一種新型增強型iii-v異質結場效應晶體管的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種新型增強型III?V異質結場效應晶體管，在襯底材料層上形成第二半導體層，在第二半導體層上構造出漏電極和源電極，漏電極和源電極之間通過第一半導體層相連且與第一半導體層歐姆接觸從而形成溝道；第一半導體層比第二半導體層具有更大的禁帶寬度；第二半導體層和第一半導體層結合在一起構成異質結構；第一半導體層的厚度不大于在異質結構上形成二維電子氣2DEG的臨界厚度，使異質結構中天然的二維電子氣2DEG被耗盡。相對于現有技術，本發明提供的新型增強型III?V異質結場效應晶體管，利用薄勢壘層方案獲得耗盡的溝道，采用高柵電壓重新誘導出2DEG，從而實現性能穩定的增強型器件。
【專利說明】
一種新型増強型M 1-V異質結場效應晶體管
技術領域
[0001]本發明涉及半導體器件技術領域，尤其涉及一種新型增強型II1-V異質結場效應晶體管。
【背景技術】
[0002]某些III族和V族元素構成的二元或者三元化合物(甚至多元化合物)具有自發極化和壓電極化效應，當它們結合在一起構成異質結時(如AlGaN/GaN)，會在異質結的界面處形成高濃度的二維電子氣(2DEG)，以異質結界面處的2DEG為導電機構的器件稱為異質結場效應管(HFET)，也可以稱為高電子迀移率晶體管(HEMT)。
[0003]HFET器件具有高電子迀移率、器件工作頻率高以及高效率的特點。在微波功率發射極傳輸以及電力電子領域具有非常重要的應用前景。但是，迄今為止，HFET器件作為增強型器件時存在一個天然的缺憾，以AlGaN/GaNHFET為例，由于極強的自發極化和壓電極化，在無任何外加電壓的情況下，異質結界面形成了高濃度的2DEG，HFET器件天然為耗盡型(常開型KHFET器件的缺陷限制了器件在邏輯電路和電力電子電路中的應用，前者需要增強型和耗盡型的邏輯互補，而后者出于安全性及節能的考慮，更需要的是增強型器件。參閱圖1，所示為現有技術耗盡型II1-V HFET器件的剖視圖，包含襯底材料層9，第二半導體層10，第一半導體層14，二維電子氣11，漏電極12，源電極13，柵介質層15和柵電極16，其中，第二半導體層10和第一半導體層14之間構成異質結構，由于現有技術中第一半導體層14的厚度超過臨界厚度，所以在不加任何外加電壓的情況下，由于材料體系的壓電極化和自發極化，在異質結界面，即第一半導體和第二半導體的界面處，即存在高濃度的二維電子氣2DEG。
[0004]現有技術為了實現增強型HFET器件，通常有以下幾種方式獲得:
[0005]柵下溝道F離子注入技術:即在柵極下部的勢皇層中注入F的負離子，靠負電勢將柵下的溝道電子耗盡，實現器件的正向閾值(增強型)。
[0006]槽柵技術:用干法刻蝕技術將柵下部分勢皇層刻薄，當厚度低于臨界厚度時，柵下的2DEG將耗盡。只有當柵壓高于某一電壓時，才會重新誘導出2DEG。實現了增強型器件。
[0007]利用P-AlGaN層的器件，這種器件是在柵下部位增加了一層ρ-AlGaN層，由于能帶的均衡作用，使溝道的2DEG耗盡。
[0008]以上幾種技術存在不同的劣勢，其中F離子注入技術在可靠性及獲得較大的閾值方面存在問題，槽柵技術在工藝控制方面存在較大難度，P-AlGaN技術存在材料生長困難、器件開關頻率低等缺點。
[0009]故，針對目前現有技術中存在的上述缺陷，實有必要進行研究，以提供一種方案，解決現有技術中存在的缺陷。
【發明內容】
[0010]有鑒于此，本發明的目的在于提供一種新型增強型II1-V異質結場效應晶體管，以解決上述問題。
[0011]—種新型增強型II1-V異質結場效應晶體管，包括襯底材料層、第二半導體層、第一半導體層、漏電極、源電極、第一介質層，第二介質層和柵電極，其中，
