專利名稱：改善氮化鎵基高電子遷移率晶體管柵極肖特基性能的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其指改善氮化鎵基高電子遷移率晶體管柵極肖特基性能的的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
III-V族氮化鎵(GaN)及其化合物半導(dǎo)體材料，作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，因其獨(dú)特的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，在光電子和微電子領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。由于GaN基材料大的禁帶寬度、高的擊穿電場(chǎng)、好的化學(xué)穩(wěn)定性、高的電子飽和速度和峰值速度以及強(qiáng)的抗輻射能力，使鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)成為微電子應(yīng)用領(lǐng)域最耀眼的新星，有望在航天航空、高溫強(qiáng)輻射環(huán)境、石油勘探、自動(dòng)化、雷達(dá)與通信、汽車電子等方面發(fā)揮重要作用。
當(dāng)前，AlGaN/GaN HEMT研究面臨的重點(diǎn)之一是進(jìn)一步提高溝道電子濃度和電子遷移率，提高器件的輸出電流密度、頻率和功率特性，滿足器件在高頻和大功率條件下的應(yīng)用。為了提高溝道電子濃度，很多研究者借鑒AlGaAs/GaAs HEMT結(jié)構(gòu)，對(duì)勢(shì)壘層進(jìn)行n型摻雜，即AlGaN勢(shì)壘層摻Si，這在很大程度上提高了HEMT結(jié)構(gòu)材料的溝道電子濃度，是器件發(fā)展過程中的一個(gè)很大突破。但整個(gè)勢(shì)壘層摻Si，會(huì)降低AlGaN/GaN HEMT器件柵極肖特基結(jié)的質(zhì)量，從而影響AlGaN/GaNHEMT器件的性能。因此，尋找一種既能降低柵極制作難度、改善肖特基結(jié)性能、減小柵極漏電的器件結(jié)構(gòu)，同時(shí)又不排斥勢(shì)壘層摻雜的器件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，是改善提高器件性能的關(guān)鍵之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種改善氮化鎵基高電子遷移率晶體管柵極肖特基性能的結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)的高電子遷移率晶體管不僅采用了勢(shì)壘層n型摻雜，提高了溝道電子濃度和器件的輸出電流能力，而且避免了勢(shì)壘層摻雜給柵極肖特基結(jié)帶來的問題，減小了柵極漏電，降低了器件柵極制作的工藝難度，可以有效地提高器件的輸出特性，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性。
本發(fā)明一種改善氮化鎵基高電子遷移率晶體管柵極肖特基性能的結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一藍(lán)寶石襯底或碳化硅襯底或硅襯底；一高阻氮化鎵緩沖層，該高阻氮化鎵緩沖層制作在襯底上；一薄層非故意摻雜鋁鎵氮插入層，該非故意摻雜鋁鎵氮插入層制作在高阻氮化鎵緩沖層上；一高遷移率氮化鎵溝道層，該高遷移率氮化鎵溝道層制作在非故意摻雜鋁鎵氮插入層上；一非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層，該非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層制作在高遷移率氮化鎵溝道層上；
一n型摻雜鋁鎵氮載流子供給層，該n型摻雜鋁鎵氮載流子供給層制作在非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層上；一非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層，該非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層制作在n型摻雜鋁鎵氮載流子供給層上；其中在藍(lán)寶石襯底或碳化硅襯底或硅襯底上生長一層較厚的高阻氮化鎵緩沖層，生長厚度約1.5-5.0μm。
其中高阻氮化鎵緩沖層上生長的薄層非故意摻雜鋁鎵氮插入層，厚度為1-10nm。
其中鋁鎵氮插入層上生長高遷移率氮化鎵溝道層，生長厚度約為50-100nm。
其中高遷移率氮化鎵溝道層上生長一薄層非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層，厚度為1-5nm。
其中薄層非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層上生長n型摻雜鋁鎵氮載流子供給層，摻雜濃度1×1018-1×1019cm-3，生長厚度10-20nm。
其中n型摻雜鋁鎵氮載流子供給層上生長非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層，生長厚度1-10nm。
