增强型氮化镓晶体管器件制造技术

本发明专利技术公开一种增强型氮化镓晶体管器件，包括基板、基板上的外延结构、外延结构上的凹入式栅极、凹入式栅极上的栅极电极、源极电极与漏极电极。所述凹入式栅极是p型金属氧化物。在所述栅极电极与所述凹入式栅极之间还有介电叠层。这个介电叠层包括第一介电层与第二介电层，其中第二介电层与凹入式栅极接触，且第二介电层中的金属元素的氧化电位需比p型金属氧化物的金属元素低。凹入式栅极具有纳米结构图案，所述纳米结构图案延伸至所述外延结构内。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种晶体管器件，且特别是涉及一种增强型(Enhancement-mode；Normally-off)氮化镓晶体管器件。
技术介绍
具有氮化镓二维电子气(2DEG)结构的氮化镓晶体管器件因为栅极区域的二维电子气分布，使得器件无法达到常关(Normally-off)的特性。所以为了提供安全性的元件操作、简化电路设计、低能量消耗等需求,已有研究以选择性成长(SelectivityAreaGrowth)的方式，在栅极区域成长P型氮化铝镓(P-AlGaN)，利用空乏区的原理，空乏(Deplete)栅极区域下方的二维电子气(2DEG)分布，而达到常关的元件特性。但是这种器件的临界电压受限于P型氮化铝镓的浓度，所以导致其临界电压通常较小。另有研究提出通过破坏栅极区域的二维电子气分布，来提高临界电压(ThresholdVoltage；Vth)的增强型(E-mode)氮化镓晶体管器件，但却发现这种器件会牺牲电流的输出。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种增强型氮化镓晶体管器件，能防止P型金属氧化物的载流子浓度产生变化，进而影响到器件的开关能力。为达上述目的，本专利技术提供一种增强型氮化镓晶体管器件，包括：基板、基板上的外延结构、外延结构上的凹入式栅极(Recessedgate)、凹入式栅极上的栅极电极、源极电极与漏极电极。在所述栅极电极与所述凹入式栅极之间还有介电叠层，所述介电叠层包括第一介电层与第二介电层，其中第二介电层与凹入式栅极接触。所述凹入式栅极是p型金属氧化物，所述第二介电层中的金属元素的氧化电位需比p型金属氧化物的金属元素低。外延结构由所述基板依序包括非掺杂氮化镓(u-GaN)层与非掺杂氮化铝镓(u-AlGaN)层，所述外延结构为具有二维电子气的异质结构。凹入式栅极具有纳米结构图案，所述纳米结构图案延伸至所述非掺杂氮化镓层与所述非掺杂氮化铝镓层之间。源极电极与漏极电极则位于所述凹入式栅极两侧的所述外延结构上。在本专利技术的一实施例中，上述第一介电层是氧化铝层，且第一介电层与第二介电层的厚度各自独立为1-50nm。在本专利技术的一实施例中，上述介电叠层中与所述凹入式栅极接触的第二介电层包括氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、含氮氧化硅(SiO2:N)、氧化钆(GdO)、氧化锆(ZrO2)、氧化铪(HfO2)、氧化钽(Ta2O5)或氮化钛(TiN)。在本专利技术的一实施例中，上述凹入式栅极的形状包括环状或条状。在本专利技术的一实施例中，上述凹入式栅极的长度(Gatelength)为200nm-20000nm。在本专利技术的一实施例中，上述凹入式栅极例如具有不同浓度的NiOX层，其中1≤x≤1.2。所述NiOX层的浓度分布包括小于1E15/cm3的第一范围、1E15/cm3-1E17/cm3的第二范围、与大于1E17/cm3的第三范围，且所述浓度分布的组合包括低至高、由高至低、上下低中间高、或上下高中间低。在本专利技术的一实施例中，上述第一范围、第二范围与第三范围的厚度各自独立为1nm-200nm。在本专利技术的一实施例中，上述纳米结构图案包括多数个纳米条状图案(Nano-Strips)、多数个纳米柱状图案(Nano-rods)或多数个纳米点状图案(Nano-porouspattern)，其中所述纳米结构图案内的图案最小宽度为50nm-500nm。在本专利技术的一实施例中，上述外延结构还包括位于非掺杂氮化镓层与基板之间的氮化镓系缓冲层(GaNbasedbuffer)。在本专利技术的一实施例中，上述基板包括硅基板(Silicon)或蓝宝石基板(sapphire)。基于上述，本专利技术通过具有纳米结构图案的凹入式栅极(Recessedgate)结构，配合其上的介电叠层，所以能在提升电流的同时，避免凹入式栅极内的P型金属氧化物(如NiOX)的载流子浓度产生变化，而影响到器件的开关能力。由于本专利技术的增强型氮化镓晶体管器件可抑制栅极漏电产生，所以还能提高栅极电压的操作范围。