[0012]在所述襯底材料層上形成所述第二半導體層，在所述第二半導體層上構造出漏電極和源電極，所述漏電極和源電極之間通過第一半導體層相連且與第一半導體層歐姆接觸從而形成溝道;所述第一半導體層比所述第二半導體層具有更大的禁帶寬度；
[0013]所述第二半導體層和所述第一半導體層結合在一起構成異質結構;所述第一半導體層的厚度不大于在異質結構上形成二維電子氣2DEG的臨界厚度，使所述異質結構中天然的二維電子氣2DEG被耗盡；
[0014]所述第一半導體層表面還設有第一介質層，所述第一介質層上設有所述柵電極，所述柵電極覆蓋整個溝道長度且所述柵電極的兩個邊緣延伸分別超過所述漏電極和源電極靠近溝道一側的邊緣，在所述柵電極與所述漏電極、源電極之間設有所述第二介質層。
[0015]優選地，所述第二介質層僅位于所述柵電極與所述漏電極和源電極的交迭的邊緣部分。
[0016]優選地，所述第一半導體層與第二半導體層之間還設有用以提高異質結界面的二維電子氣的迀移率的插入層，所述插入層的厚度為lnm。
[0017]優選地，所述插入層為AlN層。
[0018]優選地，所述第一半導體層為AlGaN層，其厚度為3?1nm;所述第二半導體層為GaN層，其厚度為2μπι。
[0019]優選地，所述第一半導體層為AlN層，其厚度為5nm;所述第二半導體層為GaN層，其厚度為2μηι。
[0020]優選地，所述第一介質層為生長異質結構材料時原位生長的Si3N4,其厚度為5?25nm0
[0021]優選地，所述的柵電極和第一介質層之間還設有第三介質層，所述第三介質層用于進一步降低器件的柵泄漏電流。
[0022]優選地，所述第二介質層為Si02層，其厚度為lOOnm。
[0023]優選地，所述第二介質層朝向溝道一側邊緣分別超出所述漏電極、源電極的長度均為 0.5μηι。
[0024]優選地，所述漏電極與所述源電極之間的距離為2.5μπι。
[0025]相對于現有技術，本發明提供的新型增強型II1-V異質結場效應晶體管，利用薄勢皇層方案獲得耗盡的溝道，并采用MIS柵結構，采用高柵電壓重新誘導出2DEG，從而實現性能穩定的增強型器件。
【附圖說明】
[0026]圖1是現有技術常規增強型II1-VHFET器件的剖面示意圖。
[0027]圖2是本發明新型增強型II1-V異質結場效應晶體管的剖面示意圖。
[0028]圖3是本發明新型增強型II1-V異質結場效應晶體管的俯視圖。
[0029]標號說明:
[0030]襯底材料層I，第二半導體層2，第一半導體層3，漏電極4，源電極5，第一介質層6，第二介質層7，柵電極8。
【具體實施方式】
[0031]以下是本發明的具體實施例并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步的描述，但本發明并不限于這些實施例。
[0032]針對現有技術存在的缺陷，
【申請人】對現有技術中HFET器件的結構進行了深入的研究，
【申請人】發現，常規器件的勢皇層，即第一半導體層的厚度超過臨界厚度，所以在不加任何外加電壓的情況下，由于材料體系的壓電極化和自發極化，在異質結界面，即第一半導體和第二半導體的界面處，即存在高濃度的二維電子氣2DEG。要想獲得增強型器件，必須采用槽柵、F離子注入摻雜等特殊工藝。這些工藝存在難以精確控制和額外延長工藝周期的缺點，另外，槽柵結構由于工藝過程中要采用刻蝕工藝，對器件溝道存在損傷，因此，對于器件的性能有損傷，另外，在器件的可靠性方面也存在一定隱患。F注入工藝很難進行精確的控制，并且在可靠性方面存在隱患。
[0033]為了克服以上缺點，本發明提出一種新型增強型II1-V異質結場效應晶體管，參見圖2和圖3所示，其中圖2為器件的剖面圖，圖3為其俯視圖，包括襯底材料層1、第二半導體層
2、第一半導體層3、漏電極4、源電極5、第一介質層6，第二介質層7和柵電極8，其中，
