CN101819995B - GaN基MOSFET及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及GaN基MOSFET及其制备方法，可以有效的调节(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x薄膜与GaN衬底之间的能带补偿，减小漏电流。所述GaN基MOSFET，在GaN衬底上设有(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x栅介质层，GaN衬底和(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x栅介质层之间设有厚度为0.5-2nm的SiO₂缓冲层。所述GaN基MOSFET的制备方法，包括如下步骤：在GaN衬底上沉积一层SiO₂缓冲层，然后沉积(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x栅介质层。本发明可有效降低体系的漏电流，并应用于制备信息存储和金属-氧化物-半导体场效应管的栅电介质材料中。

Description

GaN基MOSFET及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种GaN基MOSFET及其制备方法，属于微电子材料领域。

背景技术

几十年来，集成电路的发展基本遵循了Intel公司创始人之一的GordonE.Moore博士1964年预言的摩尔定律：在集成电路的单个芯片上集成的元件数，即集成电路的集成度，每12至18个月增加一倍，特征尺寸缩小

倍。随着器件的特征尺寸越来越小，传统的SiO₂栅介质层的厚度也随着栅极线宽的不断缩小而越来越薄，由于量子隧穿效应导致的隧穿电流迅速增加，结果导致SiO₂层不能起到绝缘介质的作用，器件的漏电流已达到无法承受的地步。采用高介电常数(high-k)材料可以在保证对沟道有相同控制能力的条件下，栅介质层的物理厚度增大，于是栅层与沟道间的直接隧穿电流将大大减小。

GaN材料具有带隙宽、发光效率高、电子漂移饱和速度高、热导率高、硬度大、介电常数小，化学性质稳定及抗辐射、抗高温等特点，成为短波长光电子器件及高频、高压、高温微电子器件制备的最优选材料，被誉为第三代半导体材料。近年来，由于在高温下的操作可靠性和更低的漏电流特性，GaN基MOSFET也获得了广泛的关注和研究。而(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x材料由于具有较高的介电常数，被认为是替代Hf基high-k材料的下一代high-k材料。因此，在GaN衬底上生长(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x薄膜栅介质材料在高温MOSFET应用上具有重要意义。

然而，由于GaN较大的禁带宽度(E_g＝3.42eV)，(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-xhigh-k材料中等的禁带宽度(～5.7eV)，将会导致(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x薄膜与GaN界面间的势垒高度偏低，引起漏电流的增大。所以，从能带偏移的角度来看，一个最合适的栅介质材料首先要有大的介电常数和大的带隙，同时相对于沟道半导体材料有对称的价带和导带偏移，从而减小漏电流。

发明内容

本发明提供一种GaN基MOSFET，可以有效的调节(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x薄膜与GaN衬底之间的能带补偿，减小漏电流。

本发明还提供了上述GaN基MOSFET的制备方法。

所述GaN基MOSFET，在GaN衬底上设有(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x栅介质层，GaN衬底和(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x栅介质层之间设有厚度为0.5-2nm的SiO₂缓冲层。

所述(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x栅介质层和GaN衬底为公知结构，作为优选方案，所述(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x栅介质层厚度为10-100nm，0.4＜x＜0.6；GaN衬底的厚度为10-50μm。

所述GaN基MOSFET的制备方法，包括如下步骤：

a)将GaN衬底清洗、吹干后放入反应腔以备沉积薄膜；

b)将SiO₂陶瓷靶材和(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材分别固定在脉冲激光沉积制膜系统的可旋转的，有多靶位置的靶台上，GaN衬底固定在衬底台上，他们都放置在脉冲激光沉积制膜系统的生长室中；

c)将生长室抽真空到8.0×10^-5Pa以下，加热衬底温度至400℃；

d)启动KrF准分子激光器，使激光束通过聚焦透镜，先后聚焦在SiO₂陶瓷靶材和(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材上，在衬底上沉积一层SiO₂缓冲层，然后转动靶台，沉积(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x栅介质层。

