專利名稱：一種氮化鎵基場效應管及其制作方法
技術領域：
本發明涉及寬禁帶半導體材料中場效應管(FET)技術領域，尤其涉 及一種氮化鎵基場效應管及其制作方法。
背景技術：
氮化鎵(GaN)作為第三代寬禁帶半導體材料，以其禁帶寬度大 (3.4eV)、擊穿電壓高(3.3MV/cm)、 二維電子氣濃度高(>1013cm2)、飽和電子速度大(2.8X107cm/s)等特性在國際上受到廣泛關注。目前，AlGaN/GaN HEMT器件的高頻、高壓、高溫以及大功率特性使之在微波功率器件方面有著巨大的前景。對于常規的用于X波段的GaNHEMT器件，通常的工藝步驟為 步驟1、電子束直寫光刻或者普通光學光刻，形成電子束對準標記，蒸發標記金屬；步驟2、電子束直寫或者直接普通光學光刻源漏圖形，并蒸發源漏金屬；步驟3、退火，使源漏金屬與襯底材料形成良好的歐姆接觸；步驟4、有源區隔離；步驟5、電子束直寫制作柵線條；步驟6、蒸發柵金屬；步驟7、金屬布線；步驟8、制作空氣橋；步驟9、測試分析。雖然鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN) HEMT器件的性能近年來得到了 長足的進展，尤其在高頻大功率方面，但是仍有很多問題沒有解決，關鍵 的兩個問題是電流崩塌效應和柵反向漏電增大。研究發現，這兩個現象都和AlGaN的表面態有直接的關系。由于材 料生長的限制，AlGaN的表面態問題一直沒有得到完善的理論支持與很好 的工藝手段抑制，這嚴重影響了了器件的可靠性；同時，由于表面態的存 在大大增加了器件的柵漏電，柵漏電不僅會導致擊穿電壓降低、跨導、截 止頻率和最大頻率的降低；同時，由于引入了很大的噪聲，會帶來大的功 率損耗以及效率的降低，影響器件的可靠性。在材料生長尚不能解決這個 問題的情況下，只能引入特殊的工藝來改善。發明內容(一) 要解決的技術問題有鑒于此，本發明的一個目的在于提供一種GaN基場效應管，以解 決AlGaN表面態存在導致器件產生電流崩塌以及柵反向漏電增大的問題。本發明的另一個目的在于提供一種GaN基場效應管的制作方法，以 解決AlGaN表面態存在導致器件產生電流崩塌以及柵反向漏電增大的問 題。(二) 技術方案為達到上述一個目的，本發明提供了一種氮化鎵基場效應管，該氮化 鎵基場效應管包括-柵極，位于柵極兩側的源極和漏極；其中，柵極、源極和漏極位于襯底材料頂層鋁鎵氮AlGaN外延層上，源極 與AlGaN外延層以及漏極與AlGaN外延層之間通過退火合金形成歐姆接 觸；在源極和漏極之間的AlGaN外延層上通過刻蝕形成細的柵槽，在源 極和漏極之間的AlGaN外延層及柵槽上淀積有氮化鋁A1N或氧化鋁A1203 薄膜，所述柵極通過光刻和蒸發形成在柵槽上淀積的A1N或A1203薄膜上。所述襯底材料由下至上依次包括藍寶石襯底、氮化鎵GaN和AlGaN 外延層三層結構；其中，藍寶石襯底，用于作為生長GaN外延層的襯底 材料；AlGaN/GaN外延層結構，AlGaN外延層和GaN外延層間形成異質 結，產生高濃度的二維電子氣，提供大的電流密度和功率輸出能力。所述柵極為T型柵極。
為達到上述另一個目的，本發明提供了一種GaN基場效應管的制作 方法，該方法包括A、 對襯底材料采用光刻方法進行光刻，形成電子束對準標記，蒸發 標記金屬；B、 對襯底材料采用光刻方法進行光刻，形成源漏圖形，并蒸發源漏 金屬；C、 退火合金，將源漏金屬與襯底材料形成歐姆接觸，形成源極和漏極；D、 有源區離子注入隔離；E、 刻蝕襯底材料頂層的AlGaN外延層形成柵槽；F、 在源極和漏極之間的AlGaN外延層及柵槽上生長A1N或A1203薄膜；G、 光學光刻柵極圖形，蒸發柵極金屬，形成柵極；H、 金屬布線，形成GaN基場效應管。