CN111816704A - 一种纳米开关器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种纳米开关器件及其制备方法，涉及半导体高电子迁移率晶体管技术领域。纳米开关器件包括依次层叠布置的衬底、缓冲层和沟道层，沟道层表面具有V型槽，沟道层表面且位于V型槽两侧分别设置有势垒层，势垒层表面分别设置有源极和漏级，V型槽表面设置有钝化层，钝化层表面设置有栅极。沟道层的材质为GaN基材料，在外延生长过程中其表面会形成能够充当人工刻蚀凹槽的V型槽。在栅极不加电压时，V型槽能够阻断势垒层和沟道层形成的二维电子气，阻断源极和漏级之间形成电流，使器件在栅极不加电压下处于常关状态；当给栅极加电压时，V型槽下面的沟道层会聚集电荷，使源极和漏级之间的二维电子气导通。

Description

一种纳米开关器件及其制备方法

技术领域

本申请涉及半导体高电子迁移率晶体管技术领域，具体而言，涉及一种纳米开关器件及其制备方法。

背景技术

随着高压开关和高速射频电路的发展，高电子迁移率晶体管已成为一个研究热点。第三代半导体材料氮化镓(GaN)由于具有禁带宽度大、耐高温耐高压、抗腐蚀抗辐射、电子饱和漂移速率高等众多优异的材料特性，已被广泛应用于电力电子及射频器件之中。

由于自发极化效应和压电极化效应，GaN/Al_xGa_1-xN异质结界面具有很高的电子浓度(2DEG)和电子迁移率，常应用于耗尽型(常开型)GaN HEMT的制作。耗尽型器件应用具有局限性，由于需要独立的负偏压保持关断，在电能转换效率及安全性上不如常闭型器件。所以实现增强型(常闭型)的HEMT器件，可以有效避免系统转换时的导通损毁。

目前增强型HEMT器件主要采用凹槽技术和氟离子注入技术形成，以此来改善器件的可靠性。但是无论是凹槽刻蚀工艺还是氟离子注入工艺都会对材料造成损伤，对器件性能和可靠性造成影响。对于凹槽刻蚀工艺，难以精确控制，同时可能会损伤势垒层表面造成电流崩塌问题。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种纳米开关器件及其制备方法，其通过直接利用GaN基材料外延生长形成的V型槽作为凹槽，无需再刻蚀一个凹槽，简化了制备工艺，避免刻蚀工艺给器件造成损伤。

第一方面，本申请实施例提供一种纳米开关器件，其包括依次层叠布置的衬底、缓冲层和沟道层，沟道层表面具有V型槽，沟道层表面且位于V型槽两侧分别设置有势垒层，势垒层表面分别设置有源极和漏级，V型槽表面设置有钝化层，钝化层表面设置有栅极。

沟道层的材质为GaN基材料。

在上述实现过程中，GaN基材料在外延生长过程中其表面会形成V型槽，本申请中的V型槽能够有效的充当人工刻蚀凹槽。在栅极不加电压的情况下，利用V型槽的特点阻断势垒层和沟道层形成的二维电子气，从而阻断源极和漏级之间形成电流，使器件在栅极不加电压的情况下处于常关状态；当给栅极加电压时，V型槽下面的沟道层会聚集电荷，使源极和漏级之间的二维电子气导通。器件的源极和漏级在栅极的不同状态下能够处于导通和阻断两种状态使器件能够作为开关器件。

