專利名稱：一種增強型AlGaN/GaN場效應管及其制作方法
技術領域：
本發明涉及GaN基微波及功率器件領域，尤其涉及一種增強型AlGaN/GaN 場效應管及其制作方法。
背景技術：
GaN基材料同傳統的III-V族半導體材料相比，具有鍵長更短和禁帶寬度更 大等明顯特征。較短的鍵長意味著大的鍵能和小的原子質量，從而導致大的聲 子能量，并且晶格散射很難發生，這樣在宏觀上會形成很高的熱導率和飽和遷 移率。大的禁帶寬度使得擊穿電場更高，雪崩效應難以發生。同時，減少了高 溫下本征載流子以及漏電流的產生。當AlGaN與GaN形成異質結時，由于兩種 氮化物均具有很強的自發極化，以及AlGaN層中存在的壓電極化，很容易在界 面上形成極強的極化電荷，并產生高達107cm2的二維電子氣(2DEG)。這比GaAs 基材料形成的二維電子氣面密度高了一個數量級。GaN基材料的這些性質非常適 合于制作高溫、高頻、大功率器件。然而，AlG認/GaN異質結中極化場產生的高 濃度的二維電子氣，導致了場效應管中導電溝道很難被Schottky接觸形成的耗 盡區阻斷，所以要形成增強型的器件十分困難。近年來，關于GaN基場效應管 的研究方興未艾，己有少數實現增強型場效應管的報道。
增強型場效應管是指閾值電壓大于0伏的晶體管器件。主要用于數字邏輯 電路、功率開關器件和高頻器件等。GaN基增強型場效應管的出現，有望彌補當 前Si基和GaAs基增強型器件在高溫、大功率以及抗輻射等方面的缺點，因此 具有廣泛的應用前景。當前制作GaN基增強型場效應管，主要采用異質結的方 式，即AlGaN/G認HFET的方式來實現。以下是實現途徑的實例
用AlGaN/GaN異質結的方式實現增強型HFET必須設法耗盡導電溝道，使得柵極電壓為0伏時器件處于常關態。目前主要的方法有凹柵結構(Gate recessing)、薄勢壘層結構(Thin barrier layer)、柵極氟化物等離子體注入 (Gate fluoride-based plasma treatment)、柵極下生長InGaN層、柵極下生 長P型AlGaN層(或P型的GaN層)等。
凹柵結構由美國伊利諾伊大學的Kumar等人在2001年提出。 一般過程為， 在藍寶石襯底上，用MOCVD的方法依次生長一層A1N緩沖層， 一層非摻雜的GaN， 以及一層非摻雜AlGaN。然后通過等離子刻蝕的方法形成柵極的凹槽，并蒸鍍獲 得柵極，柵極下的AlGaN層厚度為10nm左右。最后用剝離的方法得到歐姆接觸 的源極和漏極。由于柵極下的AlGaN層很薄， 一方面在異質結界面的二維電子 氣濃度會大大降低，同時勢阱對二維電子氣的限制能力也減弱；另一方面柵極 產生的耗盡區也更容易耗盡柵極下的二維電子氣導電溝道。柵極下AlGaN越薄， 開啟電壓越大。使用該方法，伊利諾伊大學的Lanford等人制作出了閾值電壓 為0. 35V，最大漏極電流密度為505mA/mm，最大跨導為345mS/mm的增強型HEMT。 參見文獻W. B. Lanford， et al. ， " Recessed-gate enhancement-mode GaN HEMT with high threshold voltage", Electron. Lett. ， vol. 41， no. 7, 2005。 日 本東芝研發中心的Saito等人也用這種方法制作閾值電壓超過IV的增強型 HEMT。 參見文獻Wataru Saito， et al. ， " Recessed-Gate Structure Approach Toward Normally Off High-Voltage AlGaN/GaN HEMT for Power Electronics Applications", IEEE Trans. Electron Devices, vol. 53， no. 2, pp. 356 - 362， 2006。
