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CN108807530A - 异质结场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

异质结场效应晶体管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种异质结场效应晶体管及其制备方法。该制备方法，包括如下步骤：提供衬底；在所述衬底上制备AlGaN/GaN异质外延层；在所述AlGaN/GaN异质外延层上制备源电极和漏电极；利用磁控溅射法在所述AlGaN/GaN异质外延层上沉积p型氧化物，制得p型氧化物栅极。该制备方法工艺简单，既可以避免p型氧化物被污染，又可以实现制备较高浓度的p型氧化物栅极，而且还能保证对GaN基异质结场效应晶体管阈值电压的正向调控能力，最终该异质结场效应晶体管的器件功率得到显著提高。

Description

异质结场效应晶体管及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种异质结场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
氧化亚铜(Cu2O)是一种性能优异的I-IV族半导体材料，因为它具有2.1eV的直接带隙以及非常高的可见光吸收系数，再加上它具有无毒、低价、原料丰富等优点，因此多被应用于太阳能电池以及光电探测器元件的制备。同时，Cu2O具有光催化活性，可以直接利用可见光来催化水的裂解产生氢气，成为节能环保产生氢气领域研究的首选材料。另外，由于Cu2O晶体结构中Cu空位的存在，Cu2O为本证p型半导体，因Cu2O具有较高迁移率，所以也常做为沟道材料与n型半导体相结合，用于薄膜晶体管(TFTs)的制备。因此，Cu2O将是一种在电学、光学、半导体领域具有十分重要应用前景的薄膜材料。凭借其薄膜纳米结构，使得制造更小规格、更高能效半导体芯片成为可能，使其在纳米电子元器件领域被广泛应用。此外，Cu2O在气体监测领域也具有重要的应用价值。在半导体光电日益发展的今天，Cu2O更是作为天然p型导电材料脱颖而出。
继发展实用第一代Ge，Si基器件及第二代SiC，InP基器件后，以GaN基为代表的第三代宽禁带半导体材料的研发引起了科学家们的重视。目前GaN基LED已经完全进入产业化阶段，而GaN基材料凭借其禁带宽度Eg大，电子饱和速度高，导热性好等特点且能形成具有高浓度的二维电子气(2DEG)的AlGaN/GaN异质结构使得GaN基电力电子器件特别适用于高温、高频、大功率、抗辐射等恶略环境。
在半导体技术领域中，传统p型Cu2O薄膜的制备方法一般是利用金属铜通过热氧化法生长p型Cu2O。这种技术虽然可以通过低温调控热氧化温度来形成p型Cu2O，但是却具有非常致命的缺点，后要通过光刻工艺为后续工艺做准备，在这过程中Cu2O会被氧化为氧化铜(CuO)以及其表面也会被污染或是引入缺陷，而且以传统的热氧化法来生长的p型Cu2O往往其空穴浓度低于1×1016cm-3。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种异质结场效应晶体管及其制备方法，旨在解决现有GaN异质结场效应晶体管阈值电压调控能力差、功率低的技术问题。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明一方面提供一种异质结场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：
提供衬底；
在所述衬底上制备AlGaN/GaN异质外延层；
在所述AlGaN/GaN异质外延层上制备源电极和漏电极；
利用磁控溅射法在所述AlGaN/GaN异质外延层上沉积p型氧化物，制得p型氧化物栅极。
本发明提供的异质结场效应晶体管的制备方法，采用磁控溅射法在AlGaN/GaN异质外延层上沉积p型氧化物制得p型氧化物栅极；该制备方法工艺简单，既可以避免p型氧化物被污染，又可以实现制备较高浓度的p型氧化物栅极，而且还能保证对GaN基异质结场效应晶体管阈值电压的正向调控能力，最终该异质结场效应晶体管的器件功率得到显著提高。
本发明另一方面提供一种异质结场效应晶体管，包括AlGaN/GaN异质外延层，所述AlGaN/GaN异质外延层上设置有源电极和漏电极；所述AlGaN/GaN异质外延层上还设置有p型氧化物组成的p型氧化物栅极帽层结构。
本发明提供的异质结场效应晶体管为GaN基异质结场效应晶体管，其中设置有p型氧化物组成的p型氧化物栅极帽层结构；与传统的肖特基金属栅电极相比，p型氧化物直接带隙半导体材料可调控的空穴浓度和禁带宽度等特性更能有效地调节GaN基异质结能带结构，进而调控阈值电压，从而实现增强型(阈值电压大于0伏)的GaN基异质结场效应晶体管的功率器件；该异质结场效应晶体管可减少不必要的功率损耗与次级电路的器件数目，提高集成度，对实现GaN基异质结场效应晶体管在电力电子转化中的应用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的基异质结场效应晶体管中氧化亚铜薄膜的空穴载流子浓度(hole carrier density)和电阻率(resistivity)与溅射功率(sputtering power)的关系曲线图；
