具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的GaN基p型場(chǎng)效應(yīng)管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利有關(guān)GaN基半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體是指在具有GaN與AlGaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的材料上設(shè)計(jì)與制備P型GaN場(chǎng)效應(yīng)管(文中用p-FET符號(hào)表示)。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN基材料因其可變的帶寬(從3.4eV連續(xù)變化到6.2eV)、穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能，能夠制備出響應(yīng)波長處于365nm變化到200nm的本征型紫外探測(cè)器，器件響應(yīng)波長恰好覆蓋200?280nm波段的紫外光(太陽盲紫外或日盲紫外一波長在280nm以下的太陽輻射紫外線幾乎不能到達(dá)地球表面)。紫外傳感器陣列(特別是凝視型焦平面陣列)能夠應(yīng)用于成像系統(tǒng)，準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)，隨著紫外技術(shù)的發(fā)展，成像系統(tǒng)對(duì)焦平面器件規(guī)?；笤絹碓礁?從最初的單元器件到320 X 256)，因此，焦平面器件性能與規(guī)模成了人們的關(guān)注焦點(diǎn)。但是，目前來看，紫外焦平面器件的光敏元與外界電路之間是靠基于CMOS工藝的讀出電路相連，因此讀出電路性能至關(guān)重要，影響著整個(gè)紫外探測(cè)器性能的發(fā)揮。但是，隨著器件規(guī)模的增加，器件的光敏元在減小，較小的光敏元尺寸給讀出電路的性能也提出了新要求。借鑒Si成像器件的發(fā)展情況，如CMOS成像器件具有它自身的優(yōu)點(diǎn)，光線接收器與光信號(hào)讀出的電子器件在同一片材料上。這也就為解決紫外焦平面器件與Si讀出電路之間的矛盾提供了一個(gè)很好的解決途徑。
[0003]另一方面，紫外探測(cè)器的發(fā)展僅是被譽(yù)為“后硅器件時(shí)代”主要代表的GaN基寬禁帶材料發(fā)展的一個(gè)方向。GaN基材料還具有熱導(dǎo)率高，電子漂移速度大，耐放射性輻照、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于制備超高功率、高溫、高頻的電子器件，如HEMT、FET器件。這些電子器件相應(yīng)的也具有這些優(yōu)良的性能，常被應(yīng)用在高電壓、高頻等特殊的系統(tǒng)和環(huán)境下，不僅可以減小系統(tǒng)中電子器件的個(gè)數(shù)，降低整個(gè)系統(tǒng)中電子電路的復(fù)雜性和系統(tǒng)的體積，還可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減低成本。
[0004]本專利所提及的GaN基p-GaN場(chǎng)效應(yīng)管是在具有異質(zhì)結(jié)的材料上制備的電子器件，既能夠解決日盲紫外焦平面探測(cè)器制備及應(yīng)用過程中出現(xiàn)信號(hào)太小難以讀出難題，克服采用傳統(tǒng)CMOS工藝所帶來的問題，促進(jìn)紫外探測(cè)器(特別是焦平面陣列器件)的實(shí)用及產(chǎn)業(yè)化，又能夠促進(jìn)GaN材料電子器件技術(shù)的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本專利提及一種p-GaN FET器件，即可解決日盲紫外焦平面探測(cè)器制備及應(yīng)用過程中出現(xiàn)的信號(hào)太小難以讀出難題及技術(shù)瓶頸，又能夠促進(jìn)GaN材料電子器件技術(shù)的發(fā)展。
[0006]本專利所敘述的p-GaNFET器件，以具有GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的外延材料為基礎(chǔ)，包括源端電極、漏端電極和柵電極，外延材料的結(jié)構(gòu)、器件的結(jié)構(gòu)如說明書附圖2所示，器件材料結(jié)構(gòu)總共為5層，襯底8為雙面拋光的藍(lán)寶石，多層AlGaN材料7的厚度為0.Ιμπι?
