一種增強型氮化物場效應晶體管及其制備方法與流程
本發明屬于半導體領域，尤其涉及一種增強型場效應晶體管及其制備方法。
背景技術：
氮化鎵(GaN)材料由于具有大的禁帶寬度、高的熱導率、高電子飽和漂移速度和大的臨界擊穿電壓等特點而得以在光電子器件和高溫大功率電子器件等領域有著廣闊的應用前景。由于氮化物具有很強的自發極化和壓電極化效應，在沒有摻雜的情況下可以在AlGaN/GaN界面產生大量的二維電子氣，其濃度可達1013cm-2，電子遷移率2000cm2/V·s以上。由于具有以上特征，AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管成為制備高頻功率放大器和功率開關器件的理想材料。
目前AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管的性能研究大多還是集中在耗盡型器件方面，但是從器件應用方面來看，增強型器件有更大的應用優勢。1995年，Khan等人通過減薄勢壘層厚度的方法來耗盡二維電子氣實現了增強型器件的研制，但這種方法的缺點在于勢壘層減薄后二維電子氣的濃度整體下降，導致器件的通態電阻升高，功耗嚴重，影響了器件的性能。2000年，X.Hu等人利用選區二次外延生長p型GaN帽層在柵極下方形成PN結的方法實現了柵下二維電子氣的耗盡實現增強型，但是其閾值電壓非常小，生長工藝難度較大。2003年，Kumar等人利用反應離子束刻蝕凹柵的方法減薄柵下勢壘層厚度實現了增強型器件的研制，但是該工藝難度大，難以精確控制，沒有可重復性。2005年，香港科技大學的Cai等人，采用氟離子注入的方法耗盡了柵下的二維電子氣實現增強型器件，但是該方法實現的增強型器件的可靠性面臨嚴重的挑戰。
綜上所述，目前采用的實現增強型器件的主流的方法是采用勢壘層減薄，p型帽層，槽柵結構，氟離子注入等方法，但整體來看，采用這些方法來實現增強型器件的工藝比較復雜且工藝難度較大，對器件的工業化生產來說有較大的難度。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種增強型氮化物場效應晶體管的制備方法，以解決增強型器件的工藝比較復雜，工藝難度較大，溝槽的刻蝕深度無法精確控制，器件的工業化生產難度大的問題。
(二)技術方案
本發明提供一種增強型氮化物場效應晶體管，其特征在于，包括：
襯底；
依次形成于襯底之上的成核層、高阻緩沖層及勢壘層；
形成于勢壘層一端之上的源極；
形成于勢壘層另一端之上的漏極；
形成于源極、漏極之間的單條溝槽或多條溝槽，且溝槽內填充有高介電常數、寬帶隙的電介質材料；
形成于溝槽上方的柵極；以及
形成于源極、漏極和柵極之間的鈍化層。
進一步，所述高介電常數、寬帶隙的電介質材料，包括：MnO2、Pb3MgNb2O9、BaTiO3、SrTiO3、SnTe、PbTe、WO3、SbS、Pb2CoWO6、TiO2或SnSb中的一種或幾種；
進一步，所述高介電常數、寬帶隙的電介質材料，采用磁控濺射、離子束蒸鍍、化學氣相沉淀、溶膠凝膠法或水熱法制備而成。
進一步，所述溝槽的深度大于勢壘層的厚度，所述電介質材料厚度小于或者等于所述溝槽的深度。
進一步，所述襯底為藍寶石、碳化硅或硅中的一種；
所述成核層為氮化鎵GaN或氮化鋁AlN；
所述高阻緩沖層為銦鎵氮InxGa1-xN，其中0≤x＜1；
所述勢壘層為鋁銦鎵氮AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x≤1，0≤y＜1。
進一步，所述單條溝槽或多條溝槽的寬度之和不超過其上柵極的寬度；
所述單條溝槽或多條溝槽采用ICP干法刻蝕或者濕法腐蝕制備而成。
進一步，所述源極和漏極采用Ti、Al、Ni、Pt、Cr或Au金屬中的一種或幾種；
所述柵極采用Ti、Ni、Pt、Al、Cu、W、Co或Au金屬中的一種或幾種；
所述鈍化層采用Al2O3、SiNx、SiO2或Ga2O3。
本發明的另一方面提供一種增強型氮化物場效應晶體管的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
在襯底上依次生長成核層、高阻緩沖層及勢壘層；
在勢壘層一端之上制備源極，另一端之上制備漏極；
對源極、漏極之間的勢壘層進行刻蝕形成單條溝槽或多條溝槽，在溝槽內填充高介電常數、寬帶隙的電介質材料；
在溝槽上方制備柵極；以及
源極、漏極和柵極之間生長鈍化層。
