一种基于横向沟道调制的增强型场效应晶体管及其制作方法技术

本发明专利技术提供了一种基于横向沟道调制的GaN基增强型场效应晶体管，主要解决现有同类器件由隧穿引起的漏电和阈值电压不足的问题。其自下而上包括衬底、AlN成核层、GaN缓冲层和AlGaN势垒层，AlGaN势垒层的两端设有源电极和漏电极，源电极和漏电极上设有金属互联层，AlGaN势垒层和GaN缓冲层上均设有多条隔开的纳米线沟道，AlGaN势垒层上设有凹槽和垂直于纳米线沟道的凹槽栅电极，凹槽栅电极以外的区域为钝化层，该SiN钝化层与凹槽栅电极之上设有SiN保护层，凹槽与凹槽栅电极之间设有HfO2介质层。本发明专利技术极大地减小了漏电，提高了GaN基器件的增强效果，可用于微波、毫米波通讯系统以及雷达系统的基本器件。

【技术实现步骤摘要】
一种基于横向沟道调制的增强型场效应晶体管及其制作方法
本专利技术属于半导体器件
，特别涉及一种基于横向沟道调制的增强型场效应晶体管，可作为微波、毫米波通讯系统以及雷达系统的基本器件。
技术介绍
宽禁带半导体材料氮化稼以其良好的物理化学和电学性能成为继第一代元素半导体硅和第二代化合物半导体砷化嫁、磷化嫁、磷化锢等之后迅速发展起来的第三代半导体材料。与目前绝大多数的半导体材料相比,具有大的直接带隙能、高的饱和漂移速度、大的导带不连续性、良好的热稳定性以及强的自发和压电极化效应，预示了它在高温、高频、大功率等电子领域具有极大的应用潜力。其中,器件在微波大功率和高温应用方面均具有明显的优势。在宽带隙半导体半导体材料中,材料不但本身具有优良的材料特性,更重要的是它还可以形成调制掺杂的AlGaN/GaN结构,该结构在室温下可获得很高的电子迁移率,极高的峰值电子速度和饱和电子速度并可以获得比第二代化合物半导体异质结器件AlGaAs/GaAs更高的二维电子气浓度扩散。所以,基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管HEMT在大功率微波器件方面有非常好的应用前景。AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管在高温器件及大功率微波器件方面己显示出了得天独厚的优势,追求器件高频率、高压、高功率吸引了众多的研究。HEMT器件按照零栅压时器件的工作状态,可分为耗尽型和增强型两大类。栅压为零时已存在导电沟道的器件,称为耗尽型器件。相反只有当施加一定的正向栅压才能形成导电沟道的器件,称为增强型器件。增强型器件在高速低功耗电路中有很大的使用用途。GaN与AlGaN可以形成异质结，在异质结处形成量子阱，量子阱中的电子成为沿异质结可以自由运动而垂直于界面的运动受到限制的二维电子气。由于二维电子气波函数和施主杂质波函数空间上的分离，减小了电离杂质散射，所以二维电子气的迁移率很高。并且GaN材料的相对介电常数比Si和GaAs的相对介电常数小，在相同的工作电压下，其结电容较小，再加上异质结中高的电子浓度，以及高的电子迁移率，其非常适合于高频器件的应用。但也正是由于高的二维电子气浓度，传统的GaN基HEMT器件很难实现增强型，不能满足高速、高频和低功耗模数混合集成电路的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于横向沟道调制的GaN基场效应晶体管增强型器件及其制作方法，以降低由隧穿引起的漏电流以增大器件的阈值电压，提高GaN基器件的增强效果。实现本专利技术目的技术关键是:在凹槽与栅极之间插入介质层，用以在保持栅极电容的同时，确保介质层有足够的物理厚度来限制隧穿效应的影响，同时增大器件的阈值电压，提高GaN基器件的增强效果。为实现上述目的本专利技术的一种基于横向沟道调制的GaN基增强型场效应晶体管，自下而上包括衬底、AlN成核层、GaN缓冲层和AlGaN势垒层，AlGaN势垒层的两端设有源电极和漏电极，源电极和漏电极上设有金属互联层，AlGaN势垒层和GaN缓冲层上均设有多条纳米线沟道，沟道之间通过隔离区隔开，AlGaN势垒层上设有凹槽和凹槽栅电极，该凹槽栅电极垂直于纳米线沟道，其特征在于：凹槽与凹槽栅电极之间设有HfO2介质层。为实现上述目的本专利技术的制作一种基于横向沟道调制的GaN基增强型场效应晶体管的方法，包括：1)获取含有衬底、AlN成核层、GaN缓冲层和AlGaN势垒层的外延基片，并在其GaN缓冲层上制作源电极和漏电极；2)在AlGaN势垒层上光刻出器件之间有源区的电隔离域，并利用感应耦合等离子体刻蚀ICP工艺或离子注入制作器件的电隔离区域；3)在AlGaN势垒层表面，用电子束光刻机光刻源极与漏极之间的有源区，形成由条状隔离区图形和条状纳米线沟道图形按周期性排列的图案；4)利用感应耦合等离子刻蚀利用感应耦合等离子刻蚀ICP工艺，把隔离区条状图形中的二维电子气沟道刻断，形成一条周期排列的纳米线沟道；5)在源极、漏极和有源区的AlGaN势垒层上，利用等离子体增强化学气相沉积PECVD工艺生长SiN钝化层；6)在SiN钝化层上光刻将要制作槽栅的区域，并采用ICP工艺，使用CF4气体对该区域内的SiN钝化层进行刻蚀；7)在刻蚀掉的SiN钝化层的区域，采用ICP方法使用Cl2气将AlGaN势垒层刻蚀5nm～15nm，形成凹槽；8)采用ICP工艺，使用氧等离子体对AlGaN势垒层进行氧化，9)在凹槽上利用溅射工艺淀积介质层HfO2；10)在凹槽介质层上利用电子束蒸发工艺制作栅极；11)在栅电极和栅电极区域以外的SiN钝化层上，利用PECVD工艺生SiN保护层；12)在SiN保护层上光刻金属互联开孔区，并利用ICP工艺依次刻蚀掉互联开孔区的SiN保护层和SiN钝化层；13)在金属互联开孔区和未开孔区光刻金属互联区域，并利用电子束蒸发工艺制作互联金属，引出源电极和漏电极，完成器件制作。本专利技术由于在凹槽与栅极之间插入介质层，可在保持栅极电容的同时，确保介质层有足够的物理厚度来限制隧穿效应的影响，同时增大了器件的阈值电压，提高了GaN基器件的增强效果。附图说明图1是本专利技术器件的垂直分层结构图；图2是图1中AlGaN势垒层与GaN缓冲层上的纳米线沟道周期分布图；图3是图1的侧面剖视图；图4是制作本专利技术器件的工艺流程图。具体实施方案以下参照附图对本专利技术做详细描述。参照图1、图2和图3，本专利技术器件包括:衬底1、AlN成核层2、GaN缓冲层3、AlGaN势垒层4，源电极5、漏电极6、SiN钝化层7、HfO2介质层8、凹槽栅电极9、SiN保护层10、金属互联层11、纳米线沟道12、沟道隔离区13和凹槽14。其中衬底1采用SiC或蓝宝石或Si，其厚度为400μm～500μm；AlN成核层2的厚度为180nm，GaN缓冲层3的厚度为1.3μm～2μm，该AlN成核层2和GaN缓冲层3外延在衬底1上，作为器件的工作区；AlGaN势垒层4的厚度为22nm～27nm，铝组分为22％～30％，其淀积在GaN缓冲层3上；多条纳米线沟道12宽度为50nm～120nm，其设在AlGaN势垒层和GaN缓冲层上，沟道之间通过宽度为100nm，深度为60nm～100nm隔离区13隔开；源电极5与漏电极6设置在AlGaN势垒层的两端，两者之间的间距为2μm，源电极5与凹槽栅电极9的间距为0.5μm，金属互联层11设在该源电极和漏电极上；凹槽14深度为5nm～15nm设在AlGaN势垒层上；HfO2介质层8的厚度为20nm，其设置在凹槽14与凹槽栅电极9之间；凹槽栅电极9的长度为0.25μm，其采用T型结构，该T型结构的横条栅位于SiN保护层10的下部，竖条栅电极被HfO2介质层8包裹；钝化层7厚度为60nm，其钝化在凹槽栅电极以外；SiN保护层10的厚度为200nm，其设在SiN钝化层7与凹槽栅电极9之上。参照图4，本专利技术制作基于横向沟道调制的GaN基增强型场效应晶体管的工艺流程，按照不同的有源区电隔离工艺、不同的纳米线沟道宽度和深度、不同氧等离子体氧化工艺，给出如下三种实施例：本专利技术是在现有的外延基片上制作基于横向沟道调制的GaN基增强型器件，现有外延基片有不同的衬底，其上包括AlN成核层、GaN缓冲层和AlGaN势垒层。实施例一，在SiC衬底的外延基片本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于横向沟道调制的GaN基增强型场效应晶体管，自下而上包括衬底(1)、AlN成核层(2)、GaN缓冲层(3)和AlGaN势垒层(4)，AlGaN势垒层(4)的两端设有源电极(5)和漏电极(6)，源电极和漏电极上设有金属互联层(11)，AlGaN势垒层和GaN缓冲层上均设有多条纳米线沟道(12)，沟道之间通过隔离区(13)隔开，AlGaN势垒层上设有凹槽(14)和凹槽栅电极(9)，该凹槽栅电极垂直于纳米线沟道，凹槽栅电极以外的区域为钝化层(7)，该SiN钝化层与凹槽栅电极之上设有SiN保护层(10)，其特征在于：凹槽与凹槽栅电极之间设有HfO2介质层(8)。

【技术特征摘要】
1.一种基于横向沟道调制的GaN基增强型场效应晶体管，自下而上包括衬底(1)、AlN成核层(2)、GaN缓冲层(3)和AlGaN势垒层(4)，AlGaN势垒层(4)的两端设有源电极(5)和漏电极(6)，源电极和漏电极上设有金属互联层(11)，AlGaN势垒层和GaN缓冲层上均设有多条纳米线沟道(12)，沟道之间通过隔离区(13)隔开，AlGaN势垒层上设有凹槽(14)和凹槽栅电极(9)，该凹槽栅电极垂直于纳米线沟道，凹槽栅电极以外的区域为钝化层(7)，该SiN钝化层与凹槽栅电极之上设有SiN保护层(10)，其特征在于：凹槽与凹槽栅电极之间设有HfO2介质层(8)。2.根据权利要求1所述的基于横向沟道调制的GaN基增强型场效应晶体管，其特征在于：HfO2介质层(8)包裹在AlGaN势垒层(4)的纳米线沟道(12)外部。3.根据权利要求1所述的基于横向沟道调制的GaN基增强型场效应晶体管，其特征在于：凹槽栅电极(9)采用T型结构，该T型结构的横条栅位于SiN保护层(10)的下部，凹槽栅电极下是HfO2介质层(8)。4.根据权利要求1所述的基于横向沟道调制的GaN基增强型场效应晶体管，其特征在于：衬底(1)的厚度为400μm～500μm；AlN成核层(2)的厚度为180nm；GaN缓冲层(3)的厚度为1.3μm～2μm，AlGaN势垒层(4)的厚度为22nm～27nm，铝组分为22％～30％；纳米线沟道(12)的宽度为50nm～120nm；沟道隔离区(13)的宽度为100nm，深度为60nm～100nm；SiN钝化层(7)的厚度为60nm；SiN保护层(10)的厚度为200nm；HfO2介质层(8)厚度为20nm，凹槽栅电极(9)的长度为0.25μm。5.根据权利要求(1)所述的基于横向沟道调制的GaN基增强型场效应晶体管，其特征在于：源电极(5)与漏电极(6)之间的间距为2μm；源电极(5)与凹槽栅电极(9)的间距为0.5μm。6.根据权利要求1所述的基于横向沟道调制的GaN基增强型场效应晶体管，其特征在于：衬底(1)采用SiC或蓝宝石或Si。7.一种氧离子处理凹槽栅的基于横向沟道调制的GaN基增强型器件的制备方法,包括如下步骤：1)获取含有衬底、AlN成核层、GaN缓冲层和AlGaN势垒层的外延基片，并在其GaN缓冲层上制...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓华，张濛，王语晨，杨凌，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61