基于氮化镓-氧化镓-氮化镓极化效应的隧穿场效应晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术涉及基于氮化镓

【技术实现步骤摘要】
基于氮化镓
‑
氧化镓
‑
氮化镓极化效应的隧穿场效应晶体管及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种隧穿场效应晶体管及其制备方法，具体涉及基于氮化镓
‑
氧化镓
‑
氮化镓极化效应的隧穿场效应晶体管及其制备方法。

技术介绍

[0002]现有普通隧穿场效应晶体管的基础结构如图1所示，隧穿场效应晶体管是栅控的P
‑
I
‑
N管，也称为横向隧穿场效应晶体管，包括衬底01、并排从左至右依次设置在衬底01上的源区02、本征区03和漏区04以及由下至上依次设置在本征区03上的栅氧化层05和金属栅06，源区02上设置有源电极，漏区04上设置有漏电极。
[0003]现有同质结结构的隧穿场效应晶体管的结构如图2所示，包括从下至上依次设置的衬底001、源区002、本征区003和漏区004，源区002下方设置有源电极008，本征区003两侧均由内至外依次设置有栅氧化层005和金属栅006，漏区004上方设置有漏电极007，源区002和本征区003均采用氮化镓制备。
[0004]在上述现有结构中，隧道击穿发生在源区和本征区的交界面处，且受金属栅控制的表面区域，其发生隧穿的面积有限，器件的开态电流较小，这成为了隧穿场效应晶体管目前仍无法取代MOSFET的一个重要原因，因此，如何克服开态电流较小的问题成为了隧穿场效应晶体管研究的重点。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决现有隧穿场效应晶体管存在发生隧穿的面积有限，开态电流较小的问题，而提出基于氮化镓
‑
氧化镓
‑
氮化镓极化效应的隧穿场效应晶体管及其制备方法。
[0006]本专利技术的设计思路为：
[0007]氧化镓(Ga2O3)是一种新兴的超宽带隙(UWBG)半导体，拥有4.8eV的超大带隙。作为对比，SiC和GaN的带隙为3.3eV，而硅则仅有1.1eV，若使得氧化镓(Ga2O3)拥有更高的热稳定性和更高的电压，再加上其能被广泛采用的天然衬底，使得可以基于此特征开发出小型化，高效的大功率晶体管。
[0008]ε
‑
Ga2O3具有比III
‑
氮化物半导体更大的自发极化(P
SP
＝0.31)，有可能通过异质结获得更高浓度的二维电子气(2DEG)，而无需额外掺杂。
[0009]本专利技术中，以单晶氮化镓为衬底，在其上方外延生长一层P型氮化镓层，作为源区，在源区上方生长一层氧化镓层，作为“Pocket”层，在氧化镓层上方生长N型氮化镓层，作为本征区，即GaN/Ga2O3/GaN，利用GaN/Ga2O3两种材料之间存在的晶格常数差值，以及所形成的极化效应来促进隧穿几率，增大隧穿电流。
[0010]对于外延生长，外延层与衬底之间的晶格失配应较小，以避免因应变松弛而形成缺陷。由表1可知，ε
‑
Ga2O3晶格失配较大，c面GaN不适合ε
‑
Ga2O3的生长；ε
‑
Ga2O3沿z轴具有较
大的P
SP
为0.31C/m2，明显大于III族氮化物半导体，ε
‑
Ga2O3的压电常数值与GaN相当，意味着ε
‑
Ga2O3在外延应变下产生P
PE
的能力与GaN相当。
[0011]表1
[0012]材料e
31
e
32
e
33
c
31
c
32
c
33
P
SP
ε
‑
Ga2O30.210.34
‑
0.73142.44147.54284.180.31GaN
‑
0.34
‑
0.340.67100100392
‑
0.034
[0013]基于上述构思，本专利技术提供的技术方案为：
[0014]一种基于氮化镓
‑
氧化镓
‑
氮化镓极化效应的隧穿场效应晶体管，其特殊之处在于：
[0015]包括从下至上依次设置的衬底、源区、Ga2O3层、本征区以及漏区；