[0034]在襯底材料層I上形成第二半導體層2，在第二半導體層2上構造出漏電極4和源電極5，漏電極4和源電極5之間通過第一半導體層3相連且與第一半導體層3歐姆接觸從而形成溝道;第一半導體層3比第二半導體層2具有更大的禁帶寬度；
[0035]第二半導體層2和第一半導體層3結合在一起構成異質結構;第一半導體層3的厚度不大于在異質結構上形成二維電子氣2DEG的臨界厚度，使第一半導體層3異質結構中天然的二維電子氣2DEG被耗盡；通過薄結構的第一半導體層的設計，由于第一半導體層的厚度低于臨界厚度，消除了在異質結構上天然存在高濃度的二維電子氣2DEG，因此，在無外加柵壓的情況下，第一半導體層和第二半導體層的異質界面不存在2DEG，只有當外加柵壓超過某一正閾值電壓，才能在溝道中誘導出高濃度的2DEG，從而實現了增強型形態;從而大大簡化了形成增強型器件的工藝。
[0036]第一半導體層3表面還設有第一介質層6，第一介質層6上設有柵電極8，柵電極8覆蓋整個溝道長度且柵電極8的兩個邊緣延伸分別超過漏電極4和源電極5靠近溝道一側的邊緣，在柵電極8與漏電極4、源電極5之間設有第二介質層7。由于采用柵電極完全覆蓋的溝道結構，實現了柵電壓對于溝道2DEG的完全控制，從而實現無電流崩塌效應的器件。
[0037]在一種優選實施方式中，第二介質層7僅位于柵電極8與漏電極4和源電極5的交迭的邊緣部分。第二介質層7的目的是為了阻止柵電極8與漏電極4和源電極5的電連通，但第二介質層7又會對柵電容造成影響，進而影響柵控能力和放大能力。該結構使第二介質層7僅僅覆蓋柵電極8與漏電極4和源電極5的交迭的邊緣部分，與第二介質層完全覆蓋第一介質層相比，在實現良好電隔離的前提下，能夠保證更大的柵電容，具有更大的器件跨導，使器件具有更大的柵控能力和放大能力。優選地，第二介質層的厚度應盡量小。這樣，在柵的正投影下方，第二介質層非常少，使柵電容的減少降到最低。
[0038]同時，本發明新型增強型II1-V異質結場效應晶體管的實現工藝與現有技術HFET器件的工藝基本相同，無需額外增加器件的工藝復雜程度。本發明的器件可通過如下主要工藝步驟實現:(I)基片材料生長:在合適襯底材料上(如Si襯底)，按照材料生長規律生長相應緩沖層、第二半導體層、選擇性生長插入層、第一半導體層、原位Si3N4層。(2)基片材料清洗:采用合適的清洗方案，獲得潔凈的材料表面。(3)源漏電極構造。(3)第二介質層生長。
(4)第二柵介質層選區刻蝕。(5)柵電極構造。(6)鈍化及封裝。
[0039]因此，采用上述技術方案，并沒有額外增加器件的工藝復雜程度，閾值電壓可通過設置第一半導體層厚度和第一介質層厚度等參數設定，實現了器件工藝的可重復性，有利于器件的工業生產。
[0040]實施例1:本實施例新型增強型II1-V異質結場效應晶體管包括以下幾部分:襯底材料包含Si材料和在其上生長的低溫AlN緩沖層，第二半導體層為GaN材料層(厚度約為2μm)，第一半導體層為AlGaN層(厚度約為3?1nm)，在第一和第二半導體層之間設有AlN插入層(厚度約為Imii)，用于提高2DEG的電學特性。第一介質層為原位生長Si3N4層，厚度約為5?25nm。源、漏電極都采用Ti/Al/Ni/Au(20/120/50/200nm)經金屬淀積與高溫熱退火形成。源漏電極之間的距離為2.5μηι。第二介質層為Si02層，其厚度約為lOOnm。第二介質層朝向溝道中心一層邊緣超出源、漏電極的長度皆為0.5μπι。柵電極采用Ni/Au(50/150nm)。
