具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導體技術(shù)。本發(fā)明解決了現(xiàn)有氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應晶體管為耗盡型器件，而沒有一種相對可靠的增強型器件的問題，提供了一種具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，其技術(shù)方案可概括為：與現(xiàn)有的GaN MIS-HFET器件相比，本發(fā)明的具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管在其鋁銦鎵氮緩沖層及溝道層之間具有氮化鋁背勢壘層，且溝道層為復合溝道層。本發(fā)明的有益效果是，提高了可靠性，且可重復性高，適用于氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應晶體管。
【專利說明】具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導體技術(shù)，特別涉及氮化鎵（GaN)基異質(zhì)結(jié)場效應晶體管應變N溝 道金屬氧化物半導體場效應晶體管（NM0SFET)。
【背景技術(shù)】
[0002] 氮化鎵（GaN)基異質(zhì)結(jié)場效應晶體管（HFET)具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、 電子飽和速度高、導熱性能好、抗輻射和良好的化學穩(wěn)定性等優(yōu)異特性，同時氮化鎵材料可 以與鋁鎵氮（AlGaN)等材料形成具有高濃度和高遷移率的二維電子氣異質(zhì)結(jié)溝道，因此特 別適用于高壓、大功率和高溫應用，是電力電子應用最具潛力的晶體管之一。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)普通GaN HFET (氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應晶體管）結(jié)構(gòu)，主要包括襯底，氮 化鎵（GaN)緩沖層，氮化鎵溝道層，鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層以及鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層上形 成的源極、漏極和柵極，其中源極和漏極與鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層形成歐姆接觸，柵極與鋁 鎵氮（AlGaN)勢壘層形成肖特基接觸。但是對于普通GaN HFET而言，由于AlGaN/GaN異質(zhì) 結(jié)構(gòu)間天然存在很強的二維電子氣（2DEG)溝道，所以在零偏壓下器件處于導通狀態(tài)，為耗 盡型器件。而耗盡型器件的應用存在一定局限性，要使耗盡型器件關(guān)斷必須在柵極加負電 壓偏置，這增加了電路的功耗和復雜度，同時在異常斷電的情況下，器件仍處于導通狀態(tài)， 降低了系統(tǒng)的安全性。所以使用增強型器件能降低系統(tǒng)功耗和復雜度，提升安全性，使氮化 鎵基HEMT能應用于大功率開關(guān)器件和電路以及數(shù)字互補邏輯集成電路，具有很大的應用 前景。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中為了實現(xiàn)氮化鎵增強型器件主要采用如下方法：
[0005] 使用薄勢魚層技術(shù)[M. A. Khan, Q. Chen, C. J. Sun, et al. Enhancement and depletion mode GaN/AlGaN heterostructure field effect transistors[J]，Applied Physics Letters, 1996, 68，（4)，pp. 514-516]。通過減小 AlGaN 勢魚層的 A1 組分和厚度 能減小溝道中2DEG濃度，優(yōu)點是沒有對柵下區(qū)域進行刻蝕引起工藝損傷，因而肖特基特性 較好，柵泄漏電流較低，但這種方法的不足是由于整體削減勢壘層的厚度，整個溝道區(qū)域的 2DEG濃度較低，器件的飽和電流較小，同時閾值電壓也不能實現(xiàn)太高。
[0006] 使用槽柵結(jié)構(gòu)[W. Sato, Y. Takata, M. Kuraguchi, et al. Recessed-gate strcuture approach toward normally-off high-voltage AlGaN/GaN hemt for power electronics app1ications[J] , IEEE Trans.Electron Devices, 2006, 53,（2)，pp. 356-362]。將柵下AlGaN勢壘層刻蝕掉一部分，當勢壘層薄到一 定程度時，柵下2DEG密度將減小到可以忽略的程度，而源、漏區(qū)域的2DEG密度不變。這樣 器件的飽和電流、跨導和閾值電壓均優(yōu)于薄勢壘結(jié)構(gòu)，但槽柵工藝對刻蝕深度的準確性控 制較差，導致工藝重復性差，同時刻蝕會造成機械性損傷，使柵漏電增加。
