具有異質結結構的GaN基p型場效應管的制作方法
【技術領域】
[0001]本專利有關GaN基半導體器件領域，具體是指在具有GaN與AlGaN異質結結構的材料上設計與制備P型GaN場效應管(文中用p-FET符號表示)。
【背景技術】
[0002]GaN基材料因其可變的帶寬(從3.4eV連續變化到6.2eV)、穩定的物理和化學性能，能夠制備出響應波長處于365nm變化到200nm的本征型紫外探測器，器件響應波長恰好覆蓋200?280nm波段的紫外光(太陽盲紫外或日盲紫外一波長在280nm以下的太陽輻射紫外線幾乎不能到達地球表面)。紫外傳感器陣列(特別是凝視型焦平面陣列)能夠應用于成像系統，準確地判斷目標，隨著紫外技術的發展，成像系統對焦平面器件規模化要求越來越高(從最初的單元器件到320 X 256)，因此，焦平面器件性能與規模成了人們的關注焦點。但是，目前來看，紫外焦平面器件的光敏元與外界電路之間是靠基于CMOS工藝的讀出電路相連，因此讀出電路性能至關重要，影響著整個紫外探測器性能的發揮。但是，隨著器件規模的增加，器件的光敏元在減小，較小的光敏元尺寸給讀出電路的性能也提出了新要求。借鑒Si成像器件的發展情況，如CMOS成像器件具有它自身的優點，光線接收器與光信號讀出的電子器件在同一片材料上。這也就為解決紫外焦平面器件與Si讀出電路之間的矛盾提供了一個很好的解決途徑。
[0003]另一方面，紫外探測器的發展僅是被譽為“后硅器件時代”主要代表的GaN基寬禁帶材料發展的一個方向。GaN基材料還具有熱導率高，電子漂移速度大，耐放射性輻照、耐高壓等優點，特別適用于制備超高功率、高溫、高頻的電子器件，如HEMT、FET器件。這些電子器件相應的也具有這些優良的性能，常被應用在高電壓、高頻等特殊的系統和環境下，不僅可以減小系統中電子器件的個數，降低整個系統中電子電路的復雜性和系統的體積，還可以提高系統的穩定性和可靠性，減低成本。
[0004]本專利所提及的GaN基p-GaN場效應管是在具有異質結的材料上制備的電子器件，既能夠解決日盲紫外焦平面探測器制備及應用過程中出現信號太小難以讀出難題，克服采用傳統CMOS工藝所帶來的問題，促進紫外探測器(特別是焦平面陣列器件)的實用及產業化，又能夠促進GaN材料電子器件技術的發展。
【發明內容】
[0005]本專利提及一種p-GaN FET器件，即可解決日盲紫外焦平面探測器制備及應用過程中出現的信號太小難以讀出難題及技術瓶頸，又能夠促進GaN材料電子器件技術的發展。
[0006]本專利所敘述的p-GaNFET器件，以具有GaN/AlGaN異質結結構的外延材料為基礎，包括源端電極、漏端電極和柵電極，外延材料的結構、器件的結構如說明書附圖2所示，器件材料結構總共為5層，襯底8為雙面拋光的藍寶石，多層AlGaN材料7的厚度為0.Ιμπι?
