一種GaN基薄膜晶體管結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種GaN基薄膜晶體管結構。所述薄膜晶體管結構包括基板、絕緣介質膜、電極、晶體管的外延層和鈍化介質膜。外延片制備好電極后，鍵合到絕緣基板上，然后去除原來的襯底，并減薄GaN緩沖層，最后沉積絕緣鈍化膜。晶體管外延層的原有襯底及部分質量較差的半導體薄膜被去除，剩余的半導體薄膜晶體質量較高，具有很高的電阻，晶體管的漏電流可以顯著降低。另外薄膜晶體管的源漏電極與導熱基板直接連接，使晶體管的散熱性能更好。
【專利說明】
_種GaN基薄膜晶體管結構
技術領域
[0001]本實用新型涉及薄膜晶體管技術領域，具體涉及一種GaN基薄膜晶體管結構。
【背景技術】
[0002]GaN作為第三代半導體材料，具有更高的禁帶寬度，更大的電子飽和漂移速度，更強的臨近擊穿電場，更高的熱導率以及熱穩定性等特性。GaN基氮化物半導體材料還具有很大的自發和壓電極化特性，利用此特性制備的高電子迀移率晶體管是一種場效應半導體器件，它廣泛應用于高頻率放大器件或者高功率開關器件領域。
[0003]GaN基高電子迀移率晶體管常規結構為襯底、緩沖層、勢皇層、介質膜和電極。對于GaN基高電子迀移率晶體管，主要應用在高頻或者高壓場合，對襯底材料和外延層的漏電要求很高。由于襯底/GaN為界面存在很高的缺陷密度，這些缺陷成為漏電通道，導致晶體管漏電流很大，甚至導致器件性能下降或者失效。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的是針對現有晶體管緩沖層漏電以及散熱性差等問題，提出一種GaN基薄膜晶體管結構。
[0005]本實用新型的目的至少通過如下技術方案之一實現。
[0006]—種GaN基薄膜晶體管結構，包括絕緣基板、絕緣介質膜、電極、GaN外延層和鈍化介質膜;所述電極包括源電極、柵電極和漏電極，絕緣基板兩面分別設有導電電極和鍵合電極，導電電極和鍵合電極之間通過絕緣基板中的導電通孔電氣連接;絕緣介質膜位于絕緣基板的導電電極和外延層之間，鈍化介質膜沉積在外延層外表面上，所述源電極、柵電極和漏電極位于外延層的同一側或源電極和漏電極位于外延層的同一側而柵電極位于外延層的另一側；當源電極、柵電極和漏電極位于外延層的同一側時，薄膜晶體管自下而上包括所述絕緣基板、源漏柵電極、絕緣介質膜、外延層、鈍化介質膜，所述源漏柵電極即源電極、柵電極和漏電極，絕緣基板具有的三個鍵合電極分別與源電極、柵電極和漏電極對齊并貼合在一起；當源電極和漏電極位于外延層的同一側而柵電極位于外延層的另一側時，薄膜晶體管自下而上包括所述絕緣基板、源漏電極、絕緣介質膜、外延層、柵電極、鈍化介質膜，鈍化介質膜不覆蓋柵電極，所述源漏電極即源電極和漏電極，絕緣基板具有的兩個鍵合電極分別與源電極和漏電極對齊并貼合在一起。
[0007]進一步優化的，所述外延層厚度為10nm?3000nm。
[0008]進一步優化的，所述的絕緣基板為高電阻率耐壓材料，厚度為Iym?1mm，所述的絕緣基板采用AlN陶瓷材料；所述絕緣介質膜是二氧化硅、氮化硅或者氮化鋁，厚度100-3000nm ；鈍化介質膜可以是二氧化硅、氮化硅或者氮化鋁，厚度50_5000nm。
[0009]進一步優化的，所述絕緣基板的兩面鍍有用于形成導電電極和鍵合電極的電極圖案，通過鉆孔并在孔內填充導電材料使兩面對應位置的電極電氣連通。
[0010]進一步優化的，所述源電極和漏電極為Ti/Al/Ti/Au合金材料，其中第一層Ti的厚度為 5-100nm，Al 的厚度為 100-5000nm，第二層 Ti 的厚度 10-1000nm，Au 的厚度 100-2000nm;柵電極為Ni/Au合金，其中Ni的厚度10-1000nm，Au的厚度50-5000nmo
[0011]進一步優化的，所述外延層包含AlGaN勢皇層、GaN溝道層、GaN緩沖層;所述AlGaN勢皇層厚度5-50nm，Al組分5%?50%;所述GaN溝道層厚度50?500nm;所述GaN緩沖層50?5000nm。