薄勢壘層結構，是指在本征GaN上直接生長一層厚度為lOrnn左右的AlGaN 層、沒有在AlGaN層上通過刻蝕方法形成凹柵結構這一步驟。其基本過程是， 在藍寶石襯底上用MOCVD方法生長一層本征GaN，接著生長一層厚度為10nm左 右的AlGaN層，再形成源、漏極歐姆接觸以及柵極的肖特基接觸。同樣，由于 柵極下的AlGaN層很薄，形成增強型場效應管的原理與凹柵結構相同。日本富 士通公司的END0H等人用這種方法制得閾值電壓大于1. 6V，最大漏極電流密度 為0. 4A/腿，最大跨導為85mS/irai的增強型HEMT。參見文獻AkiraEND0H, etal., 〃 Non_Recessed_Gate Enhancement-Mode AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors with High RF Performance", J". Appl. Phys. jpn， vol. 43， no. 4B， pp. 2255-2258， 2004。
柵極氟化物等離子體注入的方法是在柵電極沉積前，往柵極下的AlGaN 勢壘層離子體注入CF4并通過適當的溫度退火恢復，從而在柵極下聚集負電荷。 形成的負電荷區對異質結界面處的二維電子氣起排斥作用，減小了二維電子氣 的濃度，抑制了導電溝道的形成，成為增強型的場效應管。香港科技大學的Cai 等人用這個方法，制作的增強型HFET的閾值電壓為0.9V,最大漏極電流密度為 0. 31A/mm，最大跨導為148mS/mm。參見文獻Yong Cai， et al. ， 〃 High-Performance Enhancement-Mode AlGaN/GaN HEMTs Using Fluoride-Based Plasma Treatment", IEEE Trans. Electron Devices, vol.26， no.7， pp.435 -437， 2005。
柵極下生長一層InGaN層的方法，主要是通過InGaN內部極化電場來影響 AlGaN/GaN異質結，使得導帶偏移增大，勢壘增高，不易在AlGaN/GaN異質結界 面形成二維電子氣。日本名古屋大學的Mizutani等人用這個方法制作出閾值電 壓為0.4V，最大跨導為85mS/腿的增強型HEMT。參見文獻T. Mizutani, et al.，"AlGaN/GaN HEMTs With Thin InGaN Cap Layer for Normally Off Operation", IEEE Trans. Electron Devices, vol. 28， no. 7， pp. 549 - 551, 2007。
在柵極下的本征AlGaN層上生長一層P型的AlGaN層(或P型的GaN層)， 當柵極電壓為0時，由于P型AlGaN層(或P型的GaN層)和GaN層(本征生 長的GaN為弱N型)構成的PN結產生耗盡層的作用，從而形成GaN基增強型場 效應管。美國南卡羅萊納州大學的Hu等人用AlGaN層上生長一層P型G認層的 方法制作出了閾值電壓、最大漏極電流密度、以及最大跨導分別約為2.5V、 400mA/mm、 150mS/mm的增強型HFET。參見文獻X. Hu, et al. ， "Enhancement mode AlGaN/ GaN HFET with selectively grown pn junction gate〃， Electron. Lett.， vol. 36， no. 8， pp. 753 - 754， 2000。以上綜述了當前實現GaN基增強型場效應管的主要方法。作為主流技術的 凹柵結構和柵極氟化物等離子體注入，由于等離子刻蝕和注入方法的使用，不 可避免會造成材料的損傷，從而劣化器件的工作性能和可靠性。而其他實現方 式，也存在各自的缺點。如釆用薄勢壘層結構時，形成器件的跨導遠比凹柵結 構小。因此在器件工藝上需要進一步的探索，以期得到閾值電壓大、漏極電流 密度高、跨導高的器件。