作为优选方案，步骤d)中，KrF准分子激光器的单脉冲能量50-700mJ，能量密度为0.1-10J/cm²，沉积SiO₂缓冲层厚度为0.5-2nm，仅通过转动靶台5，使激光束聚焦于(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材，其他条件不变下，沉积10-100nm的(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x薄膜。

GaN衬底的制备方法和(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材的烧制方法均为现有技术，分别具体为：采用氢气相外延的方法在2-4英寸蓝宝石衬底生长10-50μm的GaN薄膜作为衬底；将La₂O₃和SiO₂粉末混合，在球磨机中充分球磨24-36小时后，在12-15MPa压力下冷压成直径为20-25mm，厚度为3-5mm的圆片，再在1400-1600℃下烧制6-8小时，得到(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材。La₂O₃和SiO₂的摩尔比与(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材中化学结构式的比值相同，即La₂O₃和SiO₂的摩尔比为x：(1-x)，0.4＜x＜0.6。

本发明在(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x薄膜与GaN衬底之间引入一层极薄的SiO₂缓冲层，组成(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN结构，可有效降低体系的漏电流，并应用于制备信息存储和金属-氧化物-半导体场效应管的栅电介质材料中。

所述(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN结构具有以下有益效果：

a)GaN的禁带宽度(E_g ^GaN)为3.42eV，high-k材料的禁带宽度可以由和它的能量损失峰起始位置的距离来确定。图3(a)可以得到(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x的禁带宽度为5.70eV，SiO₂缓冲层界面的禁带宽度为6.94eV。

b)通过引入一层超薄SiO₂，(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x相对于GaN衬底的价带补偿和导带补偿更为对称，并且能有更高的导带和价带补偿，从而获得更低的漏电流。

价带补偿的计算原理是基于(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x薄膜的和GaN衬底XPS芯电子和价带边缘能量的不同这一假设的。实验中，我们采用Ga 2p3/2芯电子作为参考。由图3(a)可以得到，GaN衬底的价带顶值为1.98eV(E_VBM ^GaN)，(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x薄膜和(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN界面的价带顶是一致的，均为2.86

所以，(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x相对于GaN的价带补偿

为0.88eV，可由下式算出：

${\mathrm{\ΔE}}_V^{{\mathrm{LaSiO}}_x/\mathrm{GaN}}=E_{\mathrm{VBM}}^{{\mathrm{LaSiO}}_x}-E_{\mathrm{VBM}}^{\mathrm{GaN}}---\left(1\right)$

(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x薄膜与GaN的导带补偿计算方法为：

${\mathrm{\ΔE}}_c=E_g^{{\mathrm{LaSiO}}_x}-E_g^{\mathrm{GaN}}-{\mathrm{\ΔE}}_v---\left(2\right)$

可以算得(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN导带补偿为1.40eV。

从图3(b)可以得出(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x薄膜的价带顶仍是2.86eV，SiO₂/GaN和(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x与SiO₂缓冲层的界面处价带顶位置分别为3.99eV和3.67eV。同样的方法可算得(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN的价带补偿和导带补偿分别为1.69eV和1.83eV。基于上述结果，可以获得(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN和(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN的能带补偿图，如图4所示。

c)(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN比(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN薄膜结构具有更好电学性能，具有更小的漏电流密度。

图5所示的是(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN和(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN结构表面和界面处的O1s X射线光电子能谱(XPS)图。在表面处，引入SiO₂前后O 1s的特征峰一致，均由三个特征峰叠加而成，最强的峰结合能为531.6eV，对应的是La的硅酸盐，结合能为530.1eV对应的是La₂O₃，而结合能为533.1eV对应的是SiO₂；在界面处，由于SiO₂缓冲层的引入，结合能为533.1eV的SiO₂特征峰的强度明显增加，而La的硅酸盐的特征峰(531-6eV)显著减小。

