一种增强型氮化物场效应晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种增强型氮化物场效应晶体管及其制备方法，该方法在衬底上依次生长成核层、铟镓氮高阻缓冲层、铝铟镓氮势垒层；在铝铟镓氮势垒层上制备源极和漏极；源漏之间刻蚀有单条或多条沟槽，沟槽的深度大于铝铟镓氮势垒层的厚度，沟槽内填充有高介电常数、宽带隙的电解质材料，在沟槽上方制备栅极；源极、漏极和栅极之间为钝化层，完成晶体管的制作。

【技术实现步骤摘要】
一种增强型氮化物场效应晶体管及其制备方法
本专利技术属于半导体领域，尤其涉及一种增强型场效应晶体管及其制备方法。
技术介绍
氮化镓(GaN)材料由于具有大的禁带宽度、高的热导率、高电子饱和漂移速度和大的临界击穿电压等特点而得以在光电子器件和高温大功率电子器件等领域有着广阔的应用前景。由于氮化物具有很强的自发极化和压电极化效应，在没有掺杂的情况下可以在AlGaN/GaN界面产生大量的二维电子气，其浓度可达1013cm-2，电子迁移率2000cm2/V·s以上。由于具有以上特征，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管成为制备高频功率放大器和功率开关器件的理想材料。目前AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的性能研究大多还是集中在耗尽型器件方面，但是从器件应用方面来看，增强型器件有更大的应用优势。1995年，Khan等人通过减薄势垒层厚度的方法来耗尽二维电子气实现了增强型器件的研制，但这种方法的缺点在于势垒层减薄后二维电子气的浓度整体下降，导致器件的通态电阻升高，功耗严重，影响了器件的性能。2000年，X.Hu等人利用选区二次外延生长p型GaN帽层在栅极下方形成PN结的方法实现了栅下二维电子气的耗尽实现增强型，但是其阈值电压非常小，生长工艺难度较大。2003年，Kumar等人利用反应离子束刻蚀凹栅的方法减薄栅下势垒层厚度实现了增强型器件的研制，但是该工艺难度大，难以精确控制，没有可重复性。2005年，香港科技大学的Cai等人，采用氟离子注入的方法耗尽了栅下的二维电子气实现增强型器件，但是该方法实现的增强型器件的可靠性面临严重的挑战。综上所述，目前采用的实现增强型器件的主流的方法是采用势垒层减薄，p型帽层，槽栅结构，氟离子注入等方法，但整体来看，采用这些方法来实现增强型器件的工艺比较复杂且工艺难度较大，对器件的工业化生产来说有较大的难度。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种增强型氮化物场效应晶体管的制备方法，以解决增强型器件的工艺比较复杂，工艺难度较大，沟槽的刻蚀深度无法精确控制，器件的工业化生产难度大的问题。(二)技术方案本专利技术提供一种增强型氮化物场效应晶体管，其特征在于，包括：衬底；依次形成于衬底之上的成核层、高阻缓冲层及势垒层；形成于势垒层一端之上的源极；形成于势垒层另一端之上的漏极；形成于源极、漏极之间的单条沟槽或多条沟槽，且沟槽内填充有高介电常数、宽带隙的电介质材料；形成于沟槽上方的栅极；以及形成于源极、漏极和栅极之间的钝化层。进一步，所述高介电常数、宽带隙的电介质材料，包括：MnO2、Pb3MgNb2O9、BaTiO3、SrTiO3、SnTe、PbTe、WO3、SbS、Pb2CoWO6、TiO2或SnSb中的一种或几种；进一步，所述高介电常数、宽带隙的电介质材料，采用磁控溅射、离子束蒸镀、化学气相沉淀、溶胶凝胶法或水热法制备而成。进一步，所述沟槽的深度大于势垒层的厚度，所述电介质材料厚度小于或者等于所述沟槽的深度。进一步，所述衬底为蓝宝石、碳化硅或硅中的一种；所述成核层为氮化镓GaN或氮化铝AlN；所述高阻缓冲层为铟镓氮InxGa1-xN，其中0≤x＜1；所述势垒层为铝铟镓氮AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x≤1，0≤y＜1。进一步，所述单条沟槽或多条沟槽的宽度之和不超过其上栅极的宽度；所述单条沟槽或多条沟槽采用ICP干法刻蚀或者湿法腐蚀制备而成。进一步，所述源极和漏极采用Ti、Al、Ni、Pt、Cr或Au金属中的一种或几种；所述栅极采用Ti、Ni、Pt、Al、Cu、W、Co或Au金属中的一种或几种；所述钝化层采用Al2O3、SiNx、SiO2或Ga2O3。本专利技术的另一方面提供一种增强型氮化物场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在衬底上依次生长成核层、高阻缓冲层及势垒层；在势垒层一端之上制备源极，另一端之上制备漏极；对源极、漏极之间的势垒层进行刻蚀形成单条沟槽或多条沟槽，在沟槽内填充高介电常数、宽带隙的电介质材料；在沟槽上方制备栅极；以及源极、漏极和栅极之间生长钝化层。进一步，所述在沟槽内填充的高介电常数、宽带隙的电介质材料包括MnO2、Pb3MgNb2O9、BaTiO3、SrTiO3、SnTe、PbTe、WO3、SbS、Pb2CoWO6、TiO2或SnSb中的一种或几种；所述高介电常数、宽带隙的电介质材料采用磁控溅射、离子束蒸镀、化学气相沉淀、溶胶凝胶法或水热法制备而成。