0.2μπι，能夠降低外延材料的缺陷密度，提高外延材料的質量;P型AlGaN層6的厚度和摻雜濃度分別為0.Ιμπι?0.3μπι和I X 117?5 X 11Vcm3;P型GaN層5厚度和摻雜濃度分別為1nm?30nm和117?11Vcm3;柵電極3為利用電子束蒸發淀積的Au(10nm)或者Ni和Au(20nm和10nm);鈍化層2為ICP-CVD技術生長的Si3N4(200nm);漏端電極4和源端電極I是電子束蒸發分別淀積的N1、Au、Ni^PAu(50nm、20nm、20nn^P20nm)；電極9、電極10和電極11分別為源端電極、柵電極和漏端電極的測試端，利用電子束蒸發生長的金屬層Cr和Au。
[0007]纖鋅礦結構的GaN基材料具有較強的壓電極化與自發極化，這種材料體系隨著其組分的變化，材料性能有很大的變化，經過計算在經過Mg摻雜GaN和Al GaN異質結界面處二維空穴氣(簡稱2DHG)的濃度的量級為1013/cm2。本發明就是利用加在柵電極3上的電壓來調制GaN和AlGaN異質結處濃度的變化，進而使得p_FET器件源、漏端電極的電流隨著其電壓的變化而變化，并達到飽和。
[0008]本專利的目的就是提供該GaN基p-FET器件:
[0009]⑴基于泊松方程和薛定諤方程自洽求解，結合GaN基材料的自發極化和壓電極化效應，模擬計算得到P型GaN和P型AlGaN異質結處材料的能帶結構和2DHG的濃度；
[0010]⑵在藍寶石襯底上外延生長P-AlGaN層和P-GaN層；
[0011]⑶源和漏端電極采用電子束蒸發淀積的方法依次生長的N1、Au、Ni和Au作為兩端電極；
[0012]⑷采用電子束蒸發淀積的方法生長的Au作為柵電極；
[0013](5)器件之間的隔離是采用ICP刻蝕的方法，把器件與器件之間的材料刻蝕至藍寶石襯底；
[0014](6)ICP_CVD技術生長鈍化層和絕緣層等。
[0015]但是鑒于本發明是紫外領域的一項新技術，在器件設計與制備工藝方面的特點:
[0016](I)本專利的p-FET器件的柵長為2μπι，用ICP刻蝕的方法去掉鈍化層，精確控制柵電極區的長和寬；
[0017](2)本專利所采用的多層外延材料具有漸變的材料組分，有利于提高GaN/AlGaN異質結的材料質量；
[0018]本專利的優點:
[0019]I本專利采用的外延材料結構與制備PIN結構的日盲紫外探測器所用的材料結構一致，且制備工藝兼容，方便兩種器件之間的集成。
[0020]2本專利的器件是用P型GaN和P型AlGaN之間的高濃度2DHG，提高P型場效應管的性能，可以作為高頻、高壓、高功率放大器件使用。
[0021]3本專利的器件可以與GaN基η型HEMT器件集成應用，促進GaN基電子電路的發展。
【附圖說明】
[0022]圖1本專利的GaN基p-FET器件的P型GaN和P型AlGaN異質結處2DHG濃度隨柵壓的變化曲線。
[0023]圖2本專利的GaN基p-FET器件的結構示意圖。
[0024]圖3本專利的GaN基p-FET器件的俯視圖。
[0025 ]圖4本專利的GaN基p-FET器件的漏極電流電壓特性曲線。
【具體實施方式】
[0026]下面結合說明書附圖，采用MOCVD技術生長的具有p型GaN和p型AlGaN異質結結構的GaN基外延材料，以制備柵長為2μπι的p-FET器件為例，對本專利以及制備方法做詳細說明:
[0027]1.利用泊松方程和薛定諤方程自洽求解，得到具有GaN(10nm?30nm)和AlGaN(0.1μπι?0.3μηι)異質結的外延材料的2DHG濃度；
[0028]2.根據計算結果，設計柵長為2μπι的p-FET器件的光刻掩膜版；
[0029]3.對利用MOCVD生長的具有圖1結構的材料測試透射譜以及材料表面的電學性能，根據測試結果選擇高質量的基體外延材料，要求在透過區內透射率大導電性能好；