[0016]所述本征区的左右两侧均由内至外依次设置有栅氧化层和金属栅；
[0017]所述漏区上方设置有漏电极，源区下方设置有源电极；
[0018]所述源区和本征区均采用氮化镓材料，从而在源区和Ga2O3层之间，Ga2O3层和本征区之间形成异质结；
[0019]所述源区和本征区、漏区的掺杂类型相反。
[0020]进一步地，所述源区为P型掺杂，所述本征区、漏区为N型掺杂。
[0021]进一步地，所述金属栅采用Ni/Au制备，所述栅氧化层采用HfO2制备。
[0022]进一步地，所述金属栅的长度为0.5
‑
1nm；
[0023]所述栅氧化层的长度为0.5
‑
1nm；
[0024]所述源区厚度为10
‑
20nm；
[0025]所述Ga2O3层厚度为1.5
‑
3.5nm；
[0026]所述本征区的厚度为15
‑
20nm；
[0027]所述漏区的厚度为10
‑
15nm；
[0028]所述源区、Ga2O3层、本征区、漏区的长度为4
‑
6nm。
[0029]进一步地，所述源区的掺杂浓度为1
×
10
19
‑5×
10
19
cm
‑3，漏区的掺杂浓度为1
×
10
19
‑5×
10
19
cm
‑3；所述本征区的掺杂浓度为1
×
10
19
‑5×
10
19
cm
‑3。
[0030]进一步地，所述金属栅的功函数为4.515eV。
[0031]本专利技术还提出一种上述基于氮化镓
‑
氧化镓
‑
氮化镓极化效应的隧穿场效应晶体管的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0032]步骤1：在半导体衬底上由下至上依次生长氮化镓源区、Ga2O3层、氮化镓本征区和氮化镓漏区，形成试片；
[0033]步骤2：对步骤1获得的试片进行清洗并干燥；
[0034]步骤3：分别在干燥后的试片源区和漏区刻蚀、蒸镀形成源电极和漏电极，获得半成品器件；
[0035]步骤4：对半成品器件进行隔离；
[0036]步骤5：在半成品器件的本征区的左右两侧分别沉积栅氧化层，并分别在两个栅氧化层表面通过刻蚀、蒸发的方式形成金属栅；
[0037]步骤6：对金属栅进行保护钝化，完成基于氮化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于氮化镓
‑
氧化镓
‑
氮化镓极化效应的隧穿场效应晶体管，其特征在于：包括从下至上依次设置的衬底(1)、源区(2)、Ga2O3层(3)、本征区(4)以及漏区(5)；所述本征区(4)的左右两侧均由内至外依次设置有栅氧化层(9)和金属栅(6)；所述漏区(5)上方设置有漏电极(7)，源区(2)下方设置有源电极(8)；所述源区(2)和本征区(4)均采用氮化镓材料，从而在源区(2)和Ga2O3层(3)之间，Ga2O3层(3)和本征区(4)之间形成异质结；所述源区(2)和本征区(4)、漏区(5)的掺杂类型相反。2.根据权利要求1所述的基于氮化镓
‑
氧化镓
‑
氮化镓极化效应的隧穿场效应晶体管，其特征在于：所述源区(2)为P型掺杂，所述本征区(4)、漏区(5)为N型掺杂。3.根据权利要求2所述的基于氮化镓
‑
氧化镓
‑
氮化镓极化效应的隧穿场效应晶体管，其特征在于：所述金属栅(6)采用Ni/Au制备，所述栅氧化层(9)采用HfO2制备。4.根据权利要求1
‑
3任一所述的基于氮化镓
‑
氧化镓
‑
氮化镓极化效应的隧穿场效应晶体管，其特征在于：所述金属栅(6)的长度为0.5
‑
1nm；所述栅氧化层(9)的长度为0.5
‑
1nm；所述源区(2)厚度为10
‑
20nm；所述Ga2O3层(3)厚度为1.5
‑
3.5nm；所述本征区(4)的厚度为15
‑
20nm；所述漏区(5)的厚度为10
‑
15nm；所述源区(2)、Ga2O3层(3)、本征区(4)、漏区(5)的长度为4
‑
6...

【专利技术属性】
技术研发人员：关云鹤，窦禛，路嘉辰，
申请(专利权)人：西安邮电大学，
类型：发明
国别省市：