图2为本发明实施例1制备的拥有p型Cu2O栅极帽层结构的GaN异质结场效应晶体管与传统GaN异质结场效应晶体管的转移特性对比图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一方面，本发明实施例提供了一种异质结场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：
S01：提供衬底；
S02：在所述衬底上制备AlGaN/GaN异质外延层；
S03：在所述AlGaN/GaN异质外延层上制备源电极和漏电极；
S04：利用磁控溅射法在所述AlGaN/GaN异质外延层上沉积p型氧化物，制得p型氧化物栅极。
本发明实施例提供的异质结场效应晶体管的制备方法，采用磁控溅射法在AlGaN/GaN异质外延层上沉积p型氧化物制得p型氧化物栅极；该制备方法工艺简单，既可以避免p型氧化物被污染，又可以实现制备较高浓度的p型氧化物栅极，而且还能保证对GaN基异质结场效应晶体管阈值电压的正向调控能力，最终该异质结场效应晶体管的器件功率得到显著提高。
进一步地，上述步骤S01中：衬底可以为蓝宝石(Sapphire)，主要成分为氧化铝。
进一步地，在上述步骤S03中，制备源电极和漏电极之前，先通过电感耦合等离子体(ICP)系统形成120nm的刻蚀深度，以保证器件间二维电子气沟道的消失，完成器件隔离。而制备源电极和漏电极的步骤包括：利用磁控溅射法沉积Ti/Al/Ti/Au(50/200/40/40nm)多层金属完成源电极与漏电极的制备后，在850℃下N2环境中退火3分钟以形成欧姆接触。如退火温度低于850℃，则不能很好形成欧姆接触，高于850℃会使串联电阻及接触电阻数值增大，影响器件性能；如退火时间低于3分钟，源电极与漏电极金属不能充分与AlGaN外延层反应，不能很好形成欧姆接触，多于3分钟会使接触电阻数值增大，降低影响器件性能。因此，在该温度和时间内退火，可得到最佳的源电极与漏电极。
进一步地，在上述步骤S04中，所述p型氧化物选自p型氧化铜、p型氧化亚铜、p型氧化镍和p型氧化镁中的任意一种。本发明实施例创新性地利用磁控溅射法在常温下，通过改变溅射功率可以形成高质量的p型氧化物薄膜作为栅极，通过一次光刻后，利用磁控溅射法沉积上述p型氧化物任意一种制成栅极，从而实现制备高性能p型氧化物栅极帽层结构的GaN异质结场效应晶体管。具体地，p型氧化物优选p型氧化亚铜(Cu2O)。该制备方法，可以防止Cu2O被为氧化铜(CuO)以及Cu2O被污染。
本发明实施例的制备工艺流程可以通过一次光刻以及常温的条件下利用磁控溅射法沉积p型Cu2O栅极与随后的Ni/Au的沉积，这样既简化了工艺流程也防止了Cu2O在制备工艺中污染以及避免了在热氧化条件下制备Cu2O时，空穴浓度较低的问题。
进一步地，沉积所述p型氧化物的步骤包括：以铜靶为铜源，以氩气与氧气的混合气体为溅射气体和反应气体，进行磁控溅射处理。具体地，所述氩气与所述氧气的体积比为15：3-4。所述磁控溅射处理的反应功率为10-100W；所述磁控溅射处理的反应压强为0.2-0.3Pa。去除铜靶表面的氧化物，在反应溅射之前，还包括用氩气对所述铜靶表面进行去氧化物处理的步骤；具体地，所述去氧化物处理的步骤包括：以150-160W的溅射功率，通氩气10-12min。
另一方面，本发明实施例还提供了一种异质结场效应晶体管，包括AlGaN/GaN异质外延层，所述AlGaN/GaN异质外延层上设置有源电极和漏电极；所述AlGaN/GaN异质外延层上还设置有p型氧化物组成的p型氧化物栅极帽层结构。
本发明实施例提供的异质结场效应晶体管为GaN基异质结场效应晶体管，其中设置有p型氧化物组成的p型氧化物栅极帽层结构；与传统的肖特基金属栅电极相比，p型氧化物直接带隙半导体材料可调控的空穴浓度和禁带宽度等特性更能有效地调节GaN基异质结能带结构，进而调控阈值电压，从而实现增强型(阈值电压大于0伏)的GaN基异质结场效应晶体管的功率器件；该异质结场效应晶体管可以减少不必要的功率损耗与次级电路的器件数目，提高集成度，对实现GaN基异质结场效应晶体管在电力电子转化中的应用具有重要意义。
具体地，上述p型氧化物选自p型氧化铜、p型氧化亚铜、p型氧化镍和p型氧化镁中的任意一种。这些p型氧化物都可用于制备本发明实施例器件中的p型氧化物栅极帽层结构。进一步优选p型氧化亚铜。
本发明先后进行过多次试验，现举一部分试验结果作为参考对发明进行进一步详细描述，下面结合具体实施例进行详细说明。
实施例1
一种异质结场效应晶体管，包括AlGaN/GaN异质外延层，所述AlGaN/GaN异质外延层上设置有源电极和漏电极；所述AlGaN/GaN异质外延层上还设置有p型Cu2O组成的p型Cu2O栅极帽层结构。
该异质结场效应晶体管的制备方法包括如下步骤：
一、首先将蓝宝石衬底沉积一层AlGaN/GaN异质外延结构材料，将沉积的AlGaN/GaN异质外延结构材料进行清洗，具体过程如下：
用硫酸：双氧水＝4:1的混合液在100℃煮数分钟，然后依次去离子水清洗、丙酮超声清洗、乙醇超声清洗去离子水烧杯中清洗。
