專利名稱：一種鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管的制作方法
技術領域：
本發明屬于微電子技術領域，涉及鐵電功能薄膜材料、半導體器件，具體指一種增強型GaN異質結場效應晶體管。
背景技術：
作為一類新型的寬禁帶半導體材料，GaN具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、 載流子遷移率高、抗輻射能力強等特點，在微電子與光電子器件中有廣泛的應用。基于其自身所具有的較強的壓電極化和自發極化，在非有意摻雜的情況下，AWaN/GaN異質結中能夠形成濃度高達IO13CnT2的二維電子氣。因此，GaN基材料在大功率密度、高頻、高速電子器件領域具有極其廣泛的應用前景。但是，由于GaN是一種強極性半導體材料，在AlGaN/GaN異質結界面自然形成高濃度的2DEG，在通常情況下很難耗盡AlGaN/GaN異質結界面的2DEG，所以，通常GaN異質結場效應晶體管均為耗盡型，即在零偏壓下GaN異質結場效應晶體管處于常開狀態，只有在柵上加一定大小的負偏壓時，才能使器件處于關斷狀態。從使用的安全性、節能及電子線路的簡化方面考慮，該類耗盡型器件的應用性受到極大的限制。因此，開發具有常關特征的增強型器件成為GaN異質結類半導體器件的關鍵。為此，研究工作者一直在探索增強型GaN異質結場效應晶體管的實現方法。目前，國內外研究人員已采用多種方法研制出增強型GaN 場效應管器件1、通過能帶設計和剪切降低GaN異質結界面的2DEG濃度，從而實現增強型GaN異質結場效應晶體管。這一方法的最大缺點是無法實現與耗盡型GaN異質結場效應晶體管的兼容，也就是說無法在同一片材料上既制造增強型GaN異質結場效應晶體管，還研制出耗盡型GaN異質結場效應晶體管。因此，這種方法無法滿足GaN數字邏輯電路的研制需要。2、通過減薄柵區下方的AWaN勢壘層厚度，降低柵區的2DEG濃度，從而實現增強型GaN異質結場效應晶體管。這種方法雖然有效，但其最大的問題是由于很難監控刻蝕速率，導致柵區下方的 AlGaN勢壘層的厚度難以準確控制。因此，所制造的增強型GaN異質結場效應晶體管的性能一致性和重復性難以保證，這對于GaN數字邏輯電路的研制來說，同樣是很難接受的。3、對柵區下方的AlGaN勢壘層注入F離子，耗盡柵區的2DEG，從而實現增強型GaN 異質結場效應晶體管。這種方法雖然避免了以上兩種方法的缺點，但其最大的問題是柵區AKiaN勢壘層的F離子注入會破壞GaN異質結界面特性，使增強型GaN場效應晶體管的性能退化。總之，現有的增強型GaN異質結場效應晶體管技術方案都存在較大問題，需要發明新的技術方法，既能實現增強型GaN異質結場效應晶體管與耗盡型GaN異質結場效應晶體管在制造工藝上的兼容，又能最大限度地保證增強型GaN異質結場效應晶體管與耗盡型 GaN異質結場效應晶體管性能相當。
鐵電氧化物作為一種特殊的介質材料，具有鐵電自發極化特性，通過界面耦合效應，由鐵電材料與GaN類半導體所構成的異質體系會表現出一些新穎的性質，如存儲和敏感特性等。但根據現有文獻的報道，已有的鐵電薄膜/GaN異質結半導體器件(鐵電薄膜作為柵介質材料)均表現出常開的特征，即屬于耗盡型器件。特別是，多數鐵電氧化物薄膜的特殊制備工藝條件(如高溫和氧氣氛條件)將大大增加上述技術所制備器件的不穩定性。
發明內容
本發明提供一種鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管，該增強型(常關型) GaN異質結場效應晶體管以鐵電薄膜為柵介質材料，其結構簡單，實現工藝簡單、重復性好、 穩定性和可靠性高。本發明技術方案如下一種鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管，如圖1所示，包括位于襯底表面、(0001)晶向的GaN薄膜，位于GaN薄膜表面、(0001)晶向的AlxGi^xN(0 < χ ^ 1)薄膜； 所述AlxGai_xN薄膜與GaN薄膜形成GaN異質結；在所述AlxGai_xN薄膜上具有柵、源、漏電極， 其中柵電極位于源電極和漏電極之間，且在柵電極與AlxGai_xN薄膜之間具有柵介質薄膜； 所述柵介質薄膜或者是LiNbO3(LNO)鐵電薄膜、或者是LiTaO3(LTO)鐵電薄膜、或者是M元素摻雜的LNO或LTO鐵電薄膜。上述技術方案中，所述M元素摻雜的LNO或LTO鐵電薄膜的摻雜元素M為Mg、Ca、 31~、&1或!^中的一種或幾種，并且化學配比滿足(1^+10 Nb (或Ta) 0 = 1 1 3。上述技術方案中，所述襯底材料為碳化硅、硅或藍寶石。本發明首次利用脈沖激光沉積技術，在MGaN/GaN異質結表面外延生長出LNO或 LTO鐵電薄膜，并利用鐵電自發極化對2DEG的調制作用成功研制出鐵電薄膜柵增強型GaN 異質結場效應晶體管。