進一步，所述在溝槽內填充的高介電常數、寬帶隙的電介質材料包括MnO2、Pb3MgNb2O9、BaTiO3、SrTiO3、SnTe、PbTe、WO3、SbS、Pb2CoWO6、TiO2或SnSb中的一種或幾種；
所述高介電常數、寬帶隙的電介質材料采用磁控濺射、離子束蒸鍍、化學氣相沉淀、溶膠凝膠法或水熱法制備而成。
進一步，所述溝槽的深度大于勢壘層的厚度，所述電介質材料厚度小于或者等于所述溝槽的深度。
進一步，所述單條溝槽或多條溝槽的寬度之和不超過其上柵極的寬度；
所述單條溝槽或多條溝槽采用ICP干法刻蝕或者濕法腐蝕制備而成。
(三)有益效果
本發明提供一種全新的氮化物增強型場效應晶體管的制備方法，提出了在柵極下方刻蝕溝槽，且溝槽的刻蝕深度只需超過AlInGaN勢壘層的厚度即可，無需精確控制，避免了傳統槽柵結構對刻蝕精度的要求。同時，在溝槽內部填充有高介電常數、寬帶隙的電介質材料，利用外場下強的電極化材料與氮化物自發極化強度的差異，在界面處引入二維電子氣，從而實現正向導通，其物理機制與其他人所提及的制備方式有根本的區別。
附圖說明
圖1是本發明提供的增強型氮化物多溝道場效應晶體管結構示意圖。
圖2是本發明提供的增強型氮化物多溝道場效應晶體管的頂部俯視圖。
圖3是本發明提供的增強型氮化物單溝道場效應晶體管的結構示意圖。
圖4是本發明提供的增強型氮化物多溝道場效應晶體管制作流程圖。
圖5是本發明提供的增強型氮化物多溝道場效應晶體管制作流程中光刻過程示意圖。
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，對本發明作進一步的詳細說明。
圖1是本發明提供的增強型氮化物多溝道場效應晶體管結構示意圖，包括：
-襯底11，該襯底可以是藍寶石、SiC或者Si襯底中的一種；
-成核層12，該成核層12為氮化鎵或者氮化鋁，該成核層12制作在襯底11上，成核層的厚度可取10nm～150nm。
-銦鎵氮(InGaN)高阻緩沖層13，該銦鎵氮(InGaN)高阻緩沖層13制作在成核層12上，其中InxGa1-xN(0≤x＜1)，該高阻緩沖層的厚度可取2μm～3μm，其電阻阻值為106Ω-1011Ω；
-鋁銦鎵氮(AlInGaN)勢壘層14，該鋁銦鎵氮(AlInGaN)勢壘層14制作在銦鎵氮(InGaN)高阻緩沖層13上，其中AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0≤y＜1)，該AlInGaN勢壘層的厚度可取10nm～50nm；
-二維電子氣15，二維電子氣15處于鋁銦鎵氮(AlInGaN)勢壘層14和銦鎵氮(InGaN)高阻緩沖層13之間的界面處，該二維電子氣的產生是由于鋁銦鎵氮(AlInGaN)勢壘層14和銦鎵氮(InGaN)高阻緩沖層13之間極化效應導致；
-多溝道溝槽16，多溝道溝槽是通過對鋁銦鎵氮(AlInGaN)勢壘層14進行ICP刻蝕方法獲得的，刻蝕深度超過鋁銦鎵氮(AlInGaN)勢壘層14即可，溝槽的深度可以為10nm-80nm；多溝道溝槽16內部填充的是高介電常數、寬帶隙的電介質材料，例如MnO2、Pb3MgNb2O9、BaTiO3、SrTiO3、SnTe、PbTe、WO3、SbS、Pb2CoWO6、TiO2、SnSb等其中的一種或幾種。在溝槽內部填充有高介電常數、寬帶隙的電介質材料。傳統的槽柵結構需要精確控制刻蝕深度，即刻蝕后需保留一定厚度的勢壘層。由于勢壘層的厚度總共只有幾十個納米，因此對刻蝕精度提出了非常嚴苛的要求。本發明提供的增強型氮化物功率器件制備方法，利用電場下高電介質常數的電介質材料與GaN相作用，因二者的極化矢量的不連續，在界面處形成凈的極化電荷，從而吸引電子形成導電通道。由于介電材料只需與GaN材料相作用，只要將AlInGaN勢壘層刻蝕掉即可，無需精確控制刻蝕深度。本發明提供的增強型氮化物晶體管制備方法，其物理機制與其他人所提及的制備方法有根本的區別，而且制作簡單，便于控制，有利于工業化生產。
-源極17和漏極18，源極17和漏極18制作在鋁銦鎵氮(AlInGaN)勢壘層14的上方，由Ti、Al、Ni、Pt、Cr、Au等金屬中的一種或幾種組成；
-柵極19，該柵極19位于多溝道溝槽上方，覆蓋整個多溝道溝槽的區域，該柵極19由Ti、Ni、Pt、Al、Cu、W、Co、Au等金屬中的一種或幾種組成。由于該柵極19位于多溝道溝槽上方，即在柵極下方刻蝕溝槽，溝槽內填充的高介電常數材料與GaN材料相互作用，因此只需將溝槽位置的表層勢壘層刻蝕掉即可，無需精確控制刻蝕深度，避免了傳統槽柵結構對刻蝕精度的要求。