[0012]進一步優化的，所述外延層中還在AlGaN勢皇層下方增加一層蓋帽層，所述蓋帽層厚度0-5nm，材料是GaN、AlN或者氮化硅。
[0013]進一步優化的，所述外延層中的勢皇層和溝道層之間增加一氮化鋁插層，厚度O-5nm0
[0014]本實用新型所述GaN基薄膜晶體管結構的制備方法包括如下步驟；
[0015](I)按照現有技術，在襯底上生長GaN緩沖層，然后再生長GaN溝道層、AlN插入層、AlGaN勢皇層和GaN蓋帽層，得到高電子迀移率晶體管外延片；
[0016](2)將步驟(I)所述的外延片放入丙酮清洗5分鐘，再放入乙醇清洗5分鐘，之后用去離子水清洗5分鐘，最后用氮氣吹干；
[0017](3)將經過步驟(2)清洗的外延片按照現有技術制備源、漏和柵電極；
[0018](4)將步驟(3)所得樣品鍵合到絕緣基板上；
[0019](5)將步驟(4)所述樣品的襯底去除；
[0020](6)將步驟(5)所述樣品采用化學腐蝕或者物理刻蝕的方法，去除部分GaN層；
[0021](7)將步驟(7)所述的樣品沉積絕緣鈍化膜。
[0022]進一步優化的，與襯底接觸的低晶體質量GaN外延層部分被刻蝕掉;外延層的總厚度為 100-3000nm。
[0023]與現有技術相比，本實用新型具有如下優點和技術效果:
[0024]本實用新型針對現有晶體管散熱性差，漏電流高，擊穿電壓低的問題，提出一種薄膜晶體管結構，外延片制備好電極后，鍵合到絕緣基板上，然后去除原來的襯底，并減薄GaN緩沖層，最后沉積絕緣鈍化膜。首先，外延層通過電極與基板直接相連，系統熱阻低，散熱容易，可以提高器件的穩定性;其次，GaN緩沖層的厚度減小，橫向傳輸電阻提高，可以降低器件的漏電流，提高晶體管器件的性能;再次，與襯底接觸的高缺陷密度的GaN緩沖層部分被去除，減少了器件的漏電通道，可以提高晶體管的耐高壓特性。
【附圖說明】
[0025]圖1為現有技術晶體管結構不意圖；
[0026]圖2為本實用新型實施例的薄膜晶體管一種結構的示意圖；
[0027]圖3為本實施例的薄膜晶體管另一種結構的示意圖。
[0028]圖中:1I襯底；12晶體管的外延層；103絕緣介質膜；104a源電極；104b柵電極；104c漏電極；201絕緣基板；202a導電電極；202b導電通孔；202c鍵合電極；203絕緣介質膜；204a源電極;204b柵電極;204c漏電極;205晶體管的外延層;206鈍化介質膜。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和實施例對本實用新型的實施做進一步說明，但本實用新型的實施和保護范圍不限于此，需指出的是，以下若有未特別詳細說明之處，均是本領域技術人員可參照現有技術實現的。
[0030]實施例1制備薄膜晶體管
[0031]如圖2所示，所述薄膜晶體管自下而上依次為基板201、絕緣介質膜203、電極2.4;外延層205;鈍化介質膜206。在基板201兩側分別有導電電極202a和鍵合電極202c，中間有導電通孔202b對二者進行電氣連接；電極2.4包括源電極204a、柵電極204b和漏電極204c。
[0032]制備方法步驟如下:
[0033](I)在襯底上生長高電子迀移率晶體管外延層205，具體是在襯底上生長GaN緩沖層，然后再生長GaN溝道層、AlN插入層、AlGaN勢皇層和GaN蓋帽層；
[0034](2)將步驟(I)得到的樣品放入煮沸的丙酮清洗5分鐘，再放入煮沸的乙醇中清洗5分鐘，后用去離子水沖洗5分鐘，然后用氮氣吹干；
[0035](3)在步驟(2)所得的樣品表面制備掩膜，采用感應耦合等離子(ICP)刻蝕技術刻蝕GaN，將二維電子氣(2DEG)刻斷，之后去除掩膜；
[0036](4)將步驟(3)所得樣品的表面清洗后沉積Ti/Al/Ti/Au合金，厚度10/500/100/lOOOnm，然后采用光刻技術制備源電極204a、柵電極204b、漏電極204c，退火后得到源電極、柵電極、漏電極歐姆接觸；