图6显示了(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x和GaN间引入一层厚度为约1纳米的超薄SiO₂缓冲层，能有效降低薄膜的漏电流。在室温下，在1V偏压(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN较(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN具有更小的漏电流密度。随着温度的升高，(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN的漏电流密度急剧增加，而(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN的漏电流密度随温度的增加较为缓慢，在300℃时，(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN比(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN体系的漏电流密度小两个数量级。

附图说明

图1：(a)(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN的结构示意图，(b)(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN的结构示意图。

图2：制备(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN薄膜的脉冲激光沉积薄膜生长系统的结构示意图，

1-衬底材料；2-KrF准分子激光器；3-聚焦透镜；4(a)-SiO₂；4(b)-(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x；5-靶台；6-生长室；7-机械泵和分子泵的接口阀；8-衬底台。

图3：(a)对照实施例1所得(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN结构表面和界面处的O 1s能量损失谱；(b)实施例1所得(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN结构表面和界面处的O 1s能量损失谱，其中x轴表示表面和界面处的O 1s电子结合能(单位为电子伏特)，y轴表示光电子的计数率。通过XPS分析探测薄膜表面和界面的成分结构，对于界面处的结构，需要经过氩离子束刻蚀，其中氩离子能量为3keV。

图4：(a))对照实施例1所得(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN结构的GaN衬底，(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x薄膜表面和(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN界面的价带谱；(b)实施例1所得(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN结构的SiO₂/GaN，(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x薄膜表面和(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x与SiO₂缓冲层的界面处的价带谱。其中x轴表示表面和界面处的O 1s电子结合能(单位为电子伏特)，y轴表示光电子的计数率。

图5：(a)对照实施例1中(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN能带补偿示意图；(b)实施例1中(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN的能带补偿示意图。

图6：(a)对照实施例1中(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN表面和界面处的O 1s谱；(b)实施例1中(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN表面和界面处的O 1s谱。其中x轴表示表面和界面处的O 1s电子结合能(单位为电子伏特)，y轴表示光电子的计数率。

图7：(a)对照实施例1(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN和实施例1中(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN结构的变温漏电流特性(J-T)曲线(电极采用直径为3.14×1O^-4cm²的Pt电极)，虚线表示在1v电压下(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN结构的变温漏电流特性(J-T)曲线，实线表示在1v电压下(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN结构的变温漏电流特性(J-T)曲线，其中x轴表示温度(单位为摄氏度)，y轴表示漏电流密度(单位为安培每平方厘米)；(b)对照实施例1中(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN和实施例1中(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN结构在(i)反向和(ii)正向偏压下的能带示意图。图中LSO为(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x的缩写。

具体实施方式

对照实施例1.

基于GaN衬底，(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN薄膜结构的制备过程具体如下：

a)(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材的烧制：La₂O₃和SiO₂粉末在球磨机中充分球磨后，干燥后在13MPa下压制成型，再在1400℃烧制6小时。

b)采用氢气相外延(HVPE)的方法在2英寸蓝宝石衬底生长约20μm的GaN薄膜作为衬底。将衬底放入适量丙酮中，超声清洗后，用去离子水超声清洗，漂洗掉衬底表面残留的杂质，然后用高纯氮气吹干后放入反应腔以备沉积薄膜。

c)将(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材4(b)固定在如图2所示的脉冲激光沉积制膜系统的靶台5上，衬底1固定在衬底台8上，他们都放置在脉冲激光沉积制膜系统的生长室6中。

d)用真空泵通过机械泵和分子泵的接口阀7将生长室6抽真空到8.0×10^-5Pa以下，衬底温度为400℃。

e)启动KrF准分子激光器2，使激光束通过聚焦透镜3聚焦在(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材4(b)上。

f)在衬底1上沉积一层(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x薄膜，形成(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN薄膜结构。单脉冲能量300mJ，能量密度为2J/cm²，沉积(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x层厚度为20nm。

所得(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/GaN薄膜结构如图1(a)所示，从下至上依次是蓝宝石9、GaN衬底10、(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x栅介质层11。