0.2μπι，能夠降低外延材料的缺陷密度，提高外延材料的質(zhì)量;P型AlGaN層6的厚度和摻雜濃度分別為0.Ιμπι?0.3μπι和I X 117?5 X 11Vcm3;P型GaN層5厚度和摻雜濃度分別為1nm?30nm和117?11Vcm3;柵電極3為利用電子束蒸發(fā)淀積的Au(10nm)或者Ni和Au(20nm和10nm);鈍化層2為ICP-CVD技術(shù)生長的Si3N4(200nm);漏端電極4和源端電極I是電子束蒸發(fā)分別淀積的N1、Au、Ni^PAu(50nm、20nm、20nn^P20nm)；電極9、電極10和電極11分別為源端電極、柵電極和漏端電極的測(cè)試端，利用電子束蒸發(fā)生長的金屬層Cr和Au。
[0007]纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN基材料具有較強(qiáng)的壓電極化與自發(fā)極化，這種材料體系隨著其組分的變化，材料性能有很大的變化，經(jīng)過計(jì)算在經(jīng)過Mg摻雜GaN和Al GaN異質(zhì)結(jié)界面處二維空穴氣(簡稱2DHG)的濃度的量級(jí)為1013/cm2。本發(fā)明就是利用加在柵電極3上的電壓來調(diào)制GaN和AlGaN異質(zhì)結(jié)處濃度的變化，進(jìn)而使得p_FET器件源、漏端電極的電流隨著其電壓的變化而變化，并達(dá)到飽和。
[0008]本專利的目的就是提供該GaN基p-FET器件:
[0009]⑴基于泊松方程和薛定諤方程自洽求解，結(jié)合GaN基材料的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，模擬計(jì)算得到P型GaN和P型AlGaN異質(zhì)結(jié)處材料的能帶結(jié)構(gòu)和2DHG的濃度；
[0010]⑵在藍(lán)寶石襯底上外延生長P-AlGaN層和P-GaN層；
[0011]⑶源和漏端電極采用電子束蒸發(fā)淀積的方法依次生長的N1、Au、Ni和Au作為兩端電極；
[0012]⑷采用電子束蒸發(fā)淀積的方法生長的Au作為柵電極；
[0013](5)器件之間的隔離是采用ICP刻蝕的方法，把器件與器件之間的材料刻蝕至藍(lán)寶石襯底；
[0014](6)ICP_CVD技術(shù)生長鈍化層和絕緣層等。
[0015]但是鑒于本發(fā)明是紫外領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，在器件設(shè)計(jì)與制備工藝方面的特點(diǎn):
[0016](I)本專利的p-FET器件的柵長為2μπι，用ICP刻蝕的方法去掉鈍化層，精確控制柵電極區(qū)的長和寬；
[0017](2)本專利所采用的多層外延材料具有漸變的材料組分，有利于提高GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)的材料質(zhì)量；
[0018]本專利的優(yōu)點(diǎn):
[0019]I本專利采用的外延材料結(jié)構(gòu)與制備PIN結(jié)構(gòu)的日盲紫外探測(cè)器所用的材料結(jié)構(gòu)一致，且制備工藝兼容，方便兩種器件之間的集成。
[0020]2本專利的器件是用P型GaN和P型AlGaN之間的高濃度2DHG，提高P型場(chǎng)效應(yīng)管的性能，可以作為高頻、高壓、高功率放大器件使用。
[0021]3本專利的器件可以與GaN基η型HEMT器件集成應(yīng)用，促進(jìn)GaN基電子電路的發(fā)展。
【附圖說明】
[0022]圖1本專利的GaN基p-FET器件的P型GaN和P型AlGaN異質(zhì)結(jié)處2DHG濃度隨柵壓的變化曲線。
[0023]圖2本專利的GaN基p-FET器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖3本專利的GaN基p-FET器件的俯視圖。
[0025 ]圖4本專利的GaN基p-FET器件的漏極電流電壓特性曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合說明書附圖，采用MOCVD技術(shù)生長的具有p型GaN和p型AlGaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的GaN基外延材料，以制備柵長為2μπι的p-FET器件為例，對(duì)本專利以及制備方法做詳細(xì)說明:
[0027]1.利用泊松方程和薛定諤方程自洽求解，得到具有GaN(10nm?30nm)和AlGaN(0.1μπι?0.3μηι)異質(zhì)結(jié)的外延材料的2DHG濃度；
[0028]2.根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)柵長為2μπι的p-FET器件的光刻掩膜版；