[0037](5)將步驟(4)所得的樣品表面清洗后，沉積二氧化硅絕緣介質膜203，厚度100nm;
[0038](6)在步驟(5)所得的樣品表面制備掩膜，采用光刻技術，去除源電極、漏電極和柵電極上方的介質膜，之后去除掩膜；
[0039 ] (7)在步驟(6)所得的樣品表面沉積Ni /Au，厚度100/1500nm;
[0040](8)在步驟(7)所得的樣品表面制備掩膜，采用光刻技術，保留柵極上方的Ni/Au金屬材料，去除其他位置的Ni/Au金屬材料；
[0041](9)將步驟(8)所得的樣品與已經準備好的基板采用鍵合技術粘合在一起，所述的源電極、漏電極、柵電極與基板的鍵合電極202c對齊；
[0042](10)將步驟(9)所得樣品的背面拋光，采用激光剝離技術將原來的襯底去除；
[0043](11)將步驟(10)所得的樣品采用腐蝕方法去除部分GaN層，使剩余GaN層厚度為500nm；
[0044](12)將步驟(11)所得的樣品清洗后，沉積氮化硅介質膜即所述鈍化介質膜206，厚度10nm。
[0045]實施例2、制備薄膜晶體管
[0046]如圖3所示，所述薄膜晶體管自下而上依次為基板201、絕緣介質膜203、電極；晶體管的外延層205;鈍化介質膜206。在基板201兩側分別有導電電極202a和鍵合電極202c，中間有導電通孔202b對二者進行電氣連接；電極包括源電極204a、柵電極204b和漏電極204c，其中源電極和漏電極在外延層一側，柵電極在外延層的另一側。
[0047]制備方法步驟如下:
[0048](I在襯底上生長高電子迀移率晶體管外延層205，具體是在襯底上生長GaN緩沖層，然后再生長GaN溝道層、AlN插入層、AlGaN勢皇層和GaN蓋帽層；
[0049](2)將步驟(I)的樣品放入煮沸的丙酮清洗5分鐘，再放入煮沸的乙醇中清洗5分鐘，后用去離子水沖洗5分鐘，然后用氮氣吹干；
[0050](3)在步驟(2)所得的樣品表面制備掩膜，采用感應耦合等離子(ICP)刻蝕技術刻蝕GaN，將二維電子氣(2DEG)刻斷，之后去除掩膜；
[0051](4)將步驟(3)所得樣品的表面清洗后沉積Ti/Al/Ti/Au合金，厚度100/1000/10/2000nm，然后采用光刻技術制備源、漏電極，退火后得到源、漏歐姆接觸；
[0052](5)將步驟(4)所得的樣品表面清洗后，沉積二氧化硅絕緣介質膜203，厚度100nm;
[0053](6)在步驟(5)所述的樣品表面制備掩膜，采用光刻技術，去除源極、漏極上方的介質膜，之后去除掩膜；
[0054](7)將步驟(6)所述的樣品與已經準備好的基板采用鍵合技術粘合在一起，步驟
(6)所述的源、漏電極與基板的鍵合電極對齊；
[0055](8)將步驟(7)所述樣品的采用機械研磨的方法去除藍寶石襯底；
[0056](9)將步驟(8)所述的樣品采用ICP刻蝕方法去除部分GaN層，使剩余GaN層厚度為50nm；
[0057](10)將步驟(9)所述樣品表面沉積金屬Ni/Au，厚度10/500nm，采用光刻技術得到柵電極；
[0058](11)將步驟(10)所述的樣品清洗后，沉積氮化硅介質膜，厚度500nm。采用光刻技術，將柵電極上方的介質膜去除。
[0059]以上實例中，所述源電極和漏電極可以是Ti/Al/Ti/Au合金材料，第一層Ti的厚度為 5-100nm，Al 的厚度為 100-5000nm，第二層 Ti 的厚度 10-1000nm，Au 的厚度 100-2000nm。所述柵電極可以是Ni/Au合金，Ni的厚度1-1OOOnm，Au的厚度50-5000nm。所述絕緣介質膜可以是二氧化硅、氮化硅或者氮化鋁，厚度100-3000nm;所述外延層包含AlGaN勢皇層、GaN溝道層、GaN緩沖層;所述AlGaN勢皇層厚度5-50nm，Al組分5%?50% ;所述GaN溝道層厚度50?500nm;所述GaN緩沖層50?5000nm;所述外延層可以在AlGaN下方增加一層蓋帽層，所述蓋帽層厚度_5nm，材料可以是GaN、AlN或者氮化硅。所述外延層在勢皇層和溝道層之間可以增加一氮化鋁插層，厚度0_5nm。鈍化介質膜可以是二氧化硅、氮化硅或者氮化鋁，厚度50-5000nm。
