基于原位生长MIS结构的P-GaN高电子迁移率晶体管及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于原位生长MIS结构的P

【技术实现步骤摘要】
基于原位生长MIS结构的P
‑
GaN高电子迁移率晶体管及制备方法


[0001]本专利技术属于半导体器件
，具体涉及一种原位生长MIS结构的P
‑
GaNHEMT器件，可用于功率开关和功率转换电路。

技术介绍

[0002]随着半导体功率开关器件领域的不断发展，第三代宽禁带半导体以其电子迁移率高、禁带宽度大、临界击穿场强高、电子饱和漂移速度高等卓越的材料优势在功率开关领域中备受关注。以GaN材料为代表的第三代宽禁带半导体通过调制掺杂形成AlGaN/GaN等异质结结构保留了材料的优良特性，以此制作的高电子迁移率晶体管在功率开关领域中得到广泛应用。
[0003]然而由于异质结存在天然的二维电子气，这使得传统的GaN基高电子迁移率晶体管必须施加负栅压才能够正常关断，这种器件被称之为耗尽型器件。这额外增加了电路的功耗，同时增大了驱动电路的设计复杂度。此外，在电路发生故障时，不能保证操作安全。因此研究者们期望得到增强型的GaN基高电子迁移率晶体管。国际上实现增强型器件的办法有：P
‑
GaN技术、F离子注入、凹槽栅等。其中P
‑
GaN技术因其较好的阈值电压可控性和一致性、对器件的损伤较小率先实现商业化。然而P
‑
GaN技术也存在明显缺陷，其一是非栅区域P
‑
GaN刻蚀深度难以把握，刻蚀深度不均匀，表面缺陷较多。其二是PN结结构使得栅漏电很大。为了减小P
‑
GaN高电子迁移率晶体管的栅漏电，通常采用的有效方法是引入MIS结构。传统MIS结构为非原位生长，即对材料表面进行清洁之后利用ALD 淀积一层介质，但界面无法做到完全清洁，界面质量较差、界面态密度较大。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于原位生长MIS结构的 P
‑
GaN高电子迁移率晶体管及制备方法，在实现抑制栅漏电的同时保证高质量的半导体
‑
介质界面，与传统MIS结构器件相比，降低了界面态密度，改善了器件特性。
[0005]本专利技术的第一个目的是提供一种基于原位生长MIS结构的P
‑
GaN高电子迁移率晶体管，包括衬底，衬底上从下至上依次设置有成核层、缓冲层、沟道层和势垒层，势垒层的上部设置有源极、漏极和P
‑
GaN层，P
‑
GaN层位于源极和漏极之间，P
‑
GaN层的上部设置有原位生长的介质层，介质层上部设有栅极，势垒层、源极、漏极和栅极的上部设置有钝化层。
[0006]优选的，所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓中的一种，成核层的材料为氮化铝，缓冲层和沟道层的材料均为氮化镓，势垒层为AlxGa(1
‑
x)N，介质层的材料为氮化硅、氧化镓、氧化铝、氮化铝中的一种，钝化层的材料为氮化硅或二氧化硅。
[0007]优选的，所述AlxGa(1
‑
x)N势垒层中，Al组分为0.1
‑
0.2。
[0008]优选的，所述成核层(2)、缓冲层(3)、沟道层(4)、势垒层(5)、P
‑
GaN 层(8)、介质层(9)和钝化层(11)的厚度分别为30
‑
100nm、0.5
‑
5μm、50
‑
500nm、 10
‑
40nm、60
‑
90nm、10
‑
30nm
和50
‑
400nm。
[0009]本专利技术的第二个目的是提供一种上述晶体管的制备方法，包括以下步骤：
[0010]S1、提供衬底，对衬底进行预处理和热处理，采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD工艺淀积成核层；
[0011]S2、在成核层上，采用MOCVD工艺依次淀积缓冲层和沟道层；
[0012]S3、在沟道层上，采用MOCVD工艺淀积势垒层，势垒层的成分为AlxGa(1
‑
x)N，AlxGa(1
‑
x)N势垒层中，Al组分为0.1
‑
0.2，淀积厚度为10
‑
40nm；
[0013]S4、在AlxGa(1
‑
x)N势垒层上，采用MOCVD工艺淀积厚度为60
‑
90nm的 P
‑
GaN层，得到外延片；
[0014]S5、继续将外延片置于MOCVD腔室，在P
‑
GaN层上原位生长一层厚度为 10
‑
30nm的介质层；
[0015]S6、刻蚀所述P
‑
GaN区域以外的P
‑
GaN层和介质层，露出AlxGa(1
‑
x)N势垒层；
[0016]S7、在AlxGa(1
‑
x)N势垒层上制作掩膜，采用电子束蒸发工艺淀积源极和漏极，并在850℃下进行退火；
[0017]S8、在介质层上制作掩膜，采用电子束蒸发工艺淀积栅极；
[0018]S9、采用等离子体增强化学气相沉积PECVD工艺在势垒层、源极、漏极和栅极的上部淀积钝化层；
