垒层105的材料可以为铝镓氮，沟道层106的材料可以为氮化镓。势垒层105和沟道层106接触可以形成异质结结构，在势垒层105和沟道层106的接触面靠近沟道层106的一侧形成二维电子气，二维电子气相当于增强型氮化镓晶体管的导电沟道，二维电子气中的电子在晶体管的源极103和漏极104之间定向移动时形成电流。由于氮化镓调制栅101的存在，会耗尽与氮化镓调制栅101的对应位置的二维电子气，形成常关型晶体管，其中，对应位置是指氮化镓调制栅101在基底100方向上的投影与二维电子气在基底100方向上的投影重合的位置。
图3是本发明实施例提供的又一增强型氮化镓晶体管的结构示意图。可选地，请参考图3，衬底层107还可以包括依次层叠的衬底137、成核层127和缓冲层117，其中，缓冲层117位于沟道层106和成核层127之间。衬底137可以为硅衬底，由于硅衬底与氮化镓的晶格结构不同，因此，为保证沟道层106的晶格质量，可以在衬底137上先后生长成核层127和缓冲层117，沟道层106与缓冲层117的晶格匹配度远高于沟道层106与硅衬底的晶格匹配程度，因此，在缓冲层117上生长沟道层106，可以提高沟道层106的晶格生长质量，进而保证二维电子气的形成。可选地，缓冲层117和成核层127均可以为氮化镓材料，其中，缓冲层117为晶体氮化镓结构。
可选地，请继续参考图2，栅极金属层102还包括帽层金属保护层122，帽层金属保护层122位于镧系金属层112远离基底100的一侧。具体地，帽层金属保护层122可以用于保护镧系金属层112。镧系金属层112容易被氧化，在镧系金属层112远离基底100的一侧设置帽层金属保护层122，可以保护镧系金属层112，避免镧系金属层被氧化。
可选地，帽层金属保护层122的材料包括金、银、铜或钛。具体地，帽层金属保护层122是栅极金属层102的一部分，需要具备良好的导电能力，因此，可选金、银、铜或钛等材料。需要说明的是，本实施例提供的帽层金属保护层122包括但不限于金、银、铜或钛材料。
可选地，镧系金属层112的厚度大于5nm。具体地，如果镧系金属层112的厚度太小，则镧系金属层112不能很好地起到提高阈值电压的作用，示例性地，如果镧系金属层112的厚度为1nm，对应的镧系金属层112的厚度仅为几个镧原子的厚度，因此，帽层金属保护层122中的自由电子容易穿过镧系金属层112与氮化镓调制栅101发生作用，相当于部分帽层金属保护层122与氮化镓调制栅101接触，导致晶体管的阈值电压降低。考虑到晶体管在实际应用中的结构，镧系金属层122的厚度通常不大于50nm；但需要说明的是，在实际应用中，可以根据需要设置镧系金属层122的厚度，本实施例不作具体限制。
可选地，帽层金属保护层122的厚度大于或等于40nm。具体地，一方面，帽层金属保护层122是栅极金属层102的一部分，需要具备较好的导电能力，因此需要设置适当的厚度；另一方面，帽层金属保护层122用于保护镧系金属层112不被氧化，因此，帽层金属保护层122需要能够充分覆盖镧系金属层112，因此，帽层金属保护层122的厚度不可以过小。需要说明的是，在实际应用中，可以根据需要设置帽层保护金属层122的厚度，本实施例不作具体限制。
示例性地，栅极金属层102可以为La/Ti结构，即，镧系金属层112为金属镧，帽层金属保护层122为金属钛，且金属镧的厚度可以为20nm，而金属钛的厚度为100nm。20nm厚的镧系金属层112与氮化镓调制栅101接触，可以较好地形成金半接触，相对较薄的镧系金属层112还可以降低制备成本。相比金或银，金属钛的成本更低，更适合采用磁控溅射法制备帽层金属保护层122，100nm的厚度可以使帽层金属保护层122较好地保护镧系金属层112不被氧化，同时又具有较好的导电能力。
可选地，氮化镓调制栅101的P型离子掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1019cm-3。具体地，为了使氮化镓调制栅101可以耗尽与氮化镓调制栅101对应位置的二维电子气并形成常关型的增强型氮化镓晶体管，氮化镓调制栅101中需要具备足够数量的空穴，因此氮化镓调制栅101需要具有较高的掺杂浓度。如果氮化镓调制栅101掺杂浓度过低，则无法耗尽对应位置的二维电子气。但是如果氮化镓调制栅101掺杂浓度过大，一方面杂质原子会破坏氮化镓调制栅101的晶格结构，破坏二维电子气结构，降低增强型氮化镓晶体管的高频特性；另一方面，过高的掺杂浓度还会导致镧系金属层112和氮化镓调至层101由金半接触变为欧姆接触，镧系金属层112和氮化镓调制层101无法产生电压降，在不利于提高阈值电压。
