用于检测氮化镓基异质结构中陷阱态的检测方法和结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体技术领域，涉及一种用于检测氮化镓(GaN)基异质结构中陷阱态的检测方法和检测结构。
【背景技术】
[0002]以III族氮化物为代表的第三代半导体具有高禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度以及强极化等优异的性质，特别是基于硅(Si)衬底和碳化硅(SiC)衬底上的铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)异质结构的高迀移率晶体管(HEMT)具有开关速度快、导通电阻低、器件体积小、耐高温、节能等优异特性，有望在下一代高效节能功率电子器件领域，包括微波射频功率器件和电力电子器件领域得到广泛使用。
[0003]但是，GaN基功率电子器件的可靠性尚不确定，离真正的实用化还存在相当差距。由于电子器件的最重要指标之一(导通电阻)受材料中的杂质缺陷影响很大，杂质缺陷引入的深能级会使通电阻增大，产生电流崩塌效应。目前，在对产生崩塌效应的机理解释仍有争议，有人认为是与势皇层表面与栅端附近缺陷相关的表面效应相关，而有人认为与高阻GaN中深能级缺陷相关的体陷讲效应相关。因此，如何通过有效的测量方法，精确地确定杂质缺陷的空间分布状况及其局域态特性，进而通过外延手段进行抑制，对于提高器件导通电阻具有很重要意义。
[0004]针对GaN材料中的缺陷进行测量的现有方法中，国际上采用的方法主要有:文献(Z.Q.Fang,et al.J.Appl.Phys.108,063706,2010)记载的深能级瞬态电容谱方法;文献(J.Joh et al., IEEE Trans.Electron Devices 58,132,2011；D.ff.Cardwell et al.,Appl.Phys.Lett.102,193509，2013.等)记载的瞬态电流谱方法。然而，因为器件往往含有多层外延薄膜结构，每层外延结构可能均含有陷阱态，而真正对器件影响的是哪里的陷阱态并不是很清楚，所以，上述两种方法在准确鉴别陷阱态的空间分布，特别是研究器件在开态/半开态下的热电子陷阱效应方面，受到一定的局限性，难以确定陷阱态的空间位置。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于检测氮化镓(GaN)基异质结构中陷阱态的检测方法和检测结构，利用衬底和样品表面的导电特性，在样品的表面和衬底背面形成三端的欧姆接触，通过分别施加横向和纵向电应力来研究高场下热电子的俘获和发射过程，进而结合样品结构设计，最终确定样品中的陷阱位置是位于氮化镓沟道层、氮化镓外延层还是势皇层，还可获得陷阱的局域态信息。本发明方法简单且快捷有效，对于研究GaN基异质结构中陷阱态及其对器件可靠性影响将发挥重要作用。
[0006]本发明提供的技术方案是:
[0007]—种氮化镓(GaN)基异质结构中陷阱态的检测方法，所述检测方法首先制备得到用于检测氮化镓(GaN)基异质结构中陷阱态的检测结构，再对氮化镓(GaN)基异质结构中陷阱态进行检测，具体包括如下步骤:
[0008]101)制备得到用于检测氮化镓(GaN)基异质结构中陷阱态的检测结构:在具有氮化镓GaN基异质结构的检测样品的背面制作欧姆接触电极9;在具有氮化镓GaN基异质结构的检测样品的表面势皇层之上生长氮化硅钝化层;在具有氮化镓GaN基异质结构的检测样品的表面分别制作欧姆接触电极10和11;
[0009]102)在欧姆接触电极10和11上施加横向电压12，得到电流随时间变化曲线15;计算得到电流随时间变化曲线15的电流退化度R1;
[0010]本发明定义电流退化度为(电流最大值-电流最小值)/电流最大值;电流退化度与所加电压大小、样品结构等有关;根据实验，电流随时间变化曲线15的电流退化度R1大于10% ；
[0011]103)在欧姆接触电极9和10或在欧姆接触电极9和11上施加正的纵向电压13，持续一定时间后撤除纵向电压13，再重复步骤102，得到电流随时间变化曲线16;再计算得到电流随时间变化曲线16的电流退化度R2;计算比较因子R = R1 /R2，并设定比较因子阈值，比较R是否不小于阈值；
[0012]104)当比较因子R不小于所设定阈值时，陷阱态在氮化镓沟道层中或者氮化镓外延层中；
[0013]105)当比较因子R小于所设定阈值时，陷阱态在铝镓氮势皇层中；