进一步，所述沟槽的深度大于势垒层的厚度，所述电介质材料厚度小于或者等于所述沟槽的深度。进一步，所述单条沟槽或多条沟槽的宽度之和不超过其上栅极的宽度；所述单条沟槽或多条沟槽采用ICP干法刻蚀或者湿法腐蚀制备而成。(三)有益效果本专利技术提供一种全新的氮化物增强型场效应晶体管的制备方法，提出了在栅极下方刻蚀沟槽，且沟槽的刻蚀深度只需超过AlInGaN势垒层的厚度即可，无需精确控制，避免了传统槽栅结构对刻蚀精度的要求。同时，在沟槽内部填充有高介电常数、宽带隙的电介质材料，利用外场下强的电极化材料与氮化物自发极化强度的差异，在界面处引入二维电子气，从而实现正向导通，其物理机制与其他人所提及的制备方式有根本的区别。附图说明图1是本专利技术提供的增强型氮化物多沟道场效应晶体管结构示意图。图2是本专利技术提供的增强型氮化物多沟道场效应晶体管的顶部俯视图。图3是本专利技术提供的增强型氮化物单沟道场效应晶体管的结构示意图。图4是本专利技术提供的增强型氮化物多沟道场效应晶体管制作流程图。图5是本专利技术提供的增强型氮化物多沟道场效应晶体管制作流程中光刻过程示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。图1是本专利技术提供的增强型氮化物多沟道场效应晶体管结构示意图，包括：-衬底11，该衬底可以是蓝宝石、SiC或者Si衬底中的一种；-成核层12，该成核层12为氮化镓或者氮化铝，该成核层12制作在衬底11上，成核层的厚度可取10nm～150nm。-铟镓氮(InGaN)高阻缓冲层13，该铟镓氮(InGaN)高阻缓冲层13制作在成核层12上，其中InxGa1-xN(0≤x＜1)，该高阻缓冲层的厚度可取2μm～3μm，其电阻阻值为106Ω-1011Ω；-铝铟镓氮(AlInGaN)势垒层14，该铝铟镓氮(AlInGaN)势垒层14制作在铟镓氮(InGaN)高阻缓冲层13上，其中AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0≤y＜1)，该AlInGaN势垒层的厚度可取10nm～50nm；-二维电子气15，二维电子气15处于铝铟镓氮(AlInGaN)势垒层14和铟镓氮(InGaN)高阻缓冲层13之间的界面处，该二维电子气的产生是由于铝铟镓氮(AlInGaN)势垒层14和铟镓氮(InGaN)高阻缓冲层13之间极化效应导致；-多沟道沟槽16，多沟道沟槽是通过对铝铟镓氮(AlInGaN)势垒层14进行ICP刻蚀方法获得的，刻蚀深度超过铝铟镓氮(AlInGaN)势垒层14即可，沟槽的深度可以为10nm-80nm；多沟道沟槽16内部填充的是高介电常数、宽带隙的电介质材料，例如MnO2、Pb3MgNb2O9、BaTiO3、SrTiO3、SnTe、PbTe、WO3、Sb本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增强型氮化物场效应晶体管，其特征在于，包括：衬底；依次形成于衬底之上的成核层、高阻缓冲层及势垒层；形成于势垒层一端之上的源极；形成于势垒层另一端之上的漏极；形成于源极、漏极之间的单条沟槽或多条沟槽，且沟槽内填充有高介电常数、宽带隙的电介质材料；形成于沟槽上方的栅极；以及形成于源极、漏极和栅极之间的钝化层。

【技术特征摘要】
1.一种增强型氮化物场效应晶体管，其特征在于，包括：衬底；依次形成于衬底之上的成核层、高阻缓冲层及势垒层；形成于势垒层一端之上的源极；形成于势垒层另一端之上的漏极；形成于源极、漏极之间的单条沟槽或多条沟槽，且沟槽内填充有高介电常数、宽带隙的电介质材料；形成于沟槽上方的栅极；以及形成于源极、漏极和栅极之间的钝化层。2.根据权利要求1所述的增强型氮化物场效应晶体管，其特征在于，所述高介电常数、宽带隙的电介质材料，包括：MnO2、Pb3MgNb2O9、BaTiO3、SrTiO3、SnTe、PbTe、WO3、SbS、Pb2CoWO6、TiO2或SnSb中的一种或几种；所述高介电常数、宽带隙的电介质材料，采用磁控溅射、离子束蒸镀、化学气相沉淀、溶胶凝胶法或水热法制备而成。3.根据权利要求1所述的增强型氮化物场效应晶体管，其特征在于，所述沟槽的深度大于势垒层的厚度，所述电介质材料厚度小于或者等于所述沟槽的深度。4.根据权利要求1所述的增强型氮化物场效应晶体管，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、碳化硅或硅中的一种；所述成核层为氮化镓GaN或氮化铝AlN；所述高阻缓冲层为铟镓氮InxGa1-xN，其中0≤x＜1；所述势垒层为铝铟镓氮AlxInyGa1-x-yN，其中0＜x≤1，0≤y＜1。5.根据权利要求1所述的增强型氮化物场效应晶体管，其特征在于，所述单条沟槽或多条沟槽的宽度之和不超过其上栅极的宽度；所述单条沟槽或多条沟槽采用ICP干法刻蚀或者湿法腐蚀制备而成。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：马平，姬小利，李喜林，刘波亭，王军喜，李晋闽，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11