可选地，源极103和/或漏极104均可以为Ti/Al/Ti/Au结构其中Ti层与基底100接触，Au层远离基底100；并且，在Ti/Al/Ti/Au结构中，各层的厚度依次为20nm、110nm、40nm和50nm。可选地，源极103和漏极104还可以为其他结构，本实施例不作具体限制。
可选地，对于本征的氮化镓材料，通常具有N型半导体的特性，为了将氮化镓调制栅101转化成P型，需要掺入二价的元素。示例性地，可以选择掺杂镁元素，这是由于，镁的原子半径小于镓，掺杂工艺相对容易完成，并且，氮化镁也是宽禁带半导体材料，掺杂镁元素有利于保持氮化镓的宽带隙特性。需要说明的是，在形成P型氮化镓调制栅101时，还可以选择其他掺杂元素，本实施例不作具体限制。
图4是本发明实施例提供的栅极金属层分别包括金属镧或金属镍时氮化镓控制栅的阈值电压的示意图，图5是本发明实施例提供的栅极金属层分别包括金属镧或金属镍时的栅极漏电流的示意图。可选地，请参考图1、图4和图5，为保证测试结果的可靠性，在氮化镓调制栅101远离基底100的一侧形成金属镍时，金属镍的制备工艺与镧系金属层112的制备工艺相同。分析测试结果可知，当把镧系金属层112替换成金属镍时，增强型氮化镓晶体管的阈值电压明显减小；同时，当对增强型氮化镓晶体管施加相同的电压时，包括镧系金属层112的晶体管的栅极漏电流小于包括金属镍的晶体管的栅极漏电流。可见，采用包括镧系金属层112的栅极金属层102与氮化镓调制栅101形成金半接触，可以提高增强型氮化镓晶体管的阈值电压，减小增强型氮化镓晶体管的漏电流。
本实施例还提供了一种增强型氮化镓晶体管的制备方法。图6是本发明实施例提供的增强型氮化镓晶体管的制备方法的流程图，该制备方法具体包括：
步骤10、提供P型氮化镓外延片，其中，P型氮化镓外延片包括基底和位于基底之上的氮化镓调制层，基底包括多个晶体管单元，每个晶体管单元包括源区和漏区，以及位于源区和漏区之间的栅区，氮化镓调制层包括掺杂P型离子的氮化镓材料。
图7是本发明实施例提供的步骤10对应的晶体管的结构示意图。可选地，请参考图7，氮化镓调制层111用于在后续工艺中形成氮化镓调制栅，基底100经后续的刻蚀工艺处理后可以限定出多个晶体管单元。需要说明的是，在基底100上形成氮化镓调制层111时，可以采用多种制备工艺，本实施例不作具体限制。
步骤20、刻蚀氮化镓调制层，在栅区形成氮化镓调制栅。
图8是本发明实施例提供的步骤20对应的晶体管的结构示意图。可选地，请参考图8，经过刻蚀工艺后，可以在基底100的一侧形成多个氮化镓调制栅101。
步骤30、刻蚀晶体管单元相邻区域的部分基底，以进行漏电隔离，限定出多个增强型氮化镓晶体管。
图9是本发明实施例提供的步骤30对应的晶体管的结构示意图。可选地，请参考图9，通过刻蚀基底100，可以限定出多个晶体管，每个晶体管包括一个氮化镓调制栅101，晶体管的个数与氮化镓调制栅101的个数相同。
步骤40、在源区形成源极并在漏区形成漏极。
图10是本发明实施例提供的步骤40对应的晶体管的结构示意图。可选地，请参考图10，源极103和漏极104分别位于氮化镓调制栅101的两侧。在形成源极103和漏极104时，首先在基底100靠近源极和漏极的一侧的表面涂布光刻胶，图案化光刻胶，并采用电子束蒸发法在源区和漏区分别沉积形成源极103和漏极104。源极103和漏极104可以为相同或不同的组份。示例性地，如果采用双层胶剥离工艺图案化光刻胶，则可以采用以4000转/秒的速度，在基底靠近源极103和漏极104的一侧的涂布双层剥离光刻胶。需要说明的是，本实施例对形成源极103和漏极104的方法，以及图案化光刻胶等方法不作具体限制。
可选地，在形成源极103和漏极104后，可以对增强型氮化镓晶体管进行快速退火处理，退火的温度为850℃，退火时间为45s。快速退火处理有助于源极103以及漏极104与基底100形成较好的欧姆接触。
步骤50、在氮化镓调制栅的远离基底的表面上形成栅极金属层，栅极金属层至少包括镧系金属层，镧系金属层与氮化镓调制栅接触。
图11是本发明实施例提供的步骤50对应的晶体管的结构示意图。可选地，请参考图11，在形成栅极金属层102时，需要首先在氮化镓调制栅101的远离基底100的表面上沉积镧系金属层112，然后在镧系金属层112上形成一层保护结构。
可选地，在氮化镓调制栅的远离基底的表面上形成栅极金属层，包括：采用磁控溅射法在氮化镓调制栅的远离基底的表面沉积镧系金属层；在镧系金属层上原位沉积帽层金属保护层。具体地，在沉积镧系金属层和帽层金属保护层之前，需要在氮化镓调制栅远离基底的一侧涂布光刻胶，涂布光刻胶以及图案化光刻胶时可以采用与步骤40中的相同工艺步骤，也可以不同工艺。图案化光刻胶后，将带有光刻胶图案的晶体管置于磁控溅射设备的真空腔中，采用磁控溅射法沉积镧系金属层；在沉积完成镧系金属层后，保持晶体管在真空腔中的位置不变，通过调节靶位，使用其他金属靶在镧系金属层上形成帽层金属保护层。由于采用原位沉积法沉积帽层金属保护层，可以保证帽层金属保护层精准覆盖镧系金属层，保证栅极金属层的质量。