-鈍化層20，該鈍化層20位于源極17、漏極18和柵極19之間，該鈍化層20材料可以是Al2O3、SiNx、SiO2、Ga2O3等中的一種。
其中，多溝道的長度要求橫穿整個芯片表面，如圖2所示，圖2是本發明提供的增強型氮化物多溝道場效應晶體管的頂部俯視圖，包括：一成核層21，-銦鎵氮(InGaN)高阻緩沖層22，-鋁銦鎵氮(AlInGaN)勢壘層23，該圖中并未示意襯底層，-源極26和漏極27，-柵極27，圖中多溝道溝槽24橫穿整個芯片表面，柵極27位于整個多溝道溝槽的上表面，覆蓋整個多溝道溝槽區域。
另外，多溝道溝槽還可通過一個寬的單溝道實現，如圖3所示。圖3是本發明提供的增強型氮化物單溝道場效應晶體管的結構示意圖，包括：一襯底31，一成核層32，-銦鎵氮(InGaN)高阻緩沖層33，-鋁銦鎵氮(AlInGaN)勢壘層34，-源極37和漏極38，-柵極39，圖中單溝道溝槽36與圖1中的多溝道溝槽16類似，溝槽內部填充的是高介電常數、寬帶隙的電介質材料，例如MnO2、Pb3MgNb2O9、BaTiO3、SrTiO3、SnTe、PbTe、WO3、SbS、Pb2CoWO6、TiO2、SnSb等其中的一種或幾種。
圖4是本發明提供的增強型氮化物多溝道場效應晶體管制作流程圖。圖5是本發明提供的增強型氮化物多溝道場效應晶體管制作流程中光刻過程示意圖。結合圖4和圖5，具體說明本發明提供的增強型氮化物多溝道場效應晶體管的制作流程，具體包括以下步驟：
步驟1：將藍寶石、碳化硅或者硅襯底41清洗干凈，放入金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)系統中，溫度升高到500℃-600℃之間，壓力調整到300Torr-600Torr之間，在襯底41表面生長10nm-150nm的低溫GaN或者AlN成核層42，其中襯底41和成核層42的結構如圖5所示。
步驟2：將溫度升高到900℃-1100℃之間，壓力降低到40Torr-100Torr之間，在成核層42表面生長半絕緣InxGa1-xN高阻緩沖層43，其中InxGa1-xN(0≤x＜1)，該高阻緩沖層43的厚度可取2μm～3μm，其電阻阻值為106-1011Ω，其中成核層42和高阻緩沖層43的結構如圖5所示。
步驟3：將溫度調整到800℃-1100℃之間，壓力調整到50Torr-100Torr，在高阻緩沖層43表面生長AlxInyGa1-x-yN勢壘層44，其中AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0≤y＜1)，該AlInGaN勢壘層的厚度可取10nm～50nm，其中高阻緩沖層43和勢壘層44如圖5所示。
步驟4：在勢壘層44表面旋涂光刻膠45，固膠、顯影、去膠，形成具有多條溝道的光刻膠圖形，勢壘層44和光刻膠45的結構如圖5所示。
步驟5：以光刻膠45為掩膜，通過ICP干法刻蝕勢壘層44，形成多溝道溝槽，刻蝕深度超過AlxInyGa1-x-yN勢壘層44的厚度即可，無需精確控制。
步驟6：在光刻膠45表面淀積高介電常數、寬帶隙的電介質材料46，即通過磁控濺射或者溶膠凝膠法在整個芯片表面淀積一層電介質材料46，如圖5所示，電介質材料46的淀積厚度小于或者等于刻蝕溝槽的深度。電介質材料46可以為MnO2、Pb3MgNb2O9、BaTiO3、SrTiO3、SnTe、PbTe、WO3、SbS、Pb2CoWO6、TiO2、SnSb等其中的一種或幾種。
步驟7：將光刻膠掩膜45通過BOE去除，形成多溝道溝槽內帶有電介質材料的結構片。
步驟8：在AlInGaN勢壘層44上方通過電子束蒸發淀積Ti、Al、Ni、Pt、Cr、Au等金屬中的一種或幾種，分別制作源極和漏極；在多溝道溝槽上方通過電子束蒸發淀積Ti、Ni、Pt、Al、Cu、W、Co、Au等金屬中的一種或幾種，制作柵極。
步驟9：在源極、漏極和柵極之間，通過PECVD方法蒸鍍鈍化層，該鈍化層材料可以是Al2O3、SiNx、SiO2、Ga2O3等中的一種，完成氮化物晶體管制作。制作形成的增強型氮化物多溝道場效應晶體管，其結構如圖1所示。
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，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，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。
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