其中非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層、n型摻雜鋁鎵氮載流子供給層和非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層共同構(gòu)成晶體管的勢(shì)壘層，優(yōu)化器件性能。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作一詳細(xì)的描述，其中
圖1是不同柵極偏壓情況下，金屬與n型半導(dǎo)體接觸的能帶圖，用來說明器件柵極肖特基結(jié)的工作原理；圖2是本發(fā)明的高阻(半絕緣)GaN緩沖層生長結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的薄層AlxGa1-xN(0≤x≤1)插入層的生長結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的高遷移率GaN溝道層生長結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的非故意摻雜AlGaN空間隔離層生長結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明的Si摻雜n型AlGaN載流子供給層生長結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本發(fā)明的非故意摻雜AlGaN蓋帽層生長結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8具有本發(fā)明的(a)和不具有(b)非故意摻雜AlGaN蓋帽層結(jié)構(gòu)的HEMT器件柵源間I-V特性曲線比較。
具體實(shí)施例方式
如圖7所示，為本發(fā)明的改善氮化鎵基高電子遷移率晶體管柵極肖特基性能的結(jié)構(gòu)的示意圖。在該場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)中，最關(guān)鍵的部件是非故意摻雜AlxGa1-xN(0≤x≤1)蓋帽層，既可以充分利用勢(shì)壘層n型摻雜提高溝道電子濃度的優(yōu)點(diǎn)，又保證了柵極肖特基結(jié)的性能。
實(shí)施例(參閱圖2-圖7)(1)首先在襯底藍(lán)寶石10(0001)晶面上采用分子束外延技術(shù)生長一層較厚的高阻(半絕緣)氮化鎵緩沖層20，生長溫度1050℃，生長厚度1.5-5μm，(圖2)本高阻(半絕緣)氮化鎵緩沖層20可以采用離子注入、摻雜、補(bǔ)償?shù)确椒ㄉ?，主要目的是減少器件工作時(shí)電流的緩沖層泄露，由此防止器件工作溫度升高引起的性能惡化，提高器件的穩(wěn)定性。
(2)其次在高阻(半絕緣)氮化鎵緩沖層20上生長一薄層非故意摻雜鋁鎵氮(AlxGa1-xN，0≤x≤1)插入層30，厚度為1-10nm，(圖3)根據(jù)需要，該非故意摻雜鋁鎵氮插入層30的Al組分x可以在0≤x≤1之間變化，以此調(diào)節(jié)其禁帶寬度的大小。
(3)接著在非故意摻雜鋁鎵氮插入層30上生長高遷移率氮化鎵溝道層40，生長溫度為1050℃，生長厚度約為50-100nm，(圖4)生長該層的目的是給溝道二維電子提供運(yùn)行軌道。
(4)然后在高遷移率氮化鎵溝道層40上生長非散意摻雜鋁鎵氮(AlxGa1-xN，0＜x≤1)空間隔離層50，生長溫度1000℃，厚度為1-5nm，(圖5)主要目的是將溝道電子和Si摻雜鋁鎵氮?jiǎng)輭緦痈糸_，增加溝道電子遷移率。本非故意摻雜鋁鎵氮(AlxGa1-xN，0＜x≤1)空間隔離層50的Al組分也可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，在試驗(yàn)中考慮到生長結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和晶體質(zhì)量，一般保持勢(shì)壘層80的三部分(非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層50、Si摻雜鋁鎵氮載流子供給層60、非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層70)的Al組分相同。
(5)接著在非故意摻雜鋁鎵氮(AlxGa1-xN，0＜x≤1)空間隔離層50上生長Si摻雜鋁鎵氮載流子供給層60，摻雜濃度1×1018-1×1019cm-3，生長溫度1000℃，生長厚度10-20nm。(圖6)對(duì)本層進(jìn)行有意摻雜的目的是增大溝道電子濃度，此種結(jié)構(gòu)的HEMT結(jié)構(gòu)材料溝道電子由極化效應(yīng)和摻雜共同提供。
(6)最后在Si摻雜鋁鎵氮載流子供給層60上生長非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層70，生長溫度1000℃，生長厚度1-10nm。(圖7)此非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層70是本發(fā)明不同于其它HEMT結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵所在，主要目的是避免勢(shì)壘層n型摻雜給柵極肖特基結(jié)帶來的不利影響，優(yōu)化肖特基接觸性能，提高柵極擊穿電壓，減小柵極漏電，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性，并降低器件工藝難度。
