具有异质结结构的GaN基p型场效应管及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有异质结结构的GaN基p型场效应管及制备方法，以具有p型AlGaN材料以及p型GaN材料的多层材料为基体材料。利用电子束蒸发依次生长Ni、Au、Ni和Au形成多层金属，作为器件的源端电极和漏端电极。为了精确控制栅长为2μm的区域，利用ICP刻蚀钝化层，然后用电子束蒸发生长的单层金属Au作为器件的栅电极。本发明专利技术的优点在于：利用p型GaN与p型AlGaN形成异质结处高浓度的二维空穴气，提高p型器件的电学性能；所用的外延材料以及工艺与制备日盲紫外器件兼容，为制备有源紫外器件打下了技术基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术有关GaN基半导体器件领域，具体是指在具有GaN与AlGaN异质结结构的材料上设计与制备p型GaN场效应管(文中用p-FET符号表示)。
技术介绍
GaN基材料因其可变的带宽(从3.4eV连续变化到6.2eV)、稳定的物理和化学性能，能够制备出响应波长处于365nm变化到200nm的本征型紫外探测器，器件响应波长恰好覆盖200～280nm波段的紫外光(太阳盲紫外或日盲紫外—波长在280nm以下的太阳辐射紫外线几乎不能到达地球表面)。紫外传感器阵列(特别是凝视型焦平面阵列)能够应用于成像系统，准确地判断目标，随着紫外技术的发展，成像系统对焦平面器件规模化要求越来越高(从最初的单元器件到320×256)，因此，焦平面器件性能与规模成了人们的关注焦点。但是，目前来看，紫外焦平面器件的光敏元与外界电路之间是靠基于CMOS工艺的读出电路相连,因此读出电路性能至关重要，影响着整个紫外探测器性能的发挥。但是，随着器件规模的增加，器件的光敏元在减小，较小的光敏元尺寸给读出电路的性能也提出了新要求。借鉴Si成像器件的发展情况，如CMOS成像器件具有它自身的优点，光线接收器与光信号读出的电子器件在同一片材料上。这也就为解决紫外焦平面器件与Si读出电路之间的矛盾提供了一个很好的解决途径。另一方面，紫外探测器的发展仅是被誉为“后硅器件时代”主要代表的GaN基宽禁带材料发展的一个方向。GaN基材料还具有热导率高，电子漂移速度大，耐放射性辐照、耐高压等优点，特别适用于制备超高功率、高温、高频的电子器件，如HEMT、FET器件。这些电子器件相应的也具有这些优良的性能，常被应用在高电压、高频等特殊的系统和环境下，不仅可以减小系统中电子器件的个数，降低整个系统中电子电路的复杂性和系统的体积，还可以提高系统的稳定性和可靠性，减低成本。本专利技术所提及的GaN基p-GaN场效应管是在具有异质结的材料上制备的电子器件，既能够解决日盲紫外焦平面探测器制备及应用过程中出现信号太小难以读出难题，克服采用传统CMOS工艺所带来的问题，促进紫外探测器(特别是焦平面阵列器件)的实用及产业化，又能够促进GaN材料电子器件技术的发展。
技术实现思路
本专利技术提及一种p-GaNFET器件设计及其制备方法，即可解决日盲紫外焦平面探测器制备及应用过程中出现的信号太小难以读出难题及技术瓶颈，又能够促进GaN材料电子器件技术的发展。本专利技术所叙述的p-GaNFET器件，以具有GaN/AlGaN异质结结构的外延材料为基础，包括源端电极、漏端电极和栅电极，外延材料的结构、器件的结构如说明书附图2所示，器件材料结构总共为5层，衬底8为双面抛光的蓝宝石，多层AlGaN材料7的厚度为0.1um～0.2um，能够降低外延材料的缺陷密度，提高外延材料的质量；p型AlGaN层6的厚度和掺杂浓度分别为0.1um～0.3um和1×1017～5×1017/cm3；p型GaN层5厚度和掺杂浓度分别为10nm～30nm和1017～1018/cm3；栅电极3为利用电子束蒸发淀积的Au(100nm)或者Ni和Au(20nm和100nm)；钝化层2为ICP-CVD技术生长的Si3N4(200nm)；漏端电极4和源端电极1是电子束蒸发分别淀积的Ni、Au、Ni和Au(50nm、20nm、20nm和20nm)；电极9、电极10和电极11分别为源端电极、栅电极和漏端电极的测试端，利用电子束蒸发生长的金属层Cr和Au。纤锌矿结构的GaN基材料具有较强的压电极化与自发极化，这种材料体系随着其组分的变化，材料性能有很大的变化，经过计算在经过Mg掺杂GaN和AlGaN异质结界面处二维空穴气(简称2DHG)的浓度的量级为1013/cm2。