专利名称：一种制造AlGaN/AlInN复合势垒氮化镓场效应管的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种制造低缺陷密度、大电流、高可靠的AlGaN/AlInN 复合势垒氮化镓场效应管的方法。属于半导体器件技术领域。
技术背景AlGaN/GaN异质界面上的强极化电荷和大能带带阶产生高密度的二维 电子气，使GaN场效应管的输出功率比GaAs场效应管提高了一个数量级。 但是，当提高势垒层的A1组份比来增大沟道电子气密度时，晶格失配增加， 引入大量缺陷，器件性能迅速下降。目前所用的A1组份比都在0.35以下， 限制了异质结的能带剪裁范围。场效应管工作中各部分对异质结构的要求是 不同的。例如制作欧姆接触时，要求薄势垒来增大隧穿电流，降低接触电阻。 而在制作肖特基势垒时，又希望加厚势垒，抑制隧穿电流来降低栅流。增大 沟道电子气密度可以提高沟道电流，增加输出功率。但是电子密度太高时， 沟道不容易夹断。用强负电压来夹断沟道时就增强了沟道电场，引起热电子 隧穿和电流崩塌。而在栅外沟道中又希望尽量提高电子气密度来降低串联电 阻。二维器件模拟得出，使栅下沟道中的电子气密度低于栅外沟道中的电子 气密度可以弱化沟道中的强场峰，抑制电流崩塌。因此就要求制造出沿沟道 变化的二维异质结构。目前使用的方法是在器件制造过程中用刻蚀工艺来控 制各部分的势垒层厚度，改变异质结构。例如用挖槽方法来减薄栅下势垒层 的厚度，降低栅下沟道中的电子气密度。但是在单势垒异质结中，电子气密 度随势垒层厚度的变化比较慢，限制了能带剪裁的力度。在器件制造中常常 要挖很深的槽，使势垒太薄，容易产生隧穿电流而增大栅流。当栅下沟道电 子气密度很低时，又必须用正栅压来提高沟道电流。但是，正栅压容易引起 肖特基势垒退化而降低可靠性。因此，用AlGaN单势垒制作的场效应管不容 易抑制器件射频工作时的强场峰，引起电流崩塌，降低了输出功率和器件工 作中的可靠性。为了提高能带剪裁的力度，国外许多作者研究了 AlInN势垒，大In原子增大了晶格常数，可以在大Al组份比下同GaN沟道晶格匹配。当 Al组份比为0.83时它正好同GaN晶格完全匹配，消除应变。这种AlInN层 同GaN沟道间存在大能带带隙和强极化电荷，所产生的电子气密度为 AlGaN/GaN异质结的三倍。但是，单势垒异质结构的势垒很薄，难以构成完 美的沟道阱来容纳如此大的电子气密度。迄今为止还没能制造出大功率的场 效应管。 发明内容本发明的目的旨在利用AlInN势垒层来减弱异质结构中的晶格失配，降 低异质结