發明內容
針對現有技術的缺點，本發明的目的是提供一種不引入等離子刻蝕或者注 入造成的損傷，通過AlGaN層的二次生長來實現的增強型AlGaN/GaN場效應管 及其制作方法。該場效應管及其制作方法工藝簡單，可靠性好，可有獲得較高 的閾值電壓和跨導。
為實現上述目的，本發明的技術方案為 一種增強型AlGaN/GaN場效應管 的制作方法，其包括以下步驟
(1)在襯底上先生長一層緩沖層，并在其上方生長一層GaN外延層；(2) 在GaN外延層上生長第一 AlGaN層，完成第一次材料生長；(3)在第一 AlGaN 層上淀積一層Si02掩蔽膜，通過光刻的方法，保留形成柵極區域之上的Si02掩 蔽膜；(4)在未被掩蔽的第一 AlGaN層上二次生長第二 AlGaN層，完成第二次 材料生長；(5)去除Si02掩蔽膜；(6)在第二 AlGaN層上形成源極和漏極，再
在柵極區域上形成柵極。
步驟(1)中，該襯底為厚度300wm的藍寶石，緩沖層為厚度20nm的A1N， GaN外延層厚度為3 w m，其中，利用MOCVD方法，在溫度為IIO(TC，氫氣和氨
氣作為保護氣下，在襯底上生長該緩沖層。
步驟(2)中，第一AlGaN層的厚度為5 10nm，利用MOCVD方法，保持IIOO 。C的生長溫度，在GaN外延層生長，第一AlGaN層。
步驟(3)中，在第一AlGaN層上，利用PECVD方法在250。C溫度下淀積100nm 厚度的Si02掩蔽膜，然后通過光刻的方法，保留形成柵極區域之上的Si02掩蔽 膜。步驟(4)中，在第一AlGaN層上，在未被掩蔽膜覆蓋的部分，利用二次生 長的方法，用M0CVD在110(TC下生長厚度為15 30nm的第二AlGaN層。
步驟(6)中，通過蒸鍍的方法，在二次生長的第二 AlGaN層上依次形成 Ti/Al/Ni/Au源極和漏極，并合金之后形成歐姆接觸，再在第一AlGaN層上的柵 極區域，蒸鍍形成由Ni/Au構成的柵極，其中源極與漏極分別位于柵極的兩側。
在第二 AlGaN層上蒸鍍有源極的一側繼續采用蒸鍍方法，先形成第二漏極， 再形成第二柵極。
第一AlGaN層及第二AlGaN層的Al組分比范圍為25% 30%。
一種增強型AlGaN/GaN場效應管，由下往上依次包括襯底、緩沖層、GaN外 延層及第一AlGaN層，在第一 AlGaN層的柵極區域上設有柵極，在第一 AlGaN 層除柵極區域的其他部分覆蓋有第二 AlGaN層，第二 AlGaN層上設有源極和漏 極。
該源極和漏極分別位于柵極的兩側，且第二 AlGaN層上的源極一側還設有 第二漏極及第二柵極。
與現有技術相比較，本發明具有以下優點
1、 本發明不采用離子刻蝕方法來精確控制第一AlGaN層的厚度，降低了工 藝的復雜程度，同時也大大減少了凹柵技術中刻蝕對材料造成的損傷，有利于 提高器件的可靠性。
2、 二次生長的第二AlGaN層，彌補了現有技術采用薄勢壘層結構時柵極區 域之外的二維電子氣濃度低的缺點，降低了源漏接入電阻，可以有效的提高器 件的閾值電壓和跨導。
3、 該器件的結構簡單，實施方法簡單可靠，二次生長的第二AlGaN層均勻 性良好，形成的歐姆接觸具有很好的導電特性。


圖1是本發明實施例1提供的增強型AlGaN/GaN HFET的結構示意圖； 圖2是本發明實施例2提供的復合型AlGaN/GaN HFET的結構示意圖； 圖3是本發明實施例1提供的增強型AlGaN/GaN HFET的制造方法示意圖。
8上述圖中，l為襯底，2為緩沖層，3為GaN外延層，4為第一AlGaN層，5 為掩蔽膜，6第二AlGaN層，7和11為柵極，8為源極，9和10為漏極。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。 實施例1