在一种可能的实施方案中，V型槽的形状包括倒置的六角锥形，源极和漏级分别以V型槽的轴线对称分布。

在上述示例中，源极、漏级和V型槽处于同一直线分布。

在一种可能的实施方案中，V型槽的最大内径为100～500nm。

在上述示例中，通过GaN基材料外延生长得到的V型槽的最大内径仅为100～500nm，使其能够成为纳米开关器件，功耗低，性能稳定。

在一种可能的实施方案中，缓冲层的材质包括Al_aGa_bIn_1-a-bN，其中0≤a≤1，0≤b≤1，且a+b≤1。

可选地，缓冲层的厚度为10～100nm。

在一种可能的实施方案中，沟道层的材质包括In_xGa_1-xN，其中0≤x<1。

可选地，沟道层的厚度为300～5000nm。

在一种可能的实施方案中，势垒层的材质包括Al_yGa_1-yN，其中0<y<1。

势垒层的厚度为1～100nm。

在一种可能的实施方案中，钝化层的材质包括SiO₂或SiN_x。

可选地，钝化层的厚度为10～300nm。

第二方面，本申请实施例提供一种纳米开关器件的制备方法，其包括在衬底表面形成缓冲层，在缓冲层的表面外延生长形成表面具有V型槽的沟道层，在沟道层的表面且位于V型槽两侧形成两个势垒层，在两个势垒层表面分别形成源极和漏级，在V型槽内形成钝化层，在钝化层表面形成栅极。

沟道层的材质为GaN基材料。

在上述实现过程中，由于GaN基材料自身的缺陷，GaN基材料在缓冲层表面外延生长得到的沟道层表面形成形状为倒置的六角锥形的V型槽，此V型槽能够有效的充当人工刻蚀凹槽，它可以在栅极不加电压的情况下，利用V型槽的特点阻断势垒层和沟道层形成的二维电子气，从而阻断源极和漏级之间形成电流，使器件在栅极不加电压的情况下处于常关状态；当给栅极加电压时，V型槽下面的沟道层会聚集电荷，使源极和漏级之间的二维电子气导通。器件在栅极的不同状态下能够处于开和关的状态使其能够作为开关器件。

采用GaN基材料在缓冲层表面外延生长得到的沟道层表面的V型槽能够代替人工刻蚀凹槽，简化了制备工艺，同时避免了刻蚀工艺给器件造成的损伤。

在一种可能的实施方案中，在沟道层的表面且位于V型槽两侧形成两个势垒层的方法包括：

在沟道层除V型槽以外的表面形成势垒层，在势垒层的表面且位于V型槽及V型槽两侧沉积形成掩模层，刻蚀去除掩模层区域以外的势垒层，除去余下势垒层表面的掩模层使两个势垒层露出。

在一种可能的实施方案中，在V型槽形成的钝化层分别延伸至源极和栅极。

在上述示例中，源极和栅极之间包括沟道层的V型槽的表面和势垒层的表面均沉积有钝化层。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例的纳米开关器件的结构示意图；

图2为本申请实施例的纳米开关器件的制备方法的流程图；

图3为本申请实施例中形成势垒层后的结构示意图；

图4为本申请实施例中形成掩模层后的结构示意图；

图5为本申请实施例中形成掩模层后的俯视图；

图6为本申请实施例中刻蚀掉非掩模区域的势垒层后的结构示意图；

图7为本申请实施例中刻蚀掉非掩模区域的势垒层后的俯视图；

图8为本申请实施例中清洗掉掩模层厚的结构示意图；

图9为本申请实施例中清洗掉掩模层厚的俯视图；

图10为本申请实施例中形成源极和漏级后的结构示意图；

图11为本申请实施例中形成栅极后的结构示意图。

图标：10-纳米开关器件；100-衬底；200-缓冲层；300-沟道层；310-V型槽；400-势垒层；500-源极；600-漏级；700-钝化层；800-栅极；900-掩模层。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”应做广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

GaN基材料具有一类型的缺陷，此缺陷通常伴随着位错的产生而产生于GaN表面的交界处，其形状为倒置的六角锥形，形成缺陷的侧面与GaN除去缺陷的表面形成的夹角的角度为60～65°。

请参阅图1，本申请提供一种纳米开关器件10，其包括依次层叠布置的衬底100、缓冲层200和沟道层300，沟道层300表面具有V型槽310，沟道层300表面且位于V型槽310两侧设置有两个势垒层400，两个势垒层400表面分别设置有源极500和漏级600，V型槽310表面设置有钝化层700，钝化层700表面设置有栅极800。

其中，沟道层300的材质为GaN基材料。

GaN基材料在外延生长过程中其表面会形成六角锥形V型槽310，发明人发现此V型槽310能够有效的充当人工刻蚀凹槽。在栅极800不加电压的情况下，利用V型槽310的特点阻断势垒层400和沟道层300形成的二维电子气，从而阻断源极500和漏级600之间形成电流，使器件在栅极800不加电压的情况下处于常关状态；当给栅极800加电压时，V型槽310下面的沟道层300会聚集电荷，使源极500和漏级600之间的二维电子气导通。器件的源极500和漏级600在栅极800的不同状态下能够处于导通和阻断两种状态使器件能够作为开关器件。