需要说明的是，在溅射形成镧系金属层和帽层金属保护层时，需要采用对准工艺，为保证对准的精度，在磁控溅射的过程中，需要保持氮化镓调制栅远离基底一侧的光刻胶存在。因此，本实施例最终形成镧系金属层和帽层金属保护层在基底的延伸方向上的尺寸均小于氮化镓控制栅在基底的延伸方向的尺寸。为提高晶体管的性质，在磁控溅射前，应尽可能地减小图案化以后的光刻胶的厚度，以尽可能地使镧系金属层和帽层金属保护层在基底的延伸方向上的尺寸，接近氮化镓控制栅在基底的延伸方向的尺寸。可以理解的是，在理想状态下，镧系金属层和帽层金属保护层在基底的延伸方向上的尺寸，应该无限接近氮化镓控制栅在基底的延伸方向的尺寸。
可选地，在完成增强型氮化镓晶体管的制备工作后，还可以采用探针台对样品进行电学测试。
可选地，帽层金属保护层的材料包括金、银、铜或钛。具体地，金、银、铜或钛均为良导体材料，可以满足栅极金属层的导电需求，同时能够保护镧系金属层不被氧化。需要说明的是，本实施例提供的帽层金属保护层包括但不限于金、银、铜或钛材料。
可选地，镧系金属层的厚度大于5nm。具体地，为了达到明显提高阈值电压的目的，镧系金属层的厚度不能太小。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种增强型氮化镓晶体管，其特征在于，包括：
基底，所述基底包括源区和漏区，以及位于所述源区和所述漏区之间的栅区；
氮化镓调制栅，位于所述栅区，所述氮化镓调制栅包括掺杂P型离子的氮化镓材料；
源极及漏极，所述源极位于所述源区，所述漏极位于所述漏区；
栅极金属层，位于所述氮化镓调制栅的远离所述基底的表面上，所述栅极金属层至少包括镧系金属层，所述镧系金属层与所述氮化镓调制栅接触。
2.根据权利要求1所述的增强型氮化镓晶体管，其特征在于，所述栅极金属层还包括帽层金属保护层，所述帽层金属保护层位于所述镧系金属层远离所述基底的一侧。
3.根据权利要求2所述的增强型氮化镓晶体管，其特征在于，所述帽层金属保护层的材料包括金、银、铜或钛。
4.根据权利要求1所述的增强型氮化镓晶体管，其特征在于，所述镧系金属层的厚度大于5nm。
5.根据权利要求2所述的增强型氮化镓晶体管，其特征在于，所述帽层金属保护层的厚度大于或等于40nm。
6.根据权利要求1所述的增强型氮化镓晶体管，其特征在于，所述氮化镓调制栅的P型离子掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1019cm-3。
7.一种增强型氮化镓晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
提供P型氮化镓外延片，其中，所述P型氮化镓外延片包括基底和位于所述基底之上的氮化镓调制层，所述基底包括多个晶体管单元，每个所述晶体管单元包括源区和漏区，以及位于所述源区和所述漏区之间的栅区，所述氮化镓调制层包括掺杂P型离子的氮化镓材料；
刻蚀所述氮化镓调制层，在所述栅区形成氮化镓调制栅；
刻蚀所述晶体管单元相邻区域的部分基底，以进行漏电隔离，限定出多个所述增强型氮化镓晶体管；
在所述源区形成源极并在所述漏区形成漏极；
在所述氮化镓调制栅的远离所述基底的表面上形成栅极金属层，所述栅极金属层至少包括镧系金属层，所述镧系金属层与所述氮化镓调制栅接触。
8.根据权利要求7所述的增强型氮化镓晶体管的制备方法，其特征在于，在所述氮化镓调制栅的远离所述基底的表面上形成栅极金属层，包括：
采用磁控溅射法在所述氮化镓调制栅的远离所述基底的表面沉积所述镧系金属层；
在所述镧系金属层上原位沉积帽层金属保护层。
9.根据权利要求8所述的增强型氮化镓晶体管的制备方法，其特征在于，所述帽层金属保护层的材料包括金、银、铜或钛。
10.根据权利要求7所述的增强型氮化镓晶体管的制备方法，其特征在于，所述镧系金属层的厚度大于5nm。
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| CN111029404A (zh) * | 2018-10-09 | 2020-04-17 | 西安电子科技大学 | 基于鳍形栅结构的p-GaN/AlGaN/GaN增强型器件及其制作方法 |
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| CN103151374A (zh) * | 2011-12-07 | 2013-06-12 | 三星电子株式会社 | 高电子迁移率晶体管 |
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