CN116435417B - 具有栅极自发光功能的氮化镓器件和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有栅极自发光功能的氮化镓器件和制备方法，氮化镓器件的栅极结构自上而下包括：半透明金属层，P型层，势垒层和沟道层。当对栅极施加正向驱动电压时，电子与空穴分别从沟道和栅极金属双向注入到异质结中，部分电子与空穴发生复合并产生光子，并穿过半透明金属电极发射出栅极。器件栅极结构在制备过程中采用半透明栅极金属技术，利用耐等离子体刻蚀的金属层保护栅极结构不受等离子体的刻蚀，并且保持良好的透光性。本发明使得相关测试仪器能够捕捉分析透过半透明栅极产生的电致发光，从而实现光学测试与电学测试同步分析。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种具有栅极自发光功能的氮化镓器件和制备方法。
背景技术
直接带隙的氮化镓半导体是电力电子领域最有潜力的候选材料之一，其具有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、击穿场强大、导通电阻小、开关频率高等特点，并可与成本低且技术成熟度高的硅基半导体集成电路工艺相兼容，氮化镓器件在新一代高功率、小尺寸的激光器、射频微波器件、功率变换器、半导体照明等领域得到了广泛应用。
但是高功率密度和高频特性下器件的性能提升对器件分析技术形成了极大挑战，传统表征氮化镓半导体器件性能的方法一般为电学测试，如 I-V，C-V等，测试手段单一，无法准确地分析器件内部载流子路径，很多物理特性和机理无法被揭示，氮化镓器件的进一步研究和发展遇到瓶颈。
发明内容
本发明提供一种具有栅极自发光功能的氮化镓器件和制备方法，以实现氮化镓器件的光学测试与电学测试同步分析。
根据本发明的第一方面，提供一种具有栅极自发光功能的氮化镓器件，所述氮化镓器件的栅极包括半导体层和半透明金属层；
所述半透明金属层蒸镀在所述半导体层表面；
所述半导体层由包括沟道层、势垒层和P型层依次层叠形成，所述半透明金属层蒸镀在所述P型层表面；
在所述半导体层内形成的异质结中复合而成的光子能够透过所述半透明金属层发射出。
进一步的，所述半透明金属层中包括铬层和镍层，二者形成双层结构，所述铬层与所述半导体层相接触。
进一步的，所述半透明金属层的厚度小于等于15 nm。
进一步的，所述P型层包括掺杂了金属元素的GaN；所述势垒层包括AlGaN，所述沟道层包括GaN。
进一步的，还包括钝化层，所述钝化层位于所述势垒层上，且介于栅极与源极之间和栅极与漏极之间。
根据本发明的第二方面，提供一种具有栅极自发光功能的氮化镓器件的制备方法，采用如下过程制备氮化镓器件的栅极：
在半导体层的基础上蒸镀一层半透明金属层后，在预设时间内，将退火温度从350℃均匀升高至400℃，对所述半透明金属层进行退火处理，并以退火后的所述半透明金属层为掩膜进行离子刻蚀，形成栅极。
进一步的，在半导体层的基础上蒸镀一层半透明金属层后，在预设时间内，将退火温度从350℃均匀升高至400℃，对所述半透明金属层进行退火处理，并以退火后的所述半透明金属层为掩膜进行离子刻蚀，形成栅极包括：
在P型层上光刻确定栅极区域；
通过电子束蒸发镀膜法，在所述栅极区域内蒸镀所述栅极金属层；
在氮气环境中进行退火处理；
以所述栅极金属层为掩膜进行感应耦合等离子体反应离子刻蚀，去除部分P型层。
进一步的，在感应耦合等离子体反应离子刻蚀过程中，对包括三氯化硼和氯气进行电离，所述三氯化硼和氯气的气体流量比范围为1：1-3：1。
进一步的，控制等离子功率范围在10-15W之间。
进一步的，所述氮化镓器件的制备方法包括：