衬底100的材质包括蓝宝石、Si或SiC。

缓冲层200的材质包括Al_aGa_bIn_1-a-bN，其中0≤a≤1，0≤b≤1，且a+b≤1。

缓冲层200的厚度为10～100nm。

在本申请的一种实施方式中，缓冲层200的材质为GaN，厚度为20nm。

沟道层300的材质包括In_xGa_1-xN，其中0≤x<1。

沟道层300的厚度为300～5000nm。

在本申请的一种实施方式中，沟道层300的材质为GaN，厚度为3000nm。

沟道层300表面由于外延生长形成的V型槽310的形状为倒置的六角锥，其最大内径，即V型槽310的上端的内径为100～500nm。

势垒层400的材质包括Al_yGa_1-yN，其中0<y<1。

势垒层400的厚度为1～100nm。

在本申请的一种实施方式中，势垒层400的材质为Al_0.25Ga_0.75N，厚度为25nm。

可选地，源极500和漏级600分别以V型槽310的轴线对称分布，即源极500、漏级600和V型槽310处于同一直线分布。

需要说明的是，源极500和漏级600也可以稍微偏离V型槽310的轴线，只要源极500和栅极800位于V型槽310的轴线的两侧即可。

源极500和漏级600的材质均包括Ti/Al/Ni/Au金属。

钝化层700的材质包括SiO₂或SiN_x。

钝化层700的厚度为10～300nm。

在本申请的一种实施例中，钝化层700的材质为SiO₂，钝化层700的厚度为50nm。

本申请还提供一种纳米开关器件10的制备方法，其流程图如图2所示，其包括以下步骤：

S1：准备衬底100；

S2：在衬底100表面采用MOCVD技术低温生长一层缓冲层200，材质为GaN，厚度为20nm，生长温度为500℃；

S3：在缓冲层200表面采用MOCVD技术外延生长一层沟道层300，材质为GaN，厚度为3000nm，沟道层300在外延生长过程中其表面形成V型槽310的缺陷；

S4：控制生长条件，在沟道层300除V型槽310以外的表面采用MOCVD技术外延生长一层势垒层400，材质为Al_0.25Ga_0.75N，厚度为25nm，如图3所示；

S5：采用FIB技术在势垒层400的表面且位于V型槽310及V型槽310两侧沉积形成掩模层900，如图4和图5所示；

掩模层900的材质包括SiO₂；

掩模层900的厚度为20～100nm；

在本申请的一种实施方式中，掩模层900的厚度为50nm。

可选地，掩模层900形成为一条直线。

S6：掩模层900覆盖的区域即为掩模区域，掩模层900没有覆盖的区域即为非掩模区域，利用等离子刻蚀技术刻蚀掉非掩模区域的势垒层400，如图6和图7所示；

S7：采用湿法腐蚀工艺去除掩模层900，清除完全部掩模层900后，V型槽310两侧的两个势垒层400露出，如图8和图9所示；

S8：分别在两个势垒层400上沉积Ti/Al/Ni/Au金属电极，作为源极500和漏级600，并在900℃条件下退火，以形成欧姆接触，如图10所示；

源极500和漏级600的长度为300～700nm，宽度为100～500nm，厚度为100～500nm。

在本申请的一种实施方式中，源极500和漏级600的长度为500nm，宽度为300nm，厚度为300nm。

S9：在沟道层300的V型槽310上沉积形成钝化层700，材质为SiO₂，厚度为50nm，如图11所示；

S10：在钝化层700表面生长Ni/Au金属电极，作为栅极800，如图1所示；

栅极800的宽度为100～500nm，厚度为300～700nm。

在本申请的一种实施方式中，栅极800的宽度为300nm，厚度为500nm。

可选地，在V型槽310沉积的钝化层700分别延伸至源极500和栅极800。

由于GaN基材料自身的缺陷，GaN基材料在缓冲层200表面外延生长得到的沟道层300表面形成形状为倒置的六角锥形的V型槽310，此V型槽310能够有效的充当人工刻蚀凹槽，它可以在栅极800不加电压的情况下，利用V型槽310的特点阻断势垒层400和沟道层300形成的二维电子气，从而阻断源极500和漏级600之间形成电流，使器件在栅极800不加电压的情况下处于常关状态；当给栅极800加电压时，V型槽310下面的沟道层300会聚集电荷，使源极500和漏级600之间的二维电子气导通。器件在栅极800的不同状态下能够处于开和关的状态使其能够作为开关器件。