[0019]S10、在源极、漏极、栅极上方的钝化层开孔，引出电极，即得到所述晶体管。
[0020]优选的，步骤S1中，所述衬底预处理和热处理的操作步骤为：对衬底利用丙酮、无水乙醇溶液和去离子水进行超声清洗，并在氢气氛围中以1050℃对衬底热处理10分钟。
[0021]优选的，步骤S1中，所述MOCVD工艺中的压力为10
‑
100Torr，Al源流量为10
‑
100sccm，氨气流量为3000
‑
6000sccm，氢气流量为1000
‑
2000sccm，温度为900℃，步骤S2中，所述MOCVD工艺中的反应室压力为10
‑
100Torr，Ga源流量为50
‑
100μmol/min，氨气流量为3000
‑
6000sccm，氢气流量为1000
‑
2000sccm，温度为900℃。
[0022]优选的，步骤S3中，所述MOCVD工艺中的反应室压力为10
‑
100Torr，Al 源流量为10
‑
30μmol/min，Ga源流量为30
‑
90μmol/min，氨气流量为3000
‑
6000sccm，氢气流量为1000
‑
2000sccm，温度为900℃。
[0023]优选的，步骤S4中，所述MOCVD工艺中的反应室压力为10
‑
100Torr，Ga 源流量为50
‑
100μmol/min，氨气流量为3000
‑
6000s本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于原位生长MIS结构的P
‑
GaN高电子迁移率晶体管，包括衬底(1)，其特征在于，所述衬底(1)上从下至上依次设置有成核层(2)、缓冲层(3)、沟道层(4)和势垒层(5)，所述势垒层(5)的上部设置有源极(6)、漏极(7)和P
‑
GaN层(8)，所述P
‑
GaN层(8)位于源极(6)和漏极(7)之间，所述P
‑
GaN层(8)的上部设置有原位生长的介质层(9)，所述介质层(9)的上部设置有栅极(10)，所述势垒层(5)、源极(6)、漏极(7)和栅极(10)的上部设置有钝化层(11)。2.根据权利要求1所述的基于原位生长MIS结构的P
‑
GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述衬底(1)的材料为蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓中的一种，成核层(2)的材料为氮化铝，缓冲层(3)和沟道层(4)的材料均为氮化镓，势垒层(5)为AlxGa(1
‑
x)N，介质层(9)的材料为氮化硅、氧化镓、氧化铝、氮化铝中的一种，钝化层(11)的材料为氮化硅或二氧化硅。3.根据权利要求2所述的基于原位生长MIS结构的P
‑
GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述AlxGa(1
‑
x)N势垒层(5)中，Al组分为0.1
‑
0.2。4.根据权利要求1所述的基于原位生长MIS结构的P
‑
GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述成核层(2)、缓冲层(3)、沟道层(4)、势垒层(5)、P
‑
GaN层(8)、介质层(9)和钝化层(11)的厚度分别为30
‑
100nm、0.5
‑
5μm、50
‑
500nm、10
‑
40nm、60
‑
90nm、10
‑
30nm和50
‑
400nm。5.一种根据权利要求1
‑
4任一项所述的基于原位生长MIS结构的P
‑
GaN高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、提供衬底(1)，对衬底(1)进行预处理和热处理，采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD工艺淀积成核层(2)；S2、在成核层(2)上，采用MOCVD工艺依次淀积缓冲层(3)和沟道层(4)；S3、在沟道层(4)上，采用MOCVD工艺淀积势垒层(5)，势垒层(5)的成分为AlxGa(1
‑
x)N，AlxGa(1
‑
x)N势垒层(5)中，Al组分为0.1
‑
0.2，淀积厚度为10
‑
40nm；S4、在AlxGa(1
‑
x)N势垒层(5)上，采用MOCVD工艺淀积厚度为60nm
‑
90nm的P
‑
GaN层(8)，得到外延片；S5、继续将外延片置于MOCVD腔室，在P
‑
GaN层(8)上原位生长一层厚度为10
‑
30nm的介质层(9)；S6、刻蚀所述P
‑
GaN区域以外的P
‑
GaN层(8)和介质层(9)，露出AlxGa(1
‑
x)N势...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵胜雷，赵杜钧，张进成，吴银河，刘爽，宋秀峰，李仲扬，朱丹，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：