[°03°] 4.三氯乙稀、乙醚、丙酮、乙醇超聲清洗外延片，每步需時約5min;
[0031]5.鹽酸溶液浸泡外延材料大約10?15分鐘，以去除表面的氧化物，再用氮等離子體對樣品進行表面處理，然后利用電子束蒸發制備源、漏端電極，其中金屬種類依次為:N1、八11、祖和411，厚度分別為50011111、20011111、20011111和20011111;
[0032]6.刻蝕隔離，利用ICP技術刻蝕，刻蝕條件依次為Ar (3sccm)、Cl2 (3sccm)和BCl3(24sccm)，刻蝕功率為350W，偏置電壓為24V。
[0033]7.利用ICP-CVD技術生長200nm Si3N4作為源、柵電極和源、漏電極之間的鈍化層，以及不同的器件之間的隔離層。
[0034]8.正膠(厚膠)作為刻蝕掩膜，利用ICP刻蝕柵電極位置的Si3N4,刻蝕后把樣品放置在 HF: NH4F: H2O = 3:6:9 的混合液中 3s ；
[0035]9.電子束蒸發生長10nm金屬Au作為柵電極，利用丙酮對淀積后的電極進行處理。
[0036]10.電子束濺射在源端電極、漏端電極和柵極的測試位置生長Cr和Au(厚度為20nm和300nm)，生長前用空氣等離子體處理樣品8min。
[0037]11.生長完成后，在丙酮中浸泡樣品lOmin，去掉其余部分的光刻膠和金屬，乙醇清洗，氮氣吹干，得到具有異質結結構的GaN基P型場效應管，如圖3所示。
[0038]按上述制備方式，成功制備了三種器件。其中，I號:P型GaN厚度為10nm，摻雜濃度為11 Vcm3;厚度為0.1ym，摻雜濃度為11 Vcm3; 2號:p型GaN厚度為20nm，摻雜濃度為5 X 11Vcm3 ； P型AlGaN厚度為0.2μπι，摻雜濃度為1017/cm3; 3號:p型GaN厚度為30nm，摻雜濃度為1018/cm3;p型AlGaN厚度為0.3μπι，摻雜濃度為5X1017/cm3。把樣品放置在cascade探針臺的載物臺上，探針連接到要測試的電極端，然后，利用安捷倫bl500a測試器件的電學性能。經測試，在不同的柵壓下，三個器件的源、漏端的電壓-電流特性相似，如圖4所示。
【主權項】
1.一種具有異質結結構的GaN基P型場效應管，其特征在于:所述場效應管的結構為:在具有異質結結構的多層外延材料上通過電子束蒸發制備源端電極(I)、漏端電極(4)和柵電極(3)，從而得到利用空穴導電的場效應管器件;場效應管襯底為Al2O3襯底(8)，多層外延材料為在AlGaN材料(7)上依次外延生長的P型AlGaN(6)和P型GaN(5)，其中:P型GaN層的厚度為1nm?30nm; P型AlGaN層的厚度為0.Iym?0.3ym。
【專利摘要】本專利公開了一種具有異質結結構的GaN基p型場效應管，以具有p型AlGaN材料以及p型GaN材料的多層材料為基體材料。利用電子束蒸發依次生長Ni、Au、Ni和Au形成多層金屬，作為器件的源端電極和漏端電極。為了精確控制柵長為2μm的區域，利用ICP刻蝕鈍化層，然后用電子束蒸發生長的單層金屬Au作為器件的柵電極。本專利的優點在于：利用p型GaN與p型AlGaN形成異質結處高濃度的二維空穴氣，提高p型器件的電學性能；所用的外延材料以及工藝與制備日盲紫外器件兼容，為制備有源紫外器件打下了技術基礎。
【IPC分類】H01L21/335, H01L21/28, H01L29/778, H01L29/205, H01L29/423
【公開號】CN205376534
【申請號】CN201620028540
【發明人】薛世偉, 王玲, 李曉娟, 王繼強, 謝晶, 張燕, 劉詩嘉, 李向陽
【申請人】中國科學院上海技術物理研究所
【公開日】2016年7月6日
【申請日】2016年1月13日