(7)非故意摻雜鋁鎵氮(AlxGa1-xN，0＜x≤1)空間隔離層50、Si摻雜鋁鎵氮載流子供給層60和非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層70共同構(gòu)成本發(fā)明的勢(shì)壘層80。
用此方法生長的HEMT結(jié)構(gòu)其柵極I-V特性如圖8(b)所示，圖8同時(shí)給出了沒有本發(fā)明所示的非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層的HEMT器件柵極I-V特性(圖8(a))，比較圖8(a)和(b)可以看出，本發(fā)明的高電子遷移率晶體管優(yōu)化了柵極肖特基結(jié)的I-V特性，器件漏電減小。
本發(fā)明提供了一種改善氮化鎵基高電子遷移率晶體管柵極肖特基性能的結(jié)構(gòu)，在n型摻雜的鋁鎵氮載流子供給層上再生長一層非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層，避免了勢(shì)壘層n型摻雜給柵極肖特基結(jié)制作帶來的問題，改善了肖特基性能。本結(jié)構(gòu)充分利用了勢(shì)壘層n型摻雜提高溝道電子濃度的優(yōu)點(diǎn)，提高了器件的電流輸出能力，提高了器件跨導(dǎo)和輸出功率，并利用非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層優(yōu)化了柵極肖特基結(jié)性能，減小了柵極漏電，提高了器件的可靠性和穩(wěn)定性。本發(fā)明的晶體管設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，器件性能的優(yōu)化完全在外延生長階段實(shí)現(xiàn)，降低了工藝難度，增加了器件輸出性能，提高了器件的可靠性和穩(wěn)定性，為高性能、高溫、大功率、高頻、抗輻射AlGaN/GaN微波器件和電路的制造打下了基礎(chǔ)。
該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的高電子遷移率晶體管的工作原理可以解釋如下一、第一層高阻(半絕緣)氮化鎵緩沖層的主要作用是減小器件電流的緩沖層泄漏，優(yōu)化器件的開關(guān)特性，并且保證其上生長的其它外延層的晶體質(zhì)量，提高器件性能；二、第二層薄層鋁鎵氮(AlxGa1-xN，0≤x≤1)插入層的作用是利用其禁帶寬度大于氮化鎵的特點(diǎn)，阻止高場(chǎng)時(shí)溝道電子向緩沖層方向的泄漏，減小電子被緩沖層中深陷阱能級(jí)俘獲的幾率，有效地抑制高場(chǎng)電流崩塌效應(yīng)；同時(shí)，通過提高鋁鎵氮插入層的晶體質(zhì)量，減小電子的散射，增加溝道電子遷移率。
三、第三層高遷移率氮化鎵溝道層的作用是為電子提供一個(gè)高質(zhì)量的運(yùn)行通道，提高二維電子氣的密度和遷移率。
四、第四層非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層的作用是將n型摻雜鋁鎵氮載流子供給層和溝道電子隔開，減小對(duì)電子的散射，增加溝道電子遷移率。
五、Si摻雜n型鋁鎵氮載流子供給層的作用是提供溝道電子。
六、最后一層非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層是本發(fā)明的關(guān)鍵所在，其作用可以簡單分析如下如圖1所示是(a)熱平衡、(b)正向偏壓、(c)反向偏壓下，金屬與n型半導(dǎo)體接觸的能帶圖，可以由此了解金屬和半導(dǎo)體形成肖特基結(jié)的原理及器件工作時(shí)的能帶變化情況。
在AlGaN/GaN HEMT器件的柵極肖特基勢(shì)壘中，無論器件結(jié)構(gòu)的表面是有意摻雜還是非故意摻雜，電流的傳導(dǎo)主要由多數(shù)載流子-電子來完成，對(duì)工作在適當(dāng)溫度(如300K)下的肖特基二極管，其主要傳導(dǎo)機(jī)制是半導(dǎo)體中的電子發(fā)射越過電勢(shì)勢(shì)壘而進(jìn)入金屬中，柵極肖特基結(jié)的I-V特性可以用熱電子發(fā)射理論來近似。
非故意摻雜AlGaN蓋帽層和金屬接觸形成的柵極肖特基結(jié)，半導(dǎo)體內(nèi)的施主濃度ND很小，因此其柵極肖特基接觸的性能優(yōu)于有意n型摻雜的AlGaN與金屬接觸形成的肖特基結(jié)，柵極的擊穿電壓增大，而且非故意摻雜AlGaN蓋帽層施主濃度低，減小了柵極電流泄露。同時(shí)，在n型摻雜的AlGaN載流子供給層上生長非故意摻雜AlGaN蓋帽層，可以提高器件表面的晶體質(zhì)量，減小表面陷阱密度，由此降低器件工藝難度，增加器件工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。