在衬底上依次外延生长沟道层、势垒层和P型层；
在所述P型层上确定源极和漏极的生长区域；去除所述生长区域的所述P型层；在所述势垒层表面沉积金属层后，退火形成所述源极和所述漏极；
在所述P型层上确定栅极的生长区域；在所述P型层上蒸镀一层所述半透明金属层后，对所述半透明金属层进行退火处理，并以退火后的所述半透明金属层为掩膜进行离子刻蚀，去除部分所述P型层，形成所述栅极；
在所述势垒层上，所述栅极与所述源极/漏极之间形成钝化层；
在所述钝化层中进行氟离子注入。
相比于现有技术，本发明至少具有以下技术效果：
本发明提出了一种具有半透明栅极的氮化镓器件，利用一层半透明金属层发射在异质结中复合而成的光子，使得相关测试仪器能够捕捉分析透过半透明栅极产生的电致发光，从而实现光学测试与电学测试同步分析。
进一步的，本发明通过将半透明栅极金属技术与器件制备的工艺相融合，对蒸镀完成的半透明金属层进行退火处理，并控制感应耦合等离子体反应离子刻蚀的等离子功率，形成物化性能稳定的氮化镓器件，便于后续的使用和性能测试。
附图说明
图1为本发明实施例一中具有栅极发光功能的氮化镓器件的截面结构示意图；
图2为本发明实施二中具有栅极自发光功能的氮化镓器件S1步骤中的制备流程图；
图3（a）为本发明实施例二中具有栅极自发光功能的氮化镓器件S2步骤的制备流程图；
图3（b）为本发明实施例二中具有栅极自发光功能的氮化镓器件S2步骤的另一制备流程图；
图4（a）为本发明实施例二中具有栅极自发光功能的氮化镓器件S3步骤的制备流程图；
图4（b）为本发明实施例二中具有栅极自发光功能的氮化镓器件S3步骤的另一制备流程图；
图5为本发明实施例二中具有栅极自发光功能的氮化镓器件S4步骤的制备流程图；
图6（a）为本发明实施例三中具有栅极自发光功能的氮化镓器件在显微镜下的结构示意图；
图6（b）为本发明实施例三中通过显微镜捕捉到的具有栅极自发光功能的氮化镓器件发光的示意图；
图7为本发明实施例三中氮化镓器件的转移特性曲线；
图8为本发明实施例三氮化镓器件在栅源极电压为9.5 V下的时间依赖性栅极击穿特性曲线；
图9本发明实施例三中氮化镓器件在栅源极电压为9.5 V下进行时间依赖性栅极击穿时，同步捕捉到的从0.1 s到1500 s内器件栅极发光光谱曲线；
图10为本发明实施例三中氮化镓器件在栅源极电压为9.5 V下进行时间依赖性栅极击穿时，从0.1 s到1500 s内，归一化后的栅极发光的强度以及归一化后的栅极击穿（TDB）特性曲线。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具有栅极自发光功能的氮化镓器件和制备方法的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本实施例提供具有栅极自发光功能的氮化镓器件，氮化镓器件为晶体管，栅极由包括半透明金属层和半导体层组合形成。
所述半透明金属层发射在所述半导体层内形成的异质结中复合而成的光子，光子能够透过所述半透明金属层发射出，可使得相关测试仪器能够捕捉分析透过半透明栅极产生的电致发光，从而实现光学测试与电学测试同步分析。
在本实施例中，请参考图1，所述氮化镓器件的栅极部分从下至上分别是衬底1、沟道层2、势垒层3、钝化层8、P型层4、漏极5、源极6，半透明金属层7。
具体的，所述衬底1通常使用单晶硅、蓝宝石等材料。
所述沟道层2采用GaN材料，可以根据实际情况选择在沟道层2与衬底1之间引入缓冲层和转换层，在本实施例中，所述沟道层2引入缓冲层和转换层。
所述势垒层3采用AlGaN，厚度一般为10-20 nm，例如是：15nm；其中，掺入的Al组分通常为10%-30%，例如掺入20%。