实施例1

基于GaN衬底，引入SiO₂缓冲层，形成(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN薄膜结构的制备过程具体如下：

a)将La₂O₃和SiO₂粉末，在球磨机中球磨后，干燥以后在13MPa下压制成型，最后1400℃烧制6小时，制成(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材。

b)采用氢气相外延(HVPE)的方法在2英寸蓝宝石衬底生长约20μm的GaN薄膜作为衬底。将衬底放入适量丙酮中，超声清洗后，用去离子水超声清洗，漂洗掉衬底表面残留的杂质，然后用高纯氮气吹干后放入反应腔以备沉积薄膜。

c)将SiO₂陶瓷靶材4(a)和(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材4(b)固定在脉冲激光沉积制膜系统(如图2所示)的靶台5上，衬底1固定在衬底台8上，他们都放置在脉冲激光沉积制膜系统的生长室6中。

d)用真空泵通过机械泵和分子泵的接口阀7将生长室6抽真空到8.0×10^-5Pa以下，衬底温度为400℃。

e)启动KrF准分子激光器2，使激光束通过聚焦透镜3聚焦在SiO₂陶瓷靶材4(a)上。

f)在衬底1上沉积一层SiO₂缓冲层薄膜，形成SiO₂/GaN结构。单脉冲能量为300mJ，能量密度为2J/cm²，沉积SiO₂缓冲层厚度为1nm；

g)转动靶台5，使激光束通过聚焦透镜3聚焦在(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材4(b)上，在SiO₂/GaN结构上沉积一层(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x，形成(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN结构。单脉冲能量为300mJ，能量密度为2J/cm²，沉积(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x层厚度为20nm。

所得(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x/SiO₂/GaN薄膜结构如图1(b)所示，从下至上依次是蓝宝石9、GaN衬底10、SiO₂缓冲层12和(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x栅介质层11。

Claims (5)

1. 一种GaN基MOSFET的制备方法，其特征在于，所述GaN基MOSFET的结构为：在GaN衬底上设有(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x栅介质层， GaN衬底和(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x栅介质层之间设有厚度为0.5-2nm的SiO₂缓冲层，所述制备方法包括如下步骤：

a)将GaN衬底清洗、吹干后放入反应腔以备沉积薄膜；

b)将SiO₂ 陶瓷靶材和(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材分别固定在脉冲激光沉积制膜系统的可旋转的，有多靶位置的靶台上，GaN衬底固定在衬底台上，他们都放置在脉冲激光沉积制膜系统的生长室中；

c)将生长室抽真空到8.0×10^-5 Pa以下，加热衬底温度至400℃；

d)启动KrF准分子激光器，使激光束通过聚焦透镜，先后聚焦在SiO₂陶瓷靶材和(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材上，在衬底上沉积一层SiO₂缓冲层，然后转动靶台，沉积(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x栅介质层。

2.如权利要求1所述的GaN基MOSFET的制备方法，其特征在于，步骤d）中，KrF准分子激光器的单脉冲能量50-700 mJ，能量密度为0.1-10 J/cm²，沉积SiO₂缓冲层厚度为0.5-2nm，仅通过转动靶台5，使激光束聚焦于(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材，在其他条件不变的情况下，沉积10-100nm的(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x薄膜。

3.如权利要求1或2所述的GaN基MOSFET的制备方法，其特征在于，所述(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x栅介质层中0.4＜x＜0.6。

4.如权利要求1或2所述的GaN基MOSFET的制备方法，其特征在于，GaN衬底的厚度为10-50 μm。

5.如权利要求1或2所述的GaN基MOSFET的制备方法，其特征在于，GaN衬底的制备方法为：采用氢气相外延的方法在2-4英寸蓝宝石衬底生长10-50 μm的GaN薄膜作为衬底；(La₂O₃)_x(SiO₂)_1-x陶瓷靶材的烧制方法为：将La₂O₃和SiO₂粉末混合，在球磨机中充分球磨24-36小时后，在12-15MPa压力下冷压成直径为20-25mm，厚度为3-5mm的圆片，再在1400 -1600℃下烧制6-8小时。

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