[0007] 使用柵下氟離子（F -)注入[Y. Cai, Y. Zhou, K. J. Chen, et al. High performance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasma treatment[J], IEEE Electron Device Letters，2005,26, (7)，pp. 435-437]。F-離子具有很強的負電性，注入 到柵下區(qū)域可以提高肖特基柵的有效勢壘高度，耗盡柵下2DEG，工藝容易實現(xiàn)且可重復性 高，但注入F -離子穩(wěn)定性不夠好，對器件的高壓和高溫可靠性有影響。
[0008] 使用 P 型 GaN 柵結(jié)構(gòu)[T. 0· Hilt, F. Brunner, E. CHO, et al. Normally-0ff high-voltage p-GaN gate GaN HFET with carbon-doped buffer[C]. 23rd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs,May 23-26, 2011. Piscataway NJ, USA: IEEE, 2011.]。在柵下和AlGaN勢壘層之間引入P型GaN材料，柵金屬與P型GaN形 成歐姆接觸，一方面P型摻雜能提高能帶，在柵壓為〇時耗盡溝道電子實現(xiàn)增強型特性，另 一方面P型GaN材料中的空穴能注入溝道，起到電導調(diào)制作用，在提高漏極電流的同時保持 較小的柵電流。但GaN材料的P型受主Mg激活能很高，高質(zhì)量的P型GaN材料很難實現(xiàn)， 同時P型摻雜也會對材料的可靠性造成影響。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009] 本發(fā)明的目的是克服目前氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應晶體管為耗盡型器件，而沒有一 種相對可靠的增強型器件的缺點，提供一種具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效 應晶體管。
[0010] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，具有復合溝道層的氮化鎵基增強型 異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，包括襯底101、鋁銦鎵氮緩沖層102、鋁銦鎵氮勢壘層104、絕緣介質(zhì) 層105、源極106、漏極107及柵極108,所述鋁銦鎵氮緩沖層102設置在襯底101上方，絕 緣介質(zhì)層105、源極106及漏極107設置在鋁銦鎵氮勢壘層104上方，源極106及漏極107 分別與鋁銦鎵氮勢壘層104形成歐姆接觸，柵極108設置在絕緣介質(zhì)層105上方，與絕緣介 質(zhì)層105形成肖特基接觸，其特征在于，還包括設置在鋁銦鎵氮緩沖層102上方的氮化鋁背 勢壘層201，以及設置在氮化鋁背勢壘層201上方的復合溝道層，鋁銦鎵氮勢壘層104設置 在復合溝道層上方，所述復合溝道層由氮化鎵溝道203和鋁銦鎵氮溝道202組成，所述鋁銦 鎵氮溝道202在復合溝道層中位于柵極正下方位置，復合溝道層中其余位置為氮化鎵溝道 203。
[0011] 具體的，所述氮化鋁背勢壘層201的厚度范圍為lnm至10nm。
[0012] 進一步的，所述鋁銦鎵氮緩沖層102及鋁銦鎵氮勢壘層104分別為AlxIn yGazM^ 沖層及 AlxInyGazN 勢魚層,其中，x+y+z = 1，0<叉<1，0<7<1，0<2<1。
[0013] 具體的，所述鋁銦鎵氮溝道202為AlbIneGa dN溝道，其中，b+c+d = 1，0彡b彡1， 0彡c彡1，0彡d彡1。
[0014] 再進一步的，所述鋁銦鎵氮溝道202的寬度小于源極到漏極之間的距離。
[0015] 具體的，所述絕緣介質(zhì)層105由二氧化硅和/或氧化鋁和/或氮化硅組成。
[0016] 再進一步的，所述襯底的厚度范圍為0至100 μ m，所述鋁銦鎵氮緩沖層102的厚度 范圍為0. 5 μ m至8 μ m,所述復合溝道層的厚度范圍為10nm至1 μ m,所述錯銦鎵氮勢魚層 104的厚度范圍為lnm至100nm。