采用GaN基材料在缓冲层200表面外延生长得到的沟道层300表面的V型槽310能够代替人工刻蚀凹槽，简化了制备工艺，同时避免了刻蚀工艺给器件造成的损伤。

综上所述，本申请提供的一种纳米开关器件10及其制备方法，纳米开关器件10包括依次层叠布置的衬底100、缓冲层200和沟道层300，沟道层300表面具有V型槽310，沟道层300表面且位于V型槽310两侧设置有两个势垒层400，两个势垒层400表面分别设置有源极500和漏级600，V型槽310表面设置有钝化层700，钝化层700表面设置有栅极800。本申请的纳米开关器件10直接利用GaN基材料外延生长形成的V型槽310作为凹槽，由于V型坑阻断了源漏间二维电子气，所以器件处于常关状态，只能通过栅压来控制器件导通。同时，采用GaN基材料在缓冲层200表面外延生长得到的沟道层300表面的V型槽310能够代替人工刻蚀凹槽，简化了制备工艺，同时避免了刻蚀工艺给器件造成的损伤。以此实现了基于外延生长形成的V型槽310结构制作的一种纳米开关器件10。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米开关器件，其特征在于，所述纳米开关器件包括依次层叠布置的衬底、缓冲层和沟道层，所述沟道层表面具有V型槽，所述沟道层表面且位于所述V型槽两侧分别设置有势垒层，所述势垒层表面分别设置有源极和漏级，所述V型槽表面设置有钝化层，所述钝化层表面设置有栅极；

所述沟道层的材质为GaN基材料。

2.根据权利要求1所述的纳米开关器件，其特征在于，所述V型槽的形状包括倒置的六角锥形，所述源极和所述漏级分别以所述V型槽的轴线对称分布。

3.根据权利要求1或2所述的纳米开关器件，其特征在于，所述V型槽的最大内径为100～500nm。

4.根据权利要求1或2所述的纳米开关器件，其特征在于，所述缓冲层的材质包括Al_aGa_bIn_1-a-bN，其中0≤a≤1，0≤b≤1，且a+b≤1；

可选地，所述缓冲层的厚度为10～100nm。

5.根据权利要求1或2所述的纳米开关器件，其特征在于，所述沟道层的材质包括In_xGa_1-xN，其中0≤x<1；

可选地，所述沟道层的厚度为300～5000nm。

6.根据权利要求1或2所述的纳米开关器件，其特征在于，所述势垒层的材质包括Al_yGa_1-yN，其中0<y<1；

可选地，所述势垒层的厚度为1～100nm。

7.根据权利要求1或2所述的纳米开关器件，其特征在于，所述钝化层的材质包括SiO₂或SiN_x；

可选地，所述钝化层的厚度为10～300nm。

8.一种纳米开关器件的制备方法，其特征在于，所述纳米开关器件的制备方法包括在衬底表面形成缓冲层，在所述缓冲层的表面外延生长形成表面具有V型槽的沟道层，在所述沟道层的表面且位于V型槽两侧形成两个势垒层，在两个所述势垒层表面分别形成源极和漏级，在所述V型槽内形成钝化层，在所述钝化层表面形成栅极；

所述沟道层的材质为GaN基材料。

9.根据权利要求8所述的纳米开关器件的制备方法，其特征在于，在所述沟道层的表面且位于V型槽两侧形成两个势垒层的方法包括：

在所述沟道层除所述V型槽以外的表面形成势垒层，在所述势垒层的表面且位于所述V型槽及所述V型槽两侧沉积形成掩模层，刻蚀去除所述掩模层区域以外的势垒层，除去余下势垒层表面的所述掩模层使两个势垒层露出。

10.根据权利要求8所述的纳米开关器件的制备方法，其特征在于，在所述V型槽形成的所述钝化层分别延伸至所述源极和所述栅极。

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