實驗發現在(0001)晶向的GaN異質結(GaN薄膜和AlxGi^xN薄膜都是(0001)晶向)的AlxGai_xN薄膜表面外延生長的LNO或LTO鐵電薄膜為一維鐵電材料 (僅具有180°鐵電疇)，其電籌取向主要以C+方向(由面內指向面外)為主，即LNO或LTO 鐵電薄膜具有C+方向的鐵電自發極化；而(0001)晶向的GaN異質結的自發極化方向主要為C-方向(由面外指向面內)。由于LNO或LTO鐵電薄膜的自發極化方向與GaN異質結的自發極化方向相反，加之異質結構中界面極化的不連續性，通過界面耦合作用，LNO或LTO 鐵電薄膜中的鐵電自發極化將對GaN異質結中的2DEG產生調制作用。在無外加電場的條件下，根據2DEG的形成機理，薄膜中的C+方向鐵電自發極化會導致2DEG中電子數量的減少； 當LNO或LTO鐵電薄膜中的鐵電自發極化強度達到某一值后，2DEG中的電子全部被耗盡， 使得本發明提供的鐵電薄膜柵GaN異質結場效應晶體管表現出常關特征，即形成增強型器件。當施加一定的正向柵極電壓，電子逐漸在溝道區形成積累，導電溝道形成導通。該類場效應管器件的開啟電壓主要是由鐵電自發極化決定的。通過改變LNO薄膜中的鐵電自發極化的大小可以實現對器件操作模式的有效調制。本發明的有益效果是本發明首次利用脈沖激光沉積技術，在MGaN/GaN異質結表面外延生長出LNO或 LTO鐵電薄膜，并利用鐵電自發極化對2DEG的調制作用成功研制出鐵電薄膜柵增強型GaN 異質結場效應晶體管。由于LNO或LTO鐵電薄膜中的C+方向鐵電自發極化的作用，導致AlGaN/GaN異質結中的2DEG被完全耗盡，從而使得本發明提供的鐵電薄膜柵GaN異質結場效應晶體管表現出常關特征，即形成增強型器件。此外，由于LNO或LTO鐵電材料具有與 GaN材料相似的晶格結構，使得LNO或LTO鐵電薄膜可直接外延生長于AlGaN薄膜表面且具有高質量的界面而無需任何緩沖層。同時，LNO或LTO鐵電薄膜的生長溫度較低(500°C左右)，較低的生長溫度可以有效避免生長過程中高溫條件對AlGaN/GaN異質結中的2DEG的損傷；而且LNO或LTO鐵電薄膜是自發極化強度最大(約80yC/cm2)的鐵電材料之一，這無疑有利于增強鐵電極化對半導體中載流子的調制作用。總之，本發明提供的鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管具有結構簡單的特點，且實現工藝簡單、重復性好、穩定性和可靠性高。
圖1為本發明提供的鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管的結構示意圖。圖2為本發明提供的鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管的電學性質。其中圖2(a)為輸出性質；圖2(b)為轉移特性。圖3為在不同外加電場條件下LNO/AWaN/GaN異質結構中MGaN/GaN界面處的能帶結構和電荷分布。0 3(a)無外加電場作用；圖3(b)為外加電壓為0.5V;圖3(c)為外加電壓為1. OV ；圖3 (d)為外加電壓為2. 0V。圖4為本發明提供的鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管(LNO/AWaN/GaN 場效應晶體管)的開啟電壓(Vth)與鐵電自發極化(Pf)之間的關系。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的說明。一種鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管，如圖1所示，包括位于襯底表面、(0001)晶向的GaN薄膜；位于GaN薄膜表面、(0001)晶向的AlxGi^xN薄膜，其中0
1 ；所述Alx(;ai_xN薄膜與GaN薄膜形成GaN異質結；在所述AlxGai_xN薄膜上具有柵、 源、漏電極，其中柵電極位于源電極和漏電極之間，且在柵電極與AlxGi^xN薄膜之間具有柵介質薄膜；其特征在于，所述柵介質薄膜或者是LiNbO3(LNO)鐵電薄膜、或者是LiTaO3(LTO) 鐵電薄膜、或者是M元素摻雜的LNO或LTO鐵電薄膜。其中，所述M元素摻雜的LNO或 LTO鐵電薄膜的摻雜元素M為Mg、Ca、Sr、Si或狗中的一種或幾種，并且化學配比滿足 (Li+M) Nb (或Ta) 0 = 1 1 3 ；所述襯底材料為碳化硅、硅或藍寶石。上述鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管的主要制備過程如下首先利用光刻工藝在AWaN/GaN異質結表面定義出源極、柵極和漏極區域，然后采用電子束蒸發工藝分別在源極區和漏極區制備源極和漏極歐姆電極，再利用激光沉積技術(PLD)在AlGaN/ GaN異質結表面柵極區域外延生長LNO或LTO鐵電薄膜(也可以是M元素摻雜的LNO或LTO 鐵電薄膜)作為柵介質，最后在LNO或LTO鐵電薄膜柵介質表面沉積金屬柵電極。