步驟A中所述采用的光刻方法為電子束直寫光刻，或為普通光學光刻；步驟B中所述釆用的光刻方法為普通光學光刻方法。 步驟C中所述退火溫度為750至830°C 。 步驟E中所述柵槽尺寸為0.25 Pm。 步驟F中所述AlN或Al203薄膜的厚度為IOA。 該方法進一步包括I、對形成的GaN基場效應管進行測試分析。(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果I、 利用本發明，由于柵極金屬與AlGaN外延層之間有一層A1N或 Al203薄膜，A1N或Al203薄膜起到了鈍化表面態的作用，使得GaN基場 效應管工作時，由表面態俘獲電子的缺陷輔助隧穿幾率減少，同時也降低 了材料位錯導致的漏電渠道，消除了柵——漏區域的虛柵，減小了表面態 的密度，該GaN基場效應管在X波段連續波輸出時基本沒有電流崩塌現 象，有效地解決了 AlGaN表面態存在導致器件產生電流崩塌以及柵反向漏電增大的問題。2、 由于在制作GaN基場效應管時首先采用了挖柵槽的工藝，淀積介 質后在在柵槽上形成了T型柵，該種結構減小了柵邊緣的電場，有效提高 了擊穿電壓；AlGaN層厚度的減小，提高了器件的增益。3、 由于A1N或者A1203介質層的引入增大了柵一源電阻，該GaN基 場效應管的線性度明顯優于AlGaN/GaN HEMT器件。4、 電流崩塌現象的消除提高了 GaN基場效應管工作的可靠性。5、 本發明提供的這種GaN基場效應管的制作方法適用于各種襯底的 AlGaN/GaN外延材料體系。
圖1為本發明提供的GaN基場效應管的結構示意圖；圖2為本發明提供的制作GaN基場效應管總體技術方案的實現流程圖；圖3為依照本發明實施例制作GaN基場效應管工藝流程的示意圖；圖4為依照本發明實施例制作的GaN基場效應管的能帶示意圖；圖5為依照本發明實施例制作的GaN基場效應管的肖特基特性示意圖；圖6為依照本發明實施例制作的GaN基場效應管的擊穿特性示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實 施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。如圖1所示，圖1為本發明提供的GaN基場效應管的結構示意圖， 該GaN基場效應管包括柵極，位于柵極兩側的源極和漏極；其中，柵 極、源極和漏極位于襯底材料頂層鋁鎵氮(AlGaN)外延層上，源極與 AlGaN外延層以及漏極與AlGaN外延層之間通過退火合金形成歐姆接觸。 在源極和漏極之間的AlGaN外延層上通過刻蝕形成細的柵槽，在源極和 漏極之間的AlGaN外延層及柵槽上淀積有氮化鋁(AlN)或氧化鋁(Al203)
薄膜，所述柵極通過光刻和蒸發形成在柵槽上淀積的A1N或A1203薄膜上。 所述襯底材料由下至上依次包括藍寶石襯底、GaN和AlGaN外延層 三層結構；其中，藍寶石襯底用于作為生長GaN外延層的襯底材料， AlGaN外延層和GaN外延層間形成異質結，產生高濃度的二維電子氣， 提供大的電流密度和功率輸出能力。對于藍寶石襯底，由于GaN單晶生 長困難，無法進行同質外延，釆用藍寶石作為GaN外延片的襯底材料。 所述柵極為T型柵極。基于圖1所示的GaN基場效應管的結構示意圖，圖2示出了為本發 明提供的制作GaN基場效應管總體技術方案的實現流程圖，該方法包括 以下步驟-步驟201:對襯底材料采用光刻方法進行光刻，形成電子束對準標記， 蒸發標記金屬；步驟202:對襯底材料采用光刻方法進行光刻，形成源漏圖形，并蒸 發源漏金屬；步驟203:退火合金，將源漏金屬與襯底材料形成歐姆接觸，形成源 極和漏極；步驟204:有源區離子注入隔離；步驟205:刻蝕襯底材料頂層的AlGaN外延層形成柵槽； 步驟206:在源極和漏極之間的AlGaN外延層及柵槽上生長A1N或 Ab03薄膜；步驟207:光學光刻柵極圖形，蒸發柵極金屬，形成柵極；步驟208:金屬布線，形成GaN基場效應管。