P型层4一般为Mg掺杂形成的P型GaN，厚度一般为50-100 nm，例如是：60nm或80nm；通常Mg掺杂浓度在1018至1020 cm-3之间，优选地，Mg掺杂浓度在1019 cm-3。
其中，P型层4和势垒层3中的掺杂浓度、掺杂的金属元素和厚度包括但不仅限于上文所述，可以根据实际需要进行不同的选择。
其中，所述P型层4可以耗尽沟道层2中的二维电子气，以实现氮化镓器件在零栅源偏压下的“常关”状态。
所述半透明金属层7包括铬层和镍层；二者形成双层结构。与P型层4接触部分采用但不限于金属镍。形成金属镍层的厚度为5-10 nm，例如是8nm；所述半透明金属层7其余部分均采用金属铬，形成的金属铬层的厚度为5-10 nm，例如是7nm。选择铬/镍双层结构可提高栅极的耐等离子刻蚀性。进一步地，所述半透明金属层7总厚度需要小于等于15 nm，从而保证良好的光子透过率，提高光子捕捉效率。
所述漏极5和源极6通常使用金属Ti/Al/Ni/Au沉积并退火形成。
所述钝化层8采用但不局限于Si3N4。
实施例二
在本实施例中，提供了一种具有栅极自发光功能的氮化镓器件的制备方法，氮化镓器件整体制备流程如下：
S1. 在衬底1上依次外延生长沟道层2、势垒层3和P型层4；
S2. 在P型层4上确定源极6和漏极5的生长区域；去除用于生长所述源极6和所述漏极5的部分所述P型层4；在所述势垒层3表面沉积金属层后，退火形成所述源极6和所述漏极5；
S3. 在所述P型层4上确定栅极的生长区域；在所述P型层4上蒸镀一层半透明金属层7后，对所述半透明金属层7进行退火处理，并以退火后的所述半透明金属层7为掩膜进行离子刻蚀，形成栅极；
S4. 在所述势垒层3上，在栅极与源极6之间和栅极与漏极5之间形成钝化层8；即，使所述钝化层8介于栅极与源极之间和栅极与漏极之间；之后，在钝化层8中进行氟离子注入。
通过上述操作步骤，将半透明栅极金属技术与器件制备的工艺相融合，对蒸镀完成的半透明金属层7进行退火处理，并控制感应耦合等离子体反应离子刻蚀的等离子功率，形成物化和电学性能稳定的氮化镓器件，便于后续的使用和性能测试。
具体的，请参考图2，在S1步骤中，在P型硅（111）衬底1上利用金属有机化学气相沉积方法（MOCVD）依次外延生长GaN沟道层2、 AlGaN势垒层3和P型层4，形成p-GaN/AlGaN/GaN的异质结结构。
请参考图3（a），在S2步骤中，在P型层4上光刻确定源极区域和漏极区域，采用氯基电感耦合等离子体反应离子蚀刻（ICP-RIE）刻蚀去除源极区域和漏极区域处的p-GaN，暴露出部分GaN沟道层2。参考图3（b），随后在剩余的AlGaN势垒层3两侧依次沉积金属层，示例性的，例如包括Ti（20nm）、Al（150nm）、Ni（50nm）和Au（80nm）等，并在氮气中快速热退火形成具有欧姆接触的源极6和漏极5。
在S3步骤中，在P型层4上光刻确定栅极区域后，请参考图4（a），在所述栅极区域内蒸镀所述半透明金属层7，并在惰性气体环境中进行退火处理。退火完成后，请参考图4（b），以所述半透明金属层7为掩膜进行感应耦合等离子体反应离子刻蚀，去除栅极区域外多余的p-GaN。
本实施例采用了电子束蒸发镀膜法在所述栅极区域内蒸镀所述半透明金属层7，对于较高熔点的金属材料，可以使其更快并均匀地蒸镀在栅极区域。
此外，本实施例中退火操作时采用的惰性气体为氮气，采用均匀温度升高式退火方法，例如在5分钟内将氮气的温度从350摄氏度均匀升高到400摄氏度，使得所述半透明金属层7的物理、化学和电学性质更加稳定，并提高耐等离子刻蚀能力，较好地适用于后续的制备工序。
