增強(qiáng)型氮化鎵晶體管器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種晶體管器件，且特別是涉及一種增強(qiáng)型(Enhancement-mode ；Normally-off)氮化鎵晶體管器件。
【背景技術(shù)】
[0002]具有氮化鎵二維電子氣(2DEG)結(jié)構(gòu)的氮化鎵晶體管器件因?yàn)闁艠O區(qū)域的二維電子氣分布，使得器件無(wú)法達(dá)到常關(guān)(Normally-off)的特性。所以為了提供安全性的元件操作、簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、低能量消耗等需求，已有研究以選擇性成長(zhǎng)(SelectivityArea Growth)的方式，在柵極區(qū)域成長(zhǎng)P型氮化鋁鎵(P-AlGaN)，利用空乏區(qū)的原理，空乏(Deplete)柵極區(qū)域下方的二維電子氣(2DEG)分布，而達(dá)到常關(guān)的元件特性。但是這種器件的臨界電壓受限于P型氮化鋁鎵的濃度，所以導(dǎo)致其臨界電壓通常較小。
[0003]另有研究提出通過(guò)破壞柵極區(qū)域的二維電子氣分布，來(lái)提高臨界電壓(ThresholdVoltage ；Vth)的增強(qiáng)型(E-mode)氮化鎵晶體管器件，但卻發(fā)現(xiàn)這種器件會(huì)犧牲電流的輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種增強(qiáng)型氮化鎵晶體管器件，能防止P型金屬氧化物的載流子濃度產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響到器件的開(kāi)關(guān)能力。
[0005]為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供一種增強(qiáng)型氮化鎵晶體管器件，包括:基板、基板上的外延結(jié)構(gòu)、外延結(jié)構(gòu)上的凹入式柵極(Recessed gate)、凹入式柵極上的柵極電極、源極電極與漏極電極。在所述柵極電極與所述凹入式柵極之間還有介電疊層，所述介電疊層包括第一介電層與第二介電層，其中第二介電層與凹入式柵極接觸。所述凹入式柵極是P型金屬氧化物，所述第二介電層中的金屬元素的氧化電位需比P型金屬氧化物的金屬元素低。外延結(jié)構(gòu)由所述基板依序包括非摻雜氮化鎵(U-GaN)層與非摻雜氮化鋁鎵(U-AlGaN)層，所述外延結(jié)構(gòu)為具有二維電子氣的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。凹入式柵極具有納米結(jié)構(gòu)圖案，所述納米結(jié)構(gòu)圖案延伸至所述非摻雜氮化鎵層與所述非摻雜氮化鋁鎵層之間。源極電極與漏極電極則位于所述凹入式柵極兩側(cè)的所述外延結(jié)構(gòu)上。
[0006]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述第一介電層是氧化鋁層，且第一介電層與第二介電層的厚度各自獨(dú)立為l_50nm。
[0007]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述介電疊層中與所述凹入式柵極接觸的第二介電層包括氧化硅(S12)、氮化硅(Si3N4)、含氮氧化硅(S12 = N)、氧化釓(GdO)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鉿(HfO2)、氧化鉭(Ta2O5)或氮化鈦(TiN)。
[0008]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述凹入式柵極的形狀包括環(huán)狀或條狀。
[0009]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述凹入式柵極的長(zhǎng)度(Gate length)為200nm-20000nmo
[0010]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述凹入式柵極例如具有不同濃度的N1x層，其中I彡X彡1.2。所述N1x層的濃度分布包括小于lE15/cm3的第一范圍、lE15/cm3_lE17/cm3的第二范圍、與大于lE17/cm3的第三范圍，且所述濃度分布的組合包括低至高、由高至低、上下低中間高、或上下高中間低。
[0011]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述第一范圍、第二范圍與第三范圍的厚度各自獨(dú)立為lnm-200nmo
[0012]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述納米結(jié)構(gòu)圖案包括多數(shù)個(gè)納米條狀圖案(Nano-Strips)、多數(shù)個(gè)納米柱狀圖案(Nano-rods)或多數(shù)個(gè)納米點(diǎn)狀圖案(Nano-porouspattern),其中所述納米結(jié)構(gòu)圖案內(nèi)的圖案最小寬度為50nm-500nm。
[0013]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述外延結(jié)構(gòu)還包括位于非摻雜氮化鎵層與基板之間的氮化鎵系緩沖層(GaN based buffer)。
[0014]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述基板包括硅基板(Silicon)或藍(lán)寶石基板(sapphire)。
[0015]基于上述，本發(fā)明通過(guò)具有納米結(jié)構(gòu)圖案的凹入式柵極(Recessed gate)結(jié)構(gòu),配合其上的介電疊層，所以能在提升電流的同時(shí)，避免凹入式柵極內(nèi)的P型金屬氧化物(如N1x)的載流子濃度產(chǎn)生變化，而影響到器件的開(kāi)關(guān)能力。由于本發(fā)明的增強(qiáng)型氮化鎵晶體管器件可抑制柵極漏電產(chǎn)生，所以還能提高柵極電壓的操作范圍。