[0060]如上即可較好的實現本實用新型并取得所述的技術效果。外延片制備好電極后，鍵合到絕緣基板上，然后去除原來的襯底，并減薄GaN緩沖層，最后沉積絕緣鈍化膜。首先，因外延層通過電極與基板直接相連，系統熱阻低，散熱容易，可以提高器件的穩定性;其次，GaN緩沖層的厚度減小，橫向傳輸電阻提高，可以降低器件的漏電流，提高晶體管器件的性能;再次，與襯底接觸的高缺陷密度的部分GaN緩沖層被去除，減少了器件的漏電通道，可以提1?晶體管的耐1?壓特性D
【主權項】
1.一種GaN基薄膜晶體管結構，其特征在于包括絕緣基板、絕緣介質膜、電極、GaN外延層和鈍化介質膜;所述電極包括源電極、柵電極和漏電極，絕緣基板兩面分別設有導電電極和鍵合電極，導電電極和鍵合電極之間通過絕緣基板中的導電通孔電氣連接;絕緣介質膜位于絕緣基板的導電電極和外延層之間，鈍化介質膜沉積在外延層外表面上，所述源電極、柵電極和漏電極位于外延層的同一側或源電極和漏電極位于外延層的同一側而柵電極位于外延層的另一側；當源電極、柵電極和漏電極位于外延層的同一側時，薄膜晶體管自下而上包括所述絕緣基板、源漏柵電極、絕緣介質膜、外延層、鈍化介質膜，所述源漏柵電極即源電極、柵電極和漏電極，絕緣基板具有的三個鍵合電極分別與源電極、柵電極和漏電極對齊并貼合在一起；當源電極和漏電極位于外延層的同一側而柵電極位于外延層的另一側時，薄膜晶體管自下而上包括所述絕緣基板、源漏電極、絕緣介質膜、外延層、柵電極、鈍化介質膜，鈍化介質膜不覆蓋柵電極，所述源漏電極即源電極和漏電極，絕緣基板具有的兩個鍵合電極分別與源電極和漏電極對齊并貼合在一起。2.根據權利要求1所述的GaN基薄膜晶體管結構，其特征在于所述外延層厚度為10nm?3000nmo3.根據權利要求1所述的GaN基薄膜晶體管結構，其特征在于所述的絕緣基板為高電阻率耐壓材料，厚度為Iym?1mm，所述的絕緣基板采用AlN陶瓷材料;所述絕緣介質膜是二氧化硅、氮化硅或者氮化鋁，厚度100-3000nm;所述鈍化介質膜是二氧化硅、氮化硅或者氮化鋁，厚度 50-5000nmo4.根據權利要求1所述的GaN基薄膜晶體管結構，其特征在于所述絕緣基板的兩面鍍有用于形成導電電極和鍵合電極的電極圖案，通過鉆孔并在孔內填充導電材料使兩面對應位置的電極電氣連通。5.根據權利要求1所述的GaN基薄膜晶體管結構，其特征在于所述源電極和漏電極為Ti/Al/Ti/Au合金材料，其中第一層Ti的厚度為5-100nm，Al的厚度為100-5000nm，第二層Ti的厚度10_1000nm，Au的厚度100-2000nm;柵電極為Ni/Au合金，其中Ni的厚度10-1000nm，Au的厚度 50-5000nmo6.根據權利要求1所述的GaN基薄膜晶體管結構，其特征在于所述外延層包含AlGaN勢皇層、GaN溝道層、GaN緩沖層；所述AlGaN勢皇層厚度5-50nm;所述GaN溝道層厚度50?500nm;所述GaN緩沖層50?5000nm。7.根據權利要求6所述的GaN基薄膜晶體管結構，其特征在于所述外延層中還在AlGaN勢皇層下方增加一層蓋帽層，所述蓋帽層厚度0-5nm，材料是GaN、AlN或者氮化硅。8.根據權利要求7所述的GaN基薄膜晶體管結構，其特征在于所述外延層中的勢皇層和溝道層之間增加一氮化鋁插層，厚度0_5nm。
【文檔編號】H01L29/778GK205428941SQ201520936303
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年11月23日
【發明人】徐明升, 王洪
【申請人】華南理工大學