在另一具体示例中，在感应耦合等离子体反应离子刻蚀法中，对包括三氯化硼和氯气进行电离，形成氯基等例子体，其中，所述三氯化硼和氯气的气体流量比范围可以为1：1-3：1，控制等离子功率在10-15W之间。
在优化的等离子功率下，p-GaN和半透明金属层7的刻蚀选择性高于20，也就是说，在进行刻蚀p-GaN的过程中，半透明金属层7不会被刻蚀，因此可以保证在去除p-GaN的同时不会对栅极金属造成过多的损伤。
在S4步骤中，请参考图5，通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法沉积SiNx，以对器件进行钝化处理，形成一层钝化层8。钝化处理不仅可以避免器件被污染，还能够减缓器件的电流崩塌，是提高器件可靠性的重要手段。随后利用离子注入机进行氟离子注入，实现器件的平面电学隔离。
最后，再请参考图1，确定金属电极区域后，去除多余的SiNx层并沉积金属电极。
通过上述操作步骤，可以得到一个物理、化学和电学性能稳定的氮化镓器件，方便后续的电学和光学的测试。
实施例三
本实施例提供了一种具有栅极自发光功能的氮化镓器件的测试方法，用于对实施例一与实施例二中的具有栅极自发光功能的氮化镓器件进行性能测试，具体测试方法如下：
通过显微镜捕捉到所述器件栅极发光的照片以及通过光纤和光谱仪等设备捕捉分析光学信号。在进行电信号测试的同时，收集并分析从栅极异质结中发射出的光子，从而实现电信号与光信号的同步检测和表征的功能。
可以理解的是，本实施例中氮化镓器件的栅极结构自上而下包括：半透明金属层7，P型层4，势垒层3和沟道层2，四层结构自上而下形成一种金属/半导体肖特基结+PiN结相串联的双结结构。当对所述器件的栅极施加正向偏置电压时，沟道层2电子通过AlGaN势垒注入到P型层4中，空穴从P型层4中向p-GaN/AlGaN界面漂移。注入的电子可以通过供体-受体跃迁与P型层4中的空穴复合，在p-GaN/AlGaN异质结界面部分电子与空穴相互复合并产生光子，产生的光子透过半透明金属电极发射出栅极。
当正向偏置电压进一步增大，空穴从p-GaN/AlGaN异质结界面通过AlGaN势垒注入沟道层2，与沟道电子通过带间跃迁复合，产生氮化镓带边紫外光发射。
也就是说，一直到栅极结构退化前，栅极施加正向偏置电压增大，栅极击穿电压增大，注入的电子和空穴增多，复合增强，电致发光强度增加。
在一具体示例中，请参考图6（a），为显微镜下的一种具有栅极发光功能的氮化镓器件，其中，左侧探针100连接的测试点为栅极，右侧探针200连接的测试点为源漏极。请参考图6（b），当对所述器件的栅极施加正向偏置电压时，栅极注入的电子、空穴在异质结结构中相互复合并产生光子，产生的光子透过半透明金属电极发射出栅极，在显微镜下可以捕捉到所述器件栅极发光的照片。
请参考图7，图7为本发明实施例三中氮化镓器件的转移特性曲线，器件的阈值电压大于0V，显示了其增强型的性能。
请参考图8，图8表征在栅源极直流电压为9.5 V下的时间依赖性栅极击穿（TDB）特性曲线。再请参考图9，图9为同步捕捉到的从0.1 s到1500 s内器件栅极光光谱曲线。根据图8和图9计算后，得到图10中氮化镓器件在栅源极直流电压为9.5 V下进行时间依赖性栅极击穿时，从0.1 s到1500 s内，归一化后的发光光谱从350 nm到700 nm间的强度与能量的积分和栅极击穿（TDB）特性曲线。
由图10可知，在9.5 V的直流栅源极电压下，2×101 s前，栅极电流保持正常水平，栅极区域电致发光均匀；2×101 s左右，栅极电流出现第一阶段的增加，栅极区域电致发光强度增强；103 s左右，栅极电流急剧增加，电致发光的发射强度降低，栅极结构彻底退化。在栅极彻底退化前，栅极发光强度积分随时间增强趋势与电学偏压下栅极电流随时间增加趋势是一致的。其中，归一化的栅极电流增大了约10倍，同时归一化电致发光强度积分增大了50倍以上，二者互相印证。