[0017] 具體的，所述復合溝道層的厚度大于鋁銦鎵氮勢壘層104的厚度，所述鋁銦鎵氮 勢壘層中的Al xInyGazN材料與復合溝道層中鋁銦鎵氮溝道的極化強度相等，極化作用能夠 相互抵消。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是，通過上述具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應 晶體管，可以看出，其通過引入復合溝道層，使復合溝道層中鋁銦鎵氮溝道與鋁銦鎵氮勢壘 層的極化作用相互抵消，起到耗盡2DEG的作用，從而實現(xiàn)增強型器件，該器件實現(xiàn)工藝簡 單，所有工藝均在前工藝下完成，相比薄勢壘層結(jié)構(gòu)能達到更高的閾值電壓和最大飽和漏 電流，同時無需摻雜，避免了摻雜所帶來的缺陷等影響。相比氟離子注入、凹柵結(jié)構(gòu)等后工 藝實現(xiàn)方法，避免了對完成后的器件的損傷，提高了可靠性，且可重復性高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1為現(xiàn)有的GaN MIS-HFET器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明所述具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管的結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0021] 圖3為圖1中器件與圖2中器件的導帶對比示意圖；
[0022] 圖4為圖1中器件的轉(zhuǎn)移特性示意圖；
[0023] 圖5為圖2中器件的轉(zhuǎn)移特性示意圖；
[0024] 圖6為圖2中器件的輸出特性示意圖；
[0025] 其中，101為襯底，102為鋁銦鎵氮緩沖層，103為氮化鎵溝道層，104為鋁銦鎵氮勢 壘層，105為絕緣介質(zhì)層，106為源極，107為漏極，108為柵極，201為氮化鋁背勢壘層，202 為鋁銦鎵氮溝道,203為氮化鎵溝道。
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖及實施例，詳細描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0027] 本發(fā)明所述具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管的結(jié)構(gòu)示意 圖如圖2所示，其包括襯底101、鋁銦鎵氮緩沖層102、氮化鋁背勢壘層201、復合溝道層、鋁 銦鎵氮勢壘層104、絕緣介質(zhì)層105、源極106、漏極107及柵極108,其中，鋁銦鎵氮緩沖層 102設置在襯底101上方，氮化鋁背勢壘層201設置在鋁銦鎵氮緩沖層102上方，復合溝道 層設置在氮化鋁背勢壘層201上方，鋁銦鎵氮勢壘層104設置在復合溝道層上方，絕緣介質(zhì) 層105、源極106及漏極107設置在鋁銦鎵氮勢壘層104上方，源極106及漏極107分別與 鋁銦鎵氮勢壘層104形成歐姆接觸，柵極108設置在絕緣介質(zhì)層105上方，與絕緣介質(zhì)層 105形成肖特基接觸，復合溝道層由氮化鎵溝道203和鋁銦鎵氮溝道202組成，鋁銦鎵氮溝 道202在復合溝道層中位于柵極正下方位置，復合溝道層中其余位置為氮化鎵溝道203。
[0028] 實施例
[0029] 參見圖1，為現(xiàn)有的GaN MIS-HFET器件的結(jié)構(gòu)示意圖，其包括襯底101，鋁銦鎵氮 緩沖層102,氮化鎵溝道層103,鋁銦鎵氮勢壘層104,絕緣介質(zhì)層105以及鋁銦鎵氮勢壘層 104上形成的源極106、漏極107和絕緣介質(zhì)層105上形成的柵極108,其中源極106和漏極 107與鋁銦鎵氮勢壘層104形成歐姆接觸，柵極108與絕緣介質(zhì)層105形成肖特基接觸。
[0030] 參見圖2,為本發(fā)明所述具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管 的結(jié)構(gòu)示意圖，其包括襯底101、鋁銦鎵氮緩沖層102、氮化鋁背勢壘層201、復合溝道層、鋁 銦鎵氮勢壘層104、絕緣介質(zhì)層105、源極106、漏極107及柵極108,其中，鋁銦鎵氮緩沖層 102設置在襯底101上方，氮化鋁背勢壘層201設置在鋁銦鎵氮緩沖層102上方，復合溝道 層設置在氮化鋁背勢壘層201上方，鋁銦鎵氮勢壘層104設置在復合溝道層上方，絕緣介質(zhì) 層105、源極106及漏極107設置在鋁銦鎵氮勢壘層104上方，源極106及漏極107分別與 鋁銦鎵氮勢壘層104形成歐姆接觸，柵極108設置在絕緣介質(zhì)層105上方，與絕緣介質(zhì)層 105形成肖特基接觸，復合溝道層由氮化鎵溝道203和鋁銦鎵氮溝道202組成，鋁銦鎵氮溝 道202在復合溝道層中位于柵極正下方位置，復合溝道層中其余位置為氮化鎵溝道203。
[0031] 其主要的工藝步驟為在襯底101上用M0CVD依次生長氮化鎵（GaN)緩沖層102， 氮化鋁（A1N)背勢壘層201，然后在氮化鋁（A1N)背勢壘層201上先生長一層氮化鎵溝道 層103,再從氮化鎵溝道層103中刻蝕掉預設置柵極108的正下方部分，并生長鋁銦鎵氮 (Al xInyGazN)溝道202,與剩余的氮化鎵溝道203形成復合溝道層，復合溝道層上依次生長 鋁銦鎵氮勢壘層（Al xInyGazN勢壘層）104,絕緣介質(zhì)層105,最后刻蝕掉絕緣介質(zhì)層的源漏 區(qū)域，在勢壘層104上形成歐姆接觸的源極106和漏極107,在絕緣介質(zhì)層105上生長肖特 基接觸的柵極108。