上述步驟201中所述采用的光刻方法為電子束直寫光刻，或為普通光 學光刻。上述步驟202中所述采用的光刻方法一般為普通光學光刻方法。上述步驟203中所述退火溫度為750至830°C 。上述步驟205中所述柵槽尺寸為0.25 toi。上述步驟206中所述A1N或A1203薄膜的厚度為IOA。
上述步驟207中所述柵極圖形的尺寸為0.8pm。 該方法在步驟208形成微波功率器件之后還進一步包括 步驟209:對形成的GaN基場效應管進行測試分析。基于圖1所示的GaN基場效應管的結構示意圖，以及圖2所示的制 作GaN基場效應管總體技術方案的實現流程圖，以下結合具體的實施例 對本發明制作GaN基場效應管的方法進一步詳細說明。實施例如圖3所示，圖3為依照本發明實施例制作GaN基場效應管工藝流 程的示意圖，該方法包括以下步驟步驟301:采用電子束直寫光刻或普通光學光刻對襯底材料進行光刻， 形成電子束對準標記，蒸發標記金屬。步驟302:采用普通光學光刻方法對襯底材料進行光刻，形成源漏圖 形，并蒸發源漏金屬。步驟303:在750至83(TC條件下退火合金，將源漏金屬與襯底材料 形成良好的歐姆接觸，形成源極和漏極。上述步驟302和303的具體工藝流程如圖3中(a)所示。步驟304:有源區離子注入隔離；本步驟的具體工藝流程如圖3中(b)所示。步驟305:干法刻蝕襯底材料頂層的AlGaN外延層形成柵槽；本步驟的具體工藝流程如圖3中(c)所示。步驟306:在源極和漏極之間的AlGaN外延層及柵槽上生長厚度為 IOAAIN或八1203薄膜；本步驟的具體工藝流程如圖3中(d)所示。步驟307:光學光刻0.8pm柵極圖形，蒸發柵極金屬，形成柵極；本步驟的具體工藝流程如圖3中(e)所示。步驟308:金屬布線，形成GaN基場效應管。步驟309:對形成的GaN基場效應管進行測試分析。 在對形成的GaN基場效應管進行測試分析時，對該GaN基場效應管 進行直流測試，從圖5所示的肖特基特性測試曲線可以看出，肖特基反向 漏電明顯減少，其數值比相同外延材料的AlGaN/GaN HEMT器件肖特基 反向漏電下降了3個數量級。同時，提高了肖特基的勢壘高度，正向開啟 電壓增加。這是由于AlN層或者Al203層起到了鈍化表面態的作用，使得 GaN基場效應管工作時，由表面態俘獲電子的缺陷輔助隧穿幾率減少，同 時也降低了材料位錯導致的漏電渠道。柵——漏間的柵結構類似于場版結構，減小了柵邊緣的電場，有效提 高了器件的擊穿電壓。從圖6所示的擊穿電壓測試可以看出，在溝道被夾 斷的情況下，GaN基場效應管的柵——漏擊穿電壓大于100V。這一特性 可以使得GaN基場效應管可以在更大的電壓下工作，提高了功率輸出的 潛力。由于在制作GaN基場效應管時采用了挖柵槽的工藝，減小了柵下 AlGaN層的厚度，提高了器件的增益。在功率輸出方面，由于A1N或者A1203介質層的引入增大了柵一源電 阻，該GaN基場效應管的線性度明顯優于AlGaN/GaNHEMT器件。象上 面提到的，這一層AlN或者Al203介質層起到了鈍化的作用，消除了柵一 漏區域的虛柵，減小了表面態的密度，該GaN基場效應管在X波段連續 波輸出時基本沒有電流崩塌現象，提高了 GaN基場效應管工作的可靠性。