如圖3所示，本發明提供了一種增強型AlGaN/GaN場效應管的制作方法， 其包括以下步驟
步驟l:使用300um厚度的藍寶石(Sapphire)襯底1，利用MOCVD方法， 在溫度為110(TC，氫氣和氨氣作為保護氣下，首先生長一層20nm厚度的AlN緩 沖層2，然后控制生長條件在其上生長3 p m厚度的高阻GaN層3。
步驟2:利用MOCVD方法，保持IIO(TC左右的生長溫度，并控制反應室中 通入的鋁源和鎵源流量，生長5 10nm厚度的AlGaN薄層4，該AlGaN層與GaN 層3構成異質結構，并在界面處形成低濃度的二維電子氣。
步驟3:在5 10nm厚度的AlGaN薄層4上，首先利用PECVD方法在250°C 溫度下淀積lOOmn厚度的SiCy莫，然后通過光刻的方法，保留形成柵極區域之 上的Si02掩蔽膜5。
步驟4:在AlGaN薄層4上，除Si02掩蔽膜5之外的部分，利用二次生長的 方法，用MOCVD在IIOCTC下生長15 30nm厚度的AlGaN層6，
步驟5:利用濕法腐蝕去除Si02掩蔽膜5。
步驟6:通過蒸鍍的方法，在二次生長的AlGaN層上依次形成Ti/Al/Ni/Au 源極8和漏極9，并合金之后形成歐姆接觸。最后，在AlGaN薄層上的柵區位置， 選擇性蒸鍍形成Ni/Au柵極7，最終形成增強型AlGaN/GaN HFET。
步驟1中襯底也可選用碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化鎵(GaN)等材料。 步驟2中AlGaN薄層4和二次生長的AlGaN層6，釆用的Al組分比范圍為
25% 30%，其中優先采用30。/oAl組分比的AlGaN比作為勢壘層，即Al0,3Ga0.7N。
上述過程中，在GaN外延層上生長的5 10nm厚度的第一 AlGaN層，構成AlGaN/G認異質結。由于位于柵極下的第一AlGaN層很薄， 一方面導致異質結界 面的二維電子氣濃度會大大降低，同時勢阱對二維電子氣的限制能力也減弱； 另一方面柵極Schottky產生的耗盡區也更容易耗盡柵極下的二維電子氣導電溝 道，從而形成增強型HFET。該方法從理論上與凹柵結構實現GaN基增強型場效 應管相同。但是，本發明沒有采用凹柵結構通過對AlGaN層進行RIE處理來獲 得10nm左右薄層的方案，而是采用先生長第一AlGaN層，再掩蔽形成柵極的區 域，并在其之外二次生長第二 AlGaN層。這樣， 一方面也避免通過離子刻蝕方 法形成柵極下的耗盡區引起的表面損傷；另一方面提高了柵極區域之外的二維 電子氣濃度，從而降低了源漏接入電阻。
如圖1所示，本實施例還提供了一種增強型AlGaN/GaN場效應管，其由下 往上依次包括襯底l、緩沖層2、 GaN外延層3及第一AlGaN層4，在第一AlGaN 層4的柵極區域上設有柵極7，在第一 AlGaN層4除柵極區域的其他部分覆蓋有 第二 AlGaN層6，第二 AlGaN層6上設有源極8和漏極9。 實施例2
如圖2所示，本實施例采用與實施例1中步驟1至步驟6相同的步驟。然 后，在二次生長的第二AlGaN層6上，繼續采用蒸鍍方法，先形成Ti/Al/Ni/Au 第二漏極10，再形成Ni/Au第二柵極11。這樣，由一次生長的第一 AlGaN層4 上的柵極7與二次生長的第二 AlGaN層6上的源極8和漏極9構成局部的增強 型AlGaN/GaN HFET結構；另外，二次生長的第二 AlGaN層6上由源極8、漏極 10、以及柵極11構成局部的耗盡型AlGaN/GaN HFET結構，從而形成增強型和 耗盡型同時存在的復合型AlGaN/GaN HFET結構。
權利要求
1、一種增強型AlGaN/GaN場效應管的制作方法，其包括以下步驟(1)在襯底(1)上先生長一層緩沖層(2)，并在其上方生長一層GaN外延層(3)；(2)在GaN外延層(3)上生長第一AlGaN層(4)；(3)在第一AlGaN層(4)上淀積一掩蔽膜(5)，通過光刻的方法，保留形成柵極區域之上的掩蔽膜(5)；(4)在未被掩蔽的第一AlGaN層(4)上二次生長第二AlGaN層(6)；(5)去除掩蔽膜(5)；(6)在第二AlGaN層(6)上形成源極(8)和漏極(9)，再在柵極區域上形成柵極(7)。