二、器件中源电极、漏电极和栅极的制备具体过程如下(所有制备过程是以蓝宝石衬底上的AlGaN/GaN异质外延结构材料为基础来制备p型Cu2O栅极帽层结构的GaN异质结场效应晶体管)：
首先通过电感耦合等离子体(ICP)系统形成120nm的刻蚀深度，随后通过磁控溅射法沉积Ti/Al/Ti/Au(50/200/40/40nm)多层金属完成源电极与漏电极的制备后，在850℃下N2环境中退火3分钟以形成欧姆接触。然后采用磁控溅射法通过调控氩气与氧气比率以及反应功率沉积p型Cu2O栅极(100nm)后，最后再在其上通过磁控溅射法沉积Ni/Au(70/30nm)以形成栅极欧姆接触。
上述p型Cu2O栅极的制备过程为：使用高纯度铜靶(99.99％，分析纯)为铜源，以氩气与氧气混合气体为溅射气体与反应气体，制备p型Cu2O栅极；其中，沉积温度为室温，氩气与氧气比率＝15:4，反应功率为10W，反应压强为0.2pa。为了去除铜靶表面的氧化物，在反应溅射之前，用150W的溅射功率，通过氩气对铜靶进行表面处理10分钟。
本实施例的工艺条件得到的产品为拥有p型Cu2O栅极帽层结构的GaN异质结场效应晶体管(即Cu2O/HFET表示)。
讨论器件性能之前，用原子力显微镜(AFM)以及霍尔测试(Hall)来评价器件中p型Cu2O薄膜的质量：使用原子力显微镜进行对p型Cu2O薄膜的表面粗糙度进行表征，随着沉积功率的减少，p型Cu2O薄膜表面粗糙度呈现下降的趋势，而且当沉积功率减少到10W，一个准非晶态的p型Cu2O薄膜被形成。同时根据霍尔测试发现，如图1所示，随着沉积功率的减少，空穴浓度呈现上升趋势，特别当沉积功率减少到10W，一个最高的空穴浓度1×1017cm-3被得到。随后根据这个优化的p型Cu2O成膜条件(磁控溅射反应功率＝10W)，制备p型Cu2O栅极帽层结构的GaN异质结场效应晶体管，以研究它的电学特性。
为了比较本实施例的器件性能优略性，传统的GaN异质结场效应晶体管也被制备。通过栅极漏电流特性测试结果发现，如图2所示：有p型Cu2O栅极帽层结构的GaN异质结场效应晶体管，要比传统的GaN异质结场效应晶体管的栅极漏电流小近两个数量级。又通过器件的输出特性发现，有p型Cu2O栅极帽层结构的GaN异质结场效应晶体管，比传统的GaN异质结场效应晶体管的输出电流有了一定的提高。同时我们也通过器件转移特性(对数坐标)发现，如图2所示：有p型Cu2O栅极帽层结构的GaN异质结场效应晶体管(图2中Cu2O/HFET)，比传统的GaN异质结场效应晶体管(图2中HFET)除了阈值有了0.55V的正向偏移之外，在开关闭ON/OFF特性方面有了两个数量级的提高以及电子迁移率又有了一定的提高，而且亚阈值摆幅(SS)也有了很大的减小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种异质结场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供衬底；
在所述衬底上制备AlGaN/GaN异质外延层；
在所述AlGaN/GaN异质外延层上制备源电极和漏电极；
利用磁控溅射法在所述AlGaN/GaN异质外延层上沉积p型氧化物，制得p型氧化物栅极。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述p型氧化物选自p型氧化铜、p型氧化亚铜、p型氧化镍和p型氧化镁中的任意一种。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述p型氧化物为p型氧化亚铜，沉积所述p型氧化物的步骤包括：以铜靶为铜源，以氩气与氧气的混合气体为溅射气体和反应气体，进行磁控溅射处理。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述氩气与所述氧气的体积比为15：3-4。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射处理的反应功率为10-100W；和/或
所述磁控溅射处理的反应压强为0.2-0.3Pa。
6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射处理之前，还包括用氩气对所述铜靶表面进行去氧化物处理的步骤。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述去氧化物处理的步骤包括：以150-160W的溅射功率，通氩气10-12min。
8.如权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石。
9.一种异质结场效应晶体管，包括AlGaN/GaN异质外延层，所述AlGaN/GaN异质外延层上设置有源电极和漏电极；其特征在于，所述AlGaN/GaN异质外延层上还设置有p型氧化物组成的p型氧化物栅极帽层结构。
10.如权利要求9所述的异质结场效应晶体管，其特征在于，所述p型氧化物选自p型氧化铜、p型氧化亚铜、p型氧化镍和p型氧化镁中的任意一种。
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