[0032] 其中，氮化鋁背勢壘層201的厚度范圍為lnm至10nm，襯底的厚度范圍為0至 100 μ m，鋁銦鎵氮緩沖層102的厚度范圍為0· 5 μ m至8 μ m，復合溝道層的厚度范圍為10nm 至1 μ m，所述鋁銦鎵氮勢壘層104的厚度范圍為lnm至lOOnm。鋁銦鎵氮緩沖層102及鋁銦 鎵氮勢魚層104分別為AlxIn yGazr^5沖層及AlxInyGazN勢魚層，其中，x+y+z = 1，0彡X彡1， 0彡y彡1，0彡z彡1，鋁銦鎵氮溝道202為AlbIneGa dN溝道，其中，b+c+d = 1，0彡b彡1， 0 < c < 1，0 < d < 1，鋁銦鎵氮溝道202的寬度小于源極到漏極之間的距離。復合溝道層 的厚度大于鋁銦鎵氮勢壘層104的厚度，鋁銦鎵氮勢壘層中的Al xInyGazNM料與復合溝道 層中鋁銦鎵氮溝道的極化強度相等，極化作用能夠相互抵消，且滿足鋁銦鎵氮勢壘層中的 AlxInyGazNM料的禁帶寬度必須大于鋁銦鎵氮溝道中的AIJnbGaJ材料。絕緣介質(zhì)層105 由二氧化硅和/或氧化鋁和/或氮化硅等絕緣材料組成。氮化鋁（A1N)背勢壘層為絕緣材 料，起到提高載流子限域性的作用，使主溝道載流子不會在關(guān)態(tài)下通過緩沖層漏電而導通。
[0033] 下面將圖2所示的具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管與現(xiàn) 有的GaN MIS-HFET器件（圖1)對比；器件結(jié)構(gòu)參數(shù)以表1中給出的為例。
[0034] 表1器件仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0035]
【權(quán)利要求】
1. 具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，包括襯底、鋁銦鎵氮緩沖 層、鋁銦鎵氮勢壘層、絕緣介質(zhì)層、源極、漏極及柵極，所述鋁銦鎵氮緩沖層設置在襯底上 方，絕緣介質(zhì)層、源極及漏極設置在鋁銦鎵氮勢壘層上方，源極及漏極分別與鋁銦鎵氮勢壘 層形成歐姆接觸，柵極設置在絕緣介質(zhì)層上方，與絕緣介質(zhì)層形成肖特基接觸，其特征在 于，還包括設置在鋁銦鎵氮緩沖層上方的氮化鋁背勢壘層，以及設置在氮化鋁背勢壘層上 方的復合溝道層，鋁銦鎵氮勢壘層設置在復合溝道層上方，所述復合溝道層由氮化鎵溝道 和鋁銦鎵氮溝道組成，所述鋁銦鎵氮溝道在復合溝道層中位于柵極正下方位置，復合溝道 層中其余位置為氮化鎵溝道。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，其特 征在于，所述氮化鋁背勢壘層的厚度范圍為lnm至10nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，其特 征在于，所述鋁銦鎵氮緩沖層及鋁銦鎵氮勢壘層分別為Al xInyGazN緩沖層及AlxInyGa zN勢 魚層，其中，x+y+z = 1，0<叉< 1，0<丫< 1，0<ζ< 1。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，其 特征在于，所述鋁銦鎵氮溝道為AlbI nc;GadN溝道，其中，b+c+d = 1，0彡b彡1，0彡c彡1， 0彡d彡1。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應 晶體管，其特征在于，所述鋁銦鎵氮溝道的寬度小于源極到漏極之間的距離。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，所述 復合溝道層的厚度范圍為l〇nm至Ιμπι，所述鋁銦鎵氮勢壘層的厚度范圍為lnm至lOOnm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，其 特征在于，所述復合溝道層的厚度大于鋁銦鎵氮勢壘層的厚度，所述鋁銦鎵氮勢壘層中的 AlxInyGazNM料與復合溝道層中鋁銦鎵氮溝道的極化強度相等，極化作用能夠相互抵消。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述具有復合溝道層的氮化鎵基增強型異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，其特 征在于，所述絕緣介質(zhì)層由二氧化硅和/或氧化鋁和/或氮化硅組成。
【文檔編號】H01L29/778GK104269433SQ201410454173
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】杜江鋒, 潘沛霖, 陳南庭, 劉 東, 于奇 申請人:電子科技大學