[0014]106)通过变温瞬态电流方法，得到陷阱态的能级位置Ea ；
[0015]107)通过改变氮化镓(GaN)基异质结构中氮化镓沟道层的生长条件，得到新的检测样品，重复步骤103)-106)，得到新样品中陷阱态的能级位置为Eb;
[0016]108)当Ea不等于Eb时，陷阱态在氮化镓沟道层中；否则陷阱态在氮化镓外延层中；由此检测得到氮化镓(GaN)基异质结构中的陷阱态位置。
[0017]针对上述氮化镓(GaN)基异质结构中陷阱态的检测方法，进一步地，步骤101)在具有氮化镓GaN基异质结构的检测样品的表面势皇层之上生长氮化硅钝化层;所述生长采用方法为等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)或低压力化学气相沉积法(LPCVD)。
[0018]针对上述氮化镓(GaN)基异质结构中陷阱态的检测方法，进一步地，所述检测方法在所述步骤108)之后，可根据样品生长条件确定陷阱态可能的具体类型。
[0019]针对上述氮化镓(GaN)基异质结构中陷阱态的检测方法，进一步地，步骤102)在欧姆接触电极10和11上施加横向电压12，步骤103)在欧姆接触电极9和10或在欧姆接触电极9和11上施加正的纵向电压13，持续一定时间后撤除纵向电压13;所述横向电压12或纵向电压13的大小为1-100000 V;所述持续时间为1-60 min。
[0020]针对上述氮化镓(Ga N)基异质结构中陷讲态的检测方法，进一步地，所述氮化镓(GaN)基异质结构通过以下方法制备得到:
[0021]A1.选择一种衬底1，所述衬底为娃衬底、碳化娃衬底和金刚石衬底中的一种导电衬底；
[0022]Α2.在衬底1上生长成核层2;
[0023]A3.在成核层2上外延生长应力和缺陷控制层3，应力和缺陷控制层3起到调控应力和抑制缺陷的作用；
[0024]Α4.在应力和缺陷控制层3上生长氮化镓外延层4，氮化镓外延层4起到提高晶体质量和表明形貌的作用；
[0025]A5.在氮化镓外延层4上生长氮化镓沟道层5，用于为二维电子气提供一个良好的输运通道；
[0026]A6.在氮化镓沟道层5上生长氮化铝插入层6，用于降低合金无序散射；
[0027]A7.在氮化铝插入层6上生长铝镓氮势皇层或铟铝氮势皇层7，铝镓氮势皇层或铟铝氮势皇层7与其下面的氮化镓沟道层5和氮化铝插入层6—起构成半导体异质结构，使得在界面处形成高浓度的具有高迀移特性的二维电子气。
[0028]针对上述制备氮化镓(Ga N)基异质结构的方法，进一步地，所述生长的方法为:金属有机化合物气相外延方法、分子束外延方法、氢化物气相外延方法和气相外延方法中的一种或多种。
[0029]本发明还提供一种用于检测氮化镓(GaN)基异质结构中陷阱态的检测结构，包括氮化镓(GaN)基异质结构，所述氮化镓(GaN)基异质结构包括导电衬底1、在硅衬底1之上的成核层2、在成核层2之上的应力和缺陷控制层3、在应力和缺陷控制层3之上的氮化镓外延层4、在氮化镓外延层4之上的氮化镓沟道层5、在氮化镓沟道层5之上的氮化铝插入层6和在氮化铝插入层6之上的铝镓氮势皇层或铟铝氮势皇层7;所述检测结构还包括在铝镓氮势皇层或铟铝氮势皇层7之上的氮化硅钝化层8和欧姆接触电极9?11;所述欧姆接触电极9设在导电衬底1的背面，所述欧姆接触电极10?11设置在铝镓氮势皇层或铟铝氮势皇层7之上。
[0030]针对上述氮化镓(GaN)基异质结构中陷阱态的检测结构，进一步地，所述导电衬底为娃衬底、碳化娃衬底和金刚石衬底中的一种;所述成核层为AlGaN层或A1N层;所述应力和缺陷控制层为AlGaN层，A1组分为0-50%。
[0031]针对上述氮化镓(GaN)基异质结构中陷阱态的检测结构，进一步地，所述成核层的厚度为10 nm-2ym;所述应力和缺陷控制层的厚度为10 nm_20ym;所述氮化镓外延层的厚度为10 nm-20ym;所述氮化镓沟道层的厚度为2 nm_l.Ομπι;所述氮化招插入层的厚度范围为
0.5 nm-3.0nm;所述招镓氮或铟招氮势皇层的厚度范围为3 nm_50nm。
[0032]针对上述氮化镓(GaN)基异质结构中陷讲态的检测结构，进一步地，所述氮化娃钝化层的厚度为2 nm-0.2μπι ；所述欧姆接触电极10和11的间距为1 -1 ΟΟμπι。
[0033]本发明通过施加纵向和横向电应力来研究高场下热电子的俘获和发射过程，进而通过结合样品结构设计，最终确定样品中的陷阱态的具体空间位置和具体类型，不但降低了测试