綜合上述說明，本發(fā)明的高電子遷移率晶體管不僅充分利用了勢(shì)壘層摻雜提高溝道電子濃度的優(yōu)點(diǎn)，而且改善了柵極肖特基結(jié)的性能，提高了柵極擊穿電壓，減小了柵極漏電，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性。因此，本發(fā)明的高電子遷移率晶體管是一種很有潛力的新結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種改善氮化鎵基高電子遷移率晶體管柵極肖特基性能的結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一藍(lán)寶石襯底或碳化硅襯底或硅襯底；一高阻氮化鎵緩沖層，該高阻氮化鎵緩沖層制作在襯底上；一薄層非故意摻雜鋁鎵氮插入層，該非故意摻雜鋁鎵氮插入層制作在高阻氮化鎵緩沖層上；一高遷移率氮化鎵溝道層，該高遷移率氮化鎵溝道層制作在非故意摻雜鋁鎵氮插入層上；一非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層，該非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層制作在高遷移率氮化鎵溝道層上；一n型摻雜鋁鎵氮載流子供給層，該n型摻雜鋁鎵氮載流子供給層制作在非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層上；一非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層，該非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層制作在n型摻雜鋁鎵氮載流子供給層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善氮化鎵基高電子遷移率晶體管柵極肖特基性能的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中在藍(lán)寶石襯底或碳化硅襯底或硅襯底上生長一層較厚的高阻氮化鎵緩沖層，生長厚度約1.5-5.0μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善氮化鎵基高電子遷移率晶體管柵極肖特基性能的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中高阻氮化鎵緩沖層上生長的薄層非故意摻雜鋁鎵氮插入層，厚度為1-10nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善氮化鎵基高電子遷移率晶體管柵極肖特基性能的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中鋁鎵氮插入層上生長高遷移率氮化鎵溝道層，生長厚度約為50-100nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善氮化鎵基高電子遷移率晶體管柵極肖特基性能的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中高遷移率氮化鎵溝道層上生長一薄層非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層，厚度為1-5nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善氮化鎵基高電子遷移率晶體管柵極肖特基性能的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中薄層非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層上生長n型摻雜鋁鎵氮載流子供給層，摻雜濃度1×1018-1×1019cm-3，生長厚度10-20nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善氮化鎵基高電子遷移率晶體管柵極肖特基性能的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中n型摻雜鋁鎵氮載流子供給層上生長非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層，生長厚度1-10nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善氮化鎵基高電子遷移率晶體管柵極肖特基性能的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層、n型摻雜鋁鎵氮載流子供給層和非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層共同構(gòu)成晶體管的勢(shì)壘層，優(yōu)化器件性能。
全文摘要
一種改善氮化鎵基高電子遷移率晶體管柵極肖特基性能的結(jié)構(gòu)，包括一藍(lán)寶石襯底或碳化硅襯底或硅襯底；一高阻氮化鎵緩沖層，該高阻氮化鎵緩沖層制作在襯底上；一薄層非故意摻雜鋁鎵氮插入層，該非故意摻雜鋁鎵氮插入層制作在高阻氮化鎵緩沖層上；一高遷移率氮化鎵溝道層，該高遷移率氮化鎵溝道層制作在非故意摻雜鋁鎵氮插入層上；一非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層，該非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層制作在高遷移率氮化鎵溝道層上；一n型摻雜鋁鎵氮載流子供給層，該n型摻雜鋁鎵氮載流子供給層制作在非故意摻雜鋁鎵氮空間隔離層上；一非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層，該非故意摻雜鋁鎵氮蓋帽層制作在n型摻雜鋁鎵氮載流子供給層上。
文檔編號(hào)H01L21/338GK1797787SQ20041010189
公開日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者王曉亮, 王翠梅, 胡國新, 王軍喜, 李建平, 曾一平, 李晉閩 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所