为让本专利技术的上述特征能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。附图说明图1为本专利技术的一实施例的一种增强型氮化镓晶体管器件剖面示意图；图2A与图2B分别为本专利技术的实施例的纳米结构图案的上视示意图；图3为实验例1、实验例2与比较例1的增强型氮化镓晶体管器件在Id与Vgs的特性图；图4为实验例1、实验例2与比较例1的增强型氮化镓晶体管器件在Ids与Vds的特性图；图5为实验例3、比较例2与比较例3的增强型氮化镓晶体管器件在Ig与Vg的特性图。符号说明100：基板102：外延结构104：非掺杂氮化镓层106：非掺杂氮化铝镓层108：凹入式栅极108a：底部110：纳米结构图案112：栅极电极114a：源极电极114b：漏极电极116：介电叠层118：第一介电层120：第二介电层122：氮化镓系缓冲层124：绝缘层W：宽度具体实施方式图1是依照本专利技术的一实施例的一种增强型氮化镓晶体管器件剖面示意图。请参照图1，本实施例的增强型氮化镓晶体管器件包括基板100、外延结构102、凹入式栅极108、栅极电极112、源极电极114a、漏极电极114b与介电叠层116。外延结构102包括非掺杂氮化镓(u-GaN)层104与非掺杂氮化铝镓(u-AlGaN)层106，此结构为具有二维电子气(2DEG)的氮化镓异质外延结构。凹入式栅极108是p型金属氧化物，位于外延结构102上。栅极电极112位于凹入式栅极108上，且所述介电叠层116设置于栅极电极112与凹入式栅极108之间。所述介电叠层116至少包括第一介电层118与第二介电层120，其中的第二介电层120与凹入式栅极108接触。由于凹入式栅极108是p型金属氧化物，如NiOX(1≤x≤1.2)，所以第二介电层120中的金属元素的氧化电位需比p型金属氧化物的金属元素低，以避免介电叠层116与凹入式栅极108反应或者影响凹入式栅极108内的载流子浓度。另外，凹入式栅极108具有纳米结构图案110，所述纳米结构图案110可以延伸至非掺杂氮化镓层104与非掺杂氮化铝镓层106之间。以本图来看，凹入式栅极108的底部108a是在非掺杂氮化铝镓层106内，但本专利技术并不限于此；凹入式栅极108的纳米结构图案110(即底部108a)也可延伸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增强型氮化镓晶体管器件，其特征在于，所述器件包括：基板；外延结构，位于所述基板上，所述外延结构由所述基板依序包括非掺杂氮化镓层与非掺杂氮化铝镓层，所述外延结构为具有二维电子气的异质结构；凹入式栅极，在所述外延结构上，其中所述凹入式栅极具有纳米结构图案，所述纳米结构图案延伸至所述非掺杂氮化镓层与所述非掺杂氮化铝镓层之间，且所述凹入式栅极是p型金属氧化物；栅极电极，位于所述凹入式栅极上；介电叠层，位于所述栅极电极与所述凹入式栅极之间，所述介电叠层包括第一介电层与第二介电层，其中所述第二介电层与所述凹入式栅极接触，且所述第二介电层中的金属元素的氧化电位比所述p型金属氧化物的金属元素低；以及源极电极与漏极电极，位于所述凹入式栅极两侧的所述外延结构上。

【技术特征摘要】
1.一种增强型氮化镓晶体管器件，其特征在于，所述器件包括：
基板；
外延结构，位于所述基板上，所述外延结构由所述基板依序包括非掺杂
氮化镓层与非掺杂氮化铝镓层，所述外延结构为具有二维电子气的异质结
构；
凹入式栅极，在所述外延结构上，其中所述凹入式栅极具有纳米结构图
案，所述纳米结构图案延伸至所述非掺杂氮化镓层与所述非掺杂氮化铝镓层
之间，且所述凹入式栅极是p型金属氧化物；
栅极电极，位于所述凹入式栅极上；
介电叠层，位于所述栅极电极与所述凹入式栅极之间，所述介电叠层包
括第一介电层与第二介电层，其中所述第二介电层与所述凹入式栅极接触，
且所述第二介电层中的金属元素的氧化电位比所述p型金属氧化物的金属元
素低；以及
源极电极与漏极电极，位于所述凹入式栅极两侧的所述外延结构上。
2.如权利要求1所述的增强型氮化镓晶体管器件，其中所述第一介电层
是氧化铝层，且所述第一介电层与所述第二介电层的厚度各自独立为1-50
nm。
3.如权利要求1所述的增强型氮化镓晶体管器件，其中所述介电叠层中
与所述凹入式栅极接触的所述第二介电层包括氧化硅、氮化硅、含氮氧化硅、
氧化钆、氧化锆、氧化铪、氧化钽或氮化钛。
4.如权利要求1所述的增强型氮化镓晶体管器件，其中所述凹入式栅极
的形状包括环状或条状...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭威宏，林素芳，周以伦，傅毅耕，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71