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行 了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而 己，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1、一種氮化鎵基場效應管，其特征在于，該氮化鎵基場效應管包括柵極，位于柵極兩側的源極和漏極；其中，柵極、源極和漏極位于襯底材料頂層鋁鎵氮AlGaN外延層上，源極與AlGaN外延層以及漏極與AlGaN外延層之間通過退火合金形成歐姆接觸；在源極和漏極之間的AlGaN外延層上通過刻蝕形成細的柵槽，在源極和漏極之間的AlGaN外延層及柵槽上淀積有氮化鋁AlN或氧化鋁Al2O3薄膜，所述柵極通過光刻和蒸發形成在柵槽上淀積的AlN或Al2O3薄膜上。
2、 根據權利要求1所述的氮化鎵基場效應管，其特征在于，所述襯 底材料由下至上依次包括藍寶石襯底、氮化鎵GaN和AlGaN外延層三層 結構；其中，藍寶石襯底，用于作為生長GaN外延層的襯底材料； AlGaN/GaN外延層結構，AlGaN外延層和GaN外延層間形成異質結， 產生高濃度的二維電子氣，提供大的電流密度和功率輸出能力。
3、 根據權利要求l所述的GaN基場效應管，其特征在于，所述柵極 為T型柵極。
4、 一種GaN基場效應管的制作方法，其特征在于，該方法包括A、 對襯底材料采用光刻方法進行光刻，形成電子束對準標記，蒸發 標記金屬；B、 對襯底材料采用光刻方法進行光刻，形成源漏圖形，并蒸發源漏 金屬；C、 退火合金，將源漏金屬與襯底材料形成歐姆接觸，形成源極和漏極；D、 有源區離子注入隔離；E、 刻蝕襯底材料頂層的AlGaN外延層形成柵槽；F、 在源極和漏極之間的AlGaN外延層及柵槽上生長A1N或A1203薄膜；G、 光學光刻柵極圖形，蒸發柵極金屬，形成柵極；H、 金屬布線，形成GaN基場效應管。
5、 根據權利要求4所述的GaN基場效應管的制作方法，其特征在于， 步驟A中所述采用的光刻方法為電子束直寫光刻，或為普通光學光刻；步驟B中所述采用的光刻方法為普通光學光刻方法。
6、 根據權利要求4所述的GaN基場效應管的制作方法，其特征在于， 步驟C中所述退火溫度為750至830°C 。
7、 根據權利要求4所述的GaN基場效應管的制作方法，其特征在于， 步驟E中所述柵槽尺寸為0.25 toi。
8、 根據權利要求4所述的GaN基場效應管的制作方法，其特征在于， 步驟F中所述A1N或A1203薄膜的厚度為IOA。
9、 根據權利要求4所述的GaN基場效應管的制作方法，其特征在于， 該方法進一步包括I、 對形成的GaN基場效應管進行測試分析。
全文摘要
本發明公開了一種GaN基場效應管，該GaN基場效應管包括柵極，位于柵極兩側的源極和漏極；其中，柵極、源極和漏極位于襯底材料頂層AlGaN外延層上，源極與AlGaN外延層以及漏極與AlGaN外延層之間通過退火合金形成歐姆接觸；在源極和漏極之間的AlGaN外延層上通過刻蝕形成有細的柵槽，在源極和漏極之間的AlGaN外延層及柵槽上淀積有AlN或Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜，所述柵極通過光刻和蒸發形成在柵槽上淀積的AlN或Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜上。本發明同時公開了一種GaN基場效應管的制作方法。利用本發明，有效地解決了AlGaN表面態存在導致器件產生電流崩塌以及柵反向漏電增大的問題。
文檔編號H01L29/772GK101150144SQ20061012786
公開日2008年3月26日 申請日期2006年9月22日 優先權日2006年9月22日
發明者鍵 劉, 劉新宇, 劉果果, 李誠瞻, 鄭英奎 申請人:中國科學院微電子研究所