[0029]3.對(duì)利用MOCVD生長的具有圖1結(jié)構(gòu)的材料測(cè)試透射譜以及材料表面的電學(xué)性能，根據(jù)測(cè)試結(jié)果選擇高質(zhì)量的基體外延材料，要求在透過區(qū)內(nèi)透射率大導(dǎo)電性能好；
[°03°] 4.三氯乙稀、乙醚、丙酮、乙醇超聲清洗外延片，每步需時(shí)約5min;
[0031]5.鹽酸溶液浸泡外延材料大約10?15分鐘，以去除表面的氧化物，再用氮等離子體對(duì)樣品進(jìn)行表面處理，然后利用電子束蒸發(fā)制備源、漏端電極，其中金屬種類依次為:N1、八11、祖和411，厚度分別為50011111、20011111、20011111和20011111;
[0032]6.刻蝕隔離，利用ICP技術(shù)刻蝕，刻蝕條件依次為Ar (3sccm)、Cl2 (3sccm)和BCl3(24sccm)，刻蝕功率為350W，偏置電壓為24V。
[0033]7.利用ICP-CVD技術(shù)生長200nm Si3N4作為源、柵電極和源、漏電極之間的鈍化層，以及不同的器件之間的隔離層。
[0034]8.正膠(厚膠)作為刻蝕掩膜，利用ICP刻蝕柵電極位置的Si3N4,刻蝕后把樣品放置在 HF: NH4F: H2O = 3:6:9 的混合液中 3s ；
[0035]9.電子束蒸發(fā)生長10nm金屬Au作為柵電極，利用丙酮對(duì)淀積后的電極進(jìn)行處理。
[0036]10.電子束濺射在源端電極、漏端電極和柵極的測(cè)試位置生長Cr和Au(厚度為20nm和300nm)，生長前用空氣等離子體處理樣品8min。
[0037]11.生長完成后，在丙酮中浸泡樣品lOmin，去掉其余部分的光刻膠和金屬，乙醇清洗，氮?dú)獯蹈?，得到具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的GaN基P型場(chǎng)效應(yīng)管，如圖3所示。
[0038]按上述制備方式，成功制備了三種器件。其中，I號(hào):P型GaN厚度為10nm，摻雜濃度為11 Vcm3;厚度為0.1ym，摻雜濃度為11 Vcm3; 2號(hào):p型GaN厚度為20nm，摻雜濃度為5 X 11Vcm3 ； P型AlGaN厚度為0.2μπι，摻雜濃度為1017/cm3; 3號(hào):p型GaN厚度為30nm，摻雜濃度為1018/cm3;p型AlGaN厚度為0.3μπι，摻雜濃度為5X1017/cm3。把樣品放置在cascade探針臺(tái)的載物臺(tái)上，探針連接到要測(cè)試的電極端，然后，利用安捷倫bl500a測(cè)試器件的電學(xué)性能。經(jīng)測(cè)試，在不同的柵壓下，三個(gè)器件的源、漏端的電壓-電流特性相似，如圖4所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的GaN基P型場(chǎng)效應(yīng)管，其特征在于:所述場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)為:在具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的多層外延材料上通過電子束蒸發(fā)制備源端電極(I)、漏端電極(4)和柵電極(3)，從而得到利用空穴導(dǎo)電的場(chǎng)效應(yīng)管器件;場(chǎng)效應(yīng)管襯底為Al2O3襯底(8)，多層外延材料為在AlGaN材料(7)上依次外延生長的P型AlGaN(6)和P型GaN(5)，其中:P型GaN層的厚度為1nm?30nm; P型AlGaN層的厚度為0.Iym?0.3ym。
【專利摘要】本專利公開了一種具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的GaN基p型場(chǎng)效應(yīng)管，以具有p型AlGaN材料以及p型GaN材料的多層材料為基體材料。利用電子束蒸發(fā)依次生長Ni、Au、Ni和Au形成多層金屬，作為器件的源端電極和漏端電極。為了精確控制柵長為2μm的區(qū)域，利用ICP刻蝕鈍化層，然后用電子束蒸發(fā)生長的單層金屬Au作為器件的柵電極。本專利的優(yōu)點(diǎn)在于：利用p型GaN與p型AlGaN形成異質(zhì)結(jié)處高濃度的二維空穴氣，提高p型器件的電學(xué)性能；所用的外延材料以及工藝與制備日盲紫外器件兼容，為制備有源紫外器件打下了技術(shù)基礎(chǔ)。
【IPC分類】H01L21/335, H01L21/28, H01L29/778, H01L29/205, H01L29/423
【公開號(hào)】CN205376534
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201620028540
【發(fā)明人】薛世偉, 王玲, 李曉娟, 王繼強(qiáng), 謝晶, 張燕, 劉詩嘉, 李向陽
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開日】2016年7月6日
【申請(qǐng)日】2016年1月13日