Claims (10)
1.一种具有栅极自发光功能的氮化镓器件，其特征在于，所述氮化镓器件的栅极包括半导体层和半透明金属层；
所述半透明金属层蒸镀在所述半导体层表面；
所述半导体层由包括沟道层、势垒层和P型层依次层叠形成，所述半透明金属层蒸镀在所述P型层表面；
在所述半导体层内形成的异质结中复合而成的光子能够透过所述半透明金属层发射出。
2.如权利要求1所述的具有栅极自发光功能的氮化镓器件，其特征在于，所述半透明金属层中包括铬层和镍层，二者形成双层结构，所述铬层与所述半导体层相接触。
3.如权利要求1所述的具有栅极自发光功能的氮化镓器件，其特征在于，所述半透明金属层的厚度小于等于15 nm。
4.如权利要求3所述的具有栅极自发光功能的氮化镓器件，其特征在于，所述P型层包括掺杂了金属元素的GaN；所述势垒层包括AlGaN，所述沟道层包括GaN。
5.如权利要求1所述的具有栅极自发光功能的氮化镓器件，其特征在于，所述半导体层还包括钝化层，所述钝化层位于所述势垒层上，且介于栅极与源极之间和栅极与漏极之间。
6.一种具有栅极自发光功能的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，采用如下过程制备氮化镓器件的栅极：
在半导体层的基础上蒸镀一层半透明金属层后，在预设时间内，将退火温度从350℃均匀升高至400℃，对所述半透明金属层进行退火处理，并以退火后的所述半透明金属层为掩膜进行离子刻蚀，形成栅极。
7.如权利要求6所述的具有栅极自发光功能的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，在半导体层的基础上蒸镀一层半透明金属层后，在预设时间内，将退火温度从350℃均匀升高至400℃，对所述半透明金属层进行退火处理，并以退火后的所述半透明金属层为掩膜进行离子刻蚀，形成栅极包括：
在P型层上光刻确定栅极区域；
通过电子束蒸发镀膜法，在所述栅极区域内蒸镀栅极金属层；
在氮气环境中进行退火处理；
以所述栅极金属层为掩膜进行感应耦合等离子体反应离子刻蚀，去除部分所述P型层。
8.如权利要求7所述的具有栅极自发光功能的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，在感应耦合等离子体反应离子刻蚀过程中，对包括三氯化硼和氯气进行电离，所述三氯化硼和氯气的气体流量比范围为1：1-3：1。
9.如权利要求7所述的具有栅极自发光功能的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，控制等离子功率范围在10-15W之间。
10.如权利要求6所述的具有栅极自发光功能的氮化镓器件的制备方法，其特征在于，所述氮化镓器件的制备方法包括：
在衬底上依次外延生长沟道层、势垒层和P型层；
在所述P型层上确定源极和漏极的生长区域；去除所述生长区域的所述P型层；在所述势垒层表面沉积金属层后，退火形成所述源极和所述漏极；
在所述P型层上确定栅极的生长区域；在所述P型层上蒸镀一层所述半透明金属层后，对所述半透明金属层进行退火处理，并以退火后的所述半透明金属层为掩膜进行离子刻蚀，去除部分所述P型层，形成所述栅极；
在所述势垒层上，所述栅极与所述源极/漏极之间形成钝化层；
在所述钝化层中进行氟离子注入。
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