[0041]實施例2:本實施例新型增強型II1-V異質結場效應晶體管包括以下幾部分:襯底材料包含SiC材料和在其上生長的低溫AlN緩沖層，第二半導體層為GaN材料層(厚度約為2μm)，第一半導體層為AlN層(厚度約為5nm)，第一介質層為原位生長Si3N4層，厚度約為5?25nm。源、漏電極都采用Ti/Al/Ni/Au(20/120/50/200nm)經金屬淀積與高溫熱退火形成。源漏電極之間的距離為2.5μηι。第二介質層為Si02層，其厚度約為lOOnm。第二介質層朝向溝道中心一層邊緣超出源、漏電極的長度皆為0.5μπι。柵電極采用Ni/Au(50/150nm)。
[0042]以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說是顯而易見的，本申請中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本申請所示的這些實施例，而是要符合與本申請所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【主權項】
1.一種新型增強型II1-V異質結場效應晶體管，其特征在于，包括襯底材料層(I)、第二半導體層(2)、第一半導體層(3)、漏電極(4)、源電極(5)、第一介質層(6)，第二介質層(7)和柵電極(8)，其中， 在所述襯底材料層(I)上形成所述第二半導體層(2)，在所述第二半導體層(2)上構造出漏電極(4)和源電極(5)，所述漏電極(4)和源電極(5)之間通過第一半導體層(3)相連且與第一半導體層(3)歐姆接觸從而形成溝道;所述第一半導體層(3)比所述第二半導體層(2)具有更大的禁帶寬度； 所述第二半導體層(2)和所述第一半導體層(3)結合在一起構成異質結構;所述第一半導體層(3)的厚度不大于在異質結構上形成二維電子氣2DEG的臨界厚度，使所述異質結構中天然的二維電子氣2DEG被耗盡； 所述第一半導體層(3)表面還設有第一介質層(6)，所述第一介質層(6)上設有所述柵電極(8)，所述柵電極(8)覆蓋整個溝道長度且所述柵電極(8)的兩個邊緣延伸分別超過所述漏電極(4)和源電極(5)靠近溝道一側的邊緣，在所述柵電極(8)與所述漏電極(4)、源電極(5)之間設有所述第二介質層(7)。2.根據權利要求1所述的新型增強型II1-V異質結場效應晶體管，其特征在于，所述第二介質層(7)僅位于所述柵電極(8)與所述漏電極(4)和源電極(5)的交迭的邊緣部分。3.根據權利要求1或2所述的新型增強型II1-V異質結場效應晶體管，其特征在于，所述第一半導體層(3)與第二半導體層(2)之間還設有用以提高異質結界面的二維電子氣的迀移率的插入層，所述插入層的厚度為Inm04.根據權利要求3所述的新型增強型II1-V異質結場效應晶體管，其特征在于，所述插入層為AlN層。5.根據權利要求1或2所述的新型增強型II1-V異質結場效應晶體管，其特征在于，所述第一半導體層(3)為AlGaN層，其厚度為3?1nm;所述第二半導體層(2)為GaN層。6.根據權利要求1或2所述的新型增強型II1-V異質結場效應晶體管，其特征在于，所述第一半導體層(3)為AlN層;所述第二半導體層(2)為GaN層。7.根據權利要求1或2所述的新型增強型II1-V異質結場效應晶體管，其特征在于，所述第一介質層(6)為生長異質結構材料時原位生長的Si3N4，其厚度為5?25nm。8.根據權利要求1或2所述的新型增強型II1-V異質結場效應晶體管，其特征在于，所述的柵電極(8)和第一介質層(6)之間還設有第三介質層，所述第三介質層用于進一步降低器件的柵泄漏電流。9.根據權利要求1或2所述的新型增強型II1-V異質結場效應晶體管，其特征在于，所述第二介質層(7)為Si02層。
【文檔編號】H01L29/778GK105826369SQ201610297662
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月6日
【發明人】董志華, 程知群, 劉國華, 柯華杰, 周濤
【申請人】杭州電子科技大學