圖1為所制備的LNO/AWaN/GaN場效應管器件的結構示意圖。其中柵極長度為 5 μ m，源漏間距為15 μ m，柵極寬度為100 μ m。圖2為所制備的LNO/AWaN/GaN場效應管器件的電學性質。圖2 (a)為輸出性質。 輸出性質曲線具有明顯的飽和和關斷特征，這說明了良好的器件結構和高質量的LNO薄膜；圖2(b)為轉移特性。從轉移特性曲線，可以得到所制備器件的開啟電壓，其值為+1.0V。 這說明了所制備的LNO/AWaN/GaN場效應管器件為增強型場效應管器件，具有常關特征。圖3為在不同外加電場條件下LNO/AWaN/GaN異質結構中MGaN/GaN界面處的能帶結構和電荷分布。0 3(a)無外加電場作用；圖3(b)為外加電壓為0.5V;圖3(c)為外加電壓為1. OV ；圖3(d)為外加電壓為2. OV0通過對電位移方程和泊松方程的數值求解，進一步從界面能帶結構和電荷分布方面說明了 LNO/AWaN/GaN場效應管器件中“增強效應”機理。圖4為LNO/AWaN/GaN場效應管器件的開啟電壓(Vth)與鐵電自發極化(Pf)之間的關系。通過控制LNO薄膜的制備工藝，可改變薄膜的鐵電自發極化強度的大小，從而實現不同的器件操作模式。數值計算結果進一步說明了鐵電自發極化強度與器件開啟電壓間的關系。當鐵電自發極化小于3. 7 μ C/cm2,開啟電壓小于0，器件為耗盡型，即常開型；當鐵電自發極化大于3. 7 μ C/cm2,開啟電壓大于0，器件為增強型，即常關型，并且隨著鐵電自發極化的增加，開啟電壓逐漸增大。圖1至圖4，尤其是圖2至圖4描述的是本發明提供的一種具體的鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管的結構及相關性能示意，其中鐵電薄膜柵為LNO鐵電薄膜。本領域普通技術人員應當知道，將其中的LNO鐵電薄膜換成LTO鐵電薄膜、或者是M元素摻雜(M 為Mg、Ca、Sr、&i或!^e中的一種或幾種，并且化學配比滿足(Li+M) Nb 0 = 1 1 3 或(Li+M) Ta 0 = 1 1 3)的LNO或LTO鐵電薄膜，其結構和性能相似。
權利要求
1.一種鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管，包括位于襯底表面、(0001)晶向的GaN薄膜；位于GaN薄膜表面、(0001)晶向的AlxGai_xN薄膜，其中0 < χ彡1 ；所述AlxGai_xN 薄膜與GaN薄膜形成GaN異質結；在所述AlxGai_xN薄膜上具有柵、源、漏電極，其中柵電極位于源電極和漏電極之間，且在柵電極與Alx^vxN薄膜之間具有柵介質薄膜；其特征在于， 所述柵介質薄膜或者是LiNbO3(LNO)鐵電薄膜、或者是LiTaO3(LTO)鐵電薄膜、或者是M元素摻雜的LNO或LTO鐵電薄膜。
2.根據權利要求1所述的鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管，其特征在于， 所述M元素摻雜的LNO或LTO鐵電薄膜的摻雜元素M為Mg、Ca、Sr、Si或！^中的一種或幾種，并且化學配比滿足(Li+M) Nb 0 = 1 1 3 或(Li+M) Ta 0 = 1 1 3。
3.根據權利要求1所述的鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管，其特征在于，所述襯底材料為碳化硅、硅或藍寶石。
全文摘要
一種鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管，屬于微電子技術領域。包括(0001)晶向的GaN薄膜和AlxGa1-xN(0＜x≤1)薄膜形成的GaN異質結；在AlxGa1-xN薄膜上具有柵、源、漏電極，在柵電極與AlxGa1-xN薄膜之間具有柵介質薄膜；所述柵介質薄膜或者是LiNbO3(LNO)鐵電薄膜、或者是LiTaO3(LTO)鐵電薄膜、或者是M元素摻雜的LNO或LTO鐵電薄膜。由于LNO或LTO鐵電薄膜中的C+方向鐵電自發極化的作用，導致AlGaN/GaN異質結中的2DEG被完全耗盡，從而使得本發明提供的鐵電薄膜柵GaN異質結場效應晶體管表現出常關特征，即形成增強型器件。本發明提供的鐵電薄膜柵增強型GaN異質結場效應晶體管具有結構簡單的特點，且實現工藝簡單、重復性好、穩定性和可靠性高。
文檔編號H01L29/51GK102299176SQ20111025140
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月30日 優先權日2011年8月30日
發明者張萬里, 朱俊, 李言榮, 郝蘭眾 申請人:電子科技大學