[0016]為讓本發(fā)明的上述特征能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合所附的附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明的一實(shí)施例的一種增強(qiáng)型氮化鎵晶體管器件剖面示意圖；
[0018]圖2A與圖2B分別為本發(fā)明的實(shí)施例的納米結(jié)構(gòu)圖案的上視示意圖；
[0019]圖3為實(shí)驗(yàn)例1、實(shí)驗(yàn)例2與比較例I的增強(qiáng)型氮化鎵晶體管器件在Id與Vgs的特性圖；
[0020]圖4為實(shí)驗(yàn)例1、實(shí)驗(yàn)例2與比較例I的增強(qiáng)型氮化鎵晶體管器件在Ids與Vds的特性圖；
[0021 ]圖5為實(shí)驗(yàn)例3、比較例2與比較例3的增強(qiáng)型氮化鎵晶體管器件在Ig與Vg的特性圖。
[0022]符號(hào)說(shuō)明
[0023]100:基板
[0024]102:外延結(jié)構(gòu)
[0025]104:非摻雜氮化鎵層
[0026]106:非摻雜氮化鋁鎵層
[0027]108:凹入式柵極
[0028]108a:底部
[0029]110:納米結(jié)構(gòu)圖案
[0030]112:柵極電極
[0031]114a:源極電極
[0032]114b:漏極電極
[0033]116:介電疊層
[0034]118:第一介電層
[0035]120:第二介電層
[0036]122:氮化鎵系緩沖層
[0037]124:絕緣層
[0038]W:寬度
【具體實(shí)施方式】
[0039]圖1是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的一種增強(qiáng)型氮化鎵晶體管器件剖面示意圖。
[0040]請(qǐng)參照?qǐng)D1，本實(shí)施例的增強(qiáng)型氮化鎵晶體管器件包括基板100、外延結(jié)構(gòu)102、凹入式柵極108、柵極電極112、源極電極114a、漏極電極114b與介電疊層116。外延結(jié)構(gòu)102包括非摻雜氮化鎵(U-GaN)層104與非摻雜氮化鋁鎵(U-AlGaN)層106，此結(jié)構(gòu)為具有二維電子氣(2DEG)的氮化鎵異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)。凹入式柵極108是P型金屬氧化物,位于外延結(jié)構(gòu)102上。柵極電極112位于凹入式柵極108上，且所述介電疊層116設(shè)置于柵極電極112與凹入式柵極108之間。所述介電疊層116至少包括第一介電層118與第二介電層120，其中的第二介電層120與凹入式柵極108接觸。由于凹入式柵極108是P型金屬氧化物，如N1x(I ^ X ^ 1.2)，所以第二介電層120中的金屬元素的氧化電位需比P型金屬氧化物的金屬元素低，以避免介電疊層116與凹入式柵極108反應(yīng)或者影響凹入式柵極108內(nèi)的載流子濃度。另外，凹入式柵極108具有納米結(jié)構(gòu)圖案110,所述納米結(jié)構(gòu)圖案110可以延伸至非摻雜氮化鎵層104與非摻雜氮化鋁鎵層106之間。以本圖來(lái)看，凹入式柵極108的底部108a是在非摻雜氮化鋁鎵層106內(nèi)，但本發(fā)明并不限于此；凹入式柵極108的納米結(jié)構(gòu)圖案110 (即底部108a)也可延伸至非摻雜氮化鎵層104內(nèi)。至于源極電極114a與漏極電極114b是位于凹入式柵極108兩側(cè)的外延結(jié)構(gòu)102上。
[0041]圖1因?yàn)槭瞧室晥D，所以只顯示凹入式柵極108的剖面，但是凹入式柵極108的形狀實(shí)際上可以是封閉的環(huán)狀或者條狀。納米結(jié)構(gòu)圖案110可以是數(shù)個(gè)納米條狀圖案(Nano-Strips)、數(shù)個(gè)納米柱狀圖案(Nano-rods)或數(shù)個(gè)納米點(diǎn)狀圖案(Nano-porouspattern),其中納米結(jié)構(gòu)圖案110內(nèi)的圖案最小寬度W為50nm_500nm。
[0042]具體而言，圖2A與圖2B分別是不同型態(tài)的納米結(jié)構(gòu)圖案110。在圖2A中，納米結(jié)構(gòu)圖案I1例如是包含多個(gè)納米柱狀圖案延伸至非摻雜氮化鋁鎵層106、或是納米結(jié)構(gòu)圖案110是具有多個(gè)納米孔洞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在圖2B中，納米結(jié)構(gòu)圖案110例如是包含多個(gè)納米條狀圖案，或是具有多個(gè)納米條狀溝道的結(jié)構(gòu)而非摻雜氮化鋁鎵層106位于納米條狀溝道內(nèi)。圖2A與圖2B只顯示一部分的凹入式柵極108 ;也就是說(shuō)，圖2A與圖2B可以是封閉環(huán)狀或者條狀的凹入式柵極108的一部分。
[0043]上述凹入式柵極108的形成工藝包括電子束蒸發(fā)(E-beam evaporat1n)、減射(Sputtering)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、噴射(Spray)、溶膠一凝膠法(Sol-gel)、脈沖激光沉積(PLD)等方式。而且，上述凹入式柵極108例如具有相同濃度的N1x層，但本發(fā)明并不限于此。舉例來(lái)說(shuō)，N1x層的濃度分布可以由小于lE15/cm3的第一范圍、lE15/cm3-lE17/cm3的第二范圍、與大于lE17/cm3的第三范圍所構(gòu)成，且所述濃度分布的組合包括低至高、由高至低、上下低中間高、上下高中間低等組合。上述第一、第二與第三范圍的厚度分別例如 lnm_200nm。
[0044]在介電疊層116中，第一介電層118可以是能耐柵極高電壓的材料，如氧化鋁層或其他適合的材料層，且第一介電層118的厚度例如lnm-50nm。在圖1雖然介電疊層116是雙層結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明并不限于此，介電疊層116也可為兩層以上的疊層，只要與凹入式柵極108接觸的那一層第二介電層120中的金屬元素，有比P型金屬氧化物的金屬元素要低的氧化電位即可。譬如P型金屬氧化物是N1x層的話，第二介電層120可以是氧化硅(Si02)、氮化硅(Si3N4)、含氮氧化硅(S1