2、 根據權利要求1所述的制作方法，其特征在于步驟(1)中，該襯底 (1)為厚度300um的藍寶石，緩沖層(2)為厚度20nm的AlN， GaN外延層(3)厚度為3um，其中，利用MOCVD方法，在溫度為IIO(TC，氫氣和氨氣作為保護 氣下，在襯底(1)上生長該緩沖層(2)。
3、 根據權利要求2所述的制作方法，其特征在于步驟(2)中，第一AlGaN 層(4)的厚度為5 10nm，利用MOCVD方法，保持1100。C的生長溫度，在GaN 外延層(3)生長，第一AlGaN層(4)。
4、 根據權利要求3所述的制作方法，其特征在于步驟(3)中，在第一 AlGaN層(4)上，利用PECVD方法在250。C溫度下淀積100nm厚度的Si02掩蔽 膜(5)，然后通過光刻的方法，保留形成柵極區域之上的Si02掩蔽膜(5)。
5、 根據權利要求4所述的制作方法，其特征在于步驟(4)中，在第一 AlGaN層(4)上，在未被掩蔽膜(5)覆蓋的部分，利用二次生長的方法，用 MOCVD在1100。C下生長厚度為15 30nm的第二AlGaN層(6)。
6、 根據權利要求5所述的制作方法，其特征在于步驟(6)中，通過蒸 鍍的方法，在二次生長的第二A1G認層(6)上依次形成Ti/Al/Ni/Au源極(8)和漏極(9),并合金之后形成歐姆接觸，再在第一AlGaN層(4)上的柵極區域， 蒸鍍形成由Ni/Au構成的柵極(7)，其中源極(8)與漏極(9)分別位于柵極 (7)的兩側。
7、 根據權利要求6所述的制作方法，其特征在于在第二 AlGaN層(6) 上蒸鍍有源極(8)的一側繼續采用蒸鍍方法，先形成第二漏極(10)，再形成 第二柵極(11)。
8、 根據權利要求1至7任一項所述的制作方法，其特征在于第一AlGaN 層(4)及第二AlGaN層(6)的Al組分比范圍為25% 30%。
9、 一種增強型AlGaN/GaN場效應管，其特征在于由下往上依次包括襯底(1 )、 緩沖層(2)、 GaN外延層(3)及第一AlGaN層(4)，在第一AlGaN層(4)的柵 極區域上設有柵極(7)，在第一AlGaN層(4)除柵極區域的其他部分覆蓋有第 二AlGaN層(6)，第二AlGaN層(6)上設有源極(8)和漏極(9)。
10、 根據權利要求9所述的場效應管，其特征在于該源極(8)和漏極(9) 分別位于柵極(7)的兩側，且第二AlGaN層(6)上的源極(8) —側還設有第 二漏極(10)及第二柵極(11)。
全文摘要
本發明涉及一種增強型AlGaN/GaN場效應管的制作方法，即采用二次生長AlGaN層來制作增強型AlGaN/GaN HFET的方法，其包括以下步驟(1)在襯底上先生長一層緩沖層，并在其上方生長一層GaN外延層；(2)在GaN外延層上生長第一AlGaN層，完成第一次材料生長；(3)在第一AlGaN層上淀積一層SiO₂掩蔽膜，通過光刻的方法，保留形成柵極區域之上的SiO₂掩蔽膜；(4)在未被掩蔽的第一AlGaN層上二次生長第二AlGaN層，完成第二次材料生長；(5)去除SiO₂掩蔽膜；(6)在第二AlGaN層上形成源極和漏極，再在柵極區域上形成柵極。另外，本發明還公開了一種增強型AlGaN/GaN場效應管。本發明工藝簡單，可靠性好，可以獲得較高的閾值電壓和跨導。
文檔編號H01L21/02GK101477951SQ20091003661
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月13日 優先權日2009年1月13日
發明者揚 劉, 張佰君, 文于華, 灝 江, 鋼 王 申請人:中山大學