本专利技术就是利用加在栅电极3上的电压来调制GaN和AlGaN异质结处浓度的变化，进而使得p-FET器件源、漏端电极的电流随着其电压的变化而变化，并达到饱和。本专利技术的目的就是提供该GaN基p-FET器件的设计与制备方法：⑴基于泊松方程和薛定谔方程自洽求解，结合GaN基材料的自发极化和压电极化效应，模拟计算得到p型GaN和p型AlGaN异质结处材料的能带结构和2DHG的浓度；⑵在蓝宝石衬底上外延生长p-AlGaN层和p-GaN层；⑶源和漏端电极采用电子束蒸发淀积的方法依次生长的Ni、Au、Ni和Au作为两端电极；⑷采用电子束蒸发淀积的方法生长的Au作为栅电极；⑸器件之间的隔离是采用ICP刻蚀的方法，把器件与器件之间的材料刻蚀至蓝宝石衬底；⑹ICP-CVD技术生长钝化层和绝缘层等。但是鉴于本专利技术是紫外领域的一项新技术，在器件设计与制备工艺方面的特点：(1)本专利技术的p-FET器件的栅长为2μm，用ICP刻蚀的方法去掉钝化层，精确控制栅电极区的长和宽；(2)本专利技术所采用的多层外延材料具有渐变的材料组分，有利于提高GaN/AlGaN异质结的材料质量；本专利技术的优点：1本专利技术采用的外延材料结构与制备PIN结构的日盲紫外探测器所用的材料结构一致，且制备工艺兼容，方便两种器件之间的集成。2本专利技术的器件是用p型GaN和p型AlGaN之间的高浓度2DHG，提高p型场效应管的性能，可以作为高频、高压、高功率放大器件使用。3本专利技术的器件可以与GaN基n型HEMT器件集成应用，促进GaN基电子电路的发展。附图说明图1本专利技术的GaN基p-FET器件的p型GaN和p型AlGaN异质结处2DHG浓度随栅压的变化曲线。图2本专利技术的GaN基p-FET器件的结构示意图。图3本专利技术的GaN基p-FET器件的俯视图。图4本专利技术的GaN基p-FET器件的漏极电流电压特性曲线。具体实施方式下面结合说明书附图，采用MOCVD技术生长的具有p型GaN和p型AlGaN异质结结构的GaN基外延材料，以制备栅长为2um的p-FET器件为例，对本专利技术以及制备方法做详细说明：1.利用泊松方程和薛定谔方程自洽求解，得到具有GaN(10nm～30nm)和AlGaN(0.1μm～0.3um)异质结的外延材料的2DHG浓度；2.根据计算结果，设计栅长为2μm的p-FET器件的光刻掩膜版；3.对利用MOCVD生长的具有图1结构的材料测试透射谱以及材料表面的电学性能，根据测试结果选择高质量的基体外延材料，要求在透过区内透射率大导电性能好；4.三氯乙烯、乙醚、丙酮、乙醇超声清洗外延片，每步需时约5min；...

【技术保护点】
一种具有异质结结构的GaN基p型场效应管，其特征在于：所述场效应管的结构为:在具有异质结结构的多层外延材料上通过电子束蒸发制备源端电极(1)、漏端电极(4)和栅电极(3)，从而得到利用空穴导电的场效应管器件；场效应管衬底为Al2O3衬底(8)，多层外延材料为在AlGaN材料(7)上依次外延生长的p型AlGaN(6)和p型GaN(5)，其中：p型GaN层的厚度为10nm～30nm，载流子浓度为1017～1018/cm3；p型AlGaN层的厚度为0.1um～0.3μm，载流子浓度为1×1017～5×1017/cm3。

【技术特征摘要】
1.一种具有异质结结构的GaN基p型场效应管，其特征在于：所述场效
应管的结构为:在具有异质结结构的多层外延材料上通过电子束蒸发制备源
端电极(1)、漏端电极(4)和栅电极(3)，从而得到利用空穴导电的场效应管器件；
场效应管衬底为Al2O3衬底(8)，多层外延材料为在AlGaN材料(7)上依次外
延生长的p型AlGaN(6)和p型GaN(5)，其中：p型GaN层的厚度为10nm～30nm，
载流子浓度为1017～1018/cm3；p型AlGaN层的厚度为0.1um～0.3μm，载流子浓
度为1×1017～5×1017/cm3。
2.一种制备如权利要求1所述的具有异质结结构的GaN基p型场...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛世伟，王玲，李晓娟，王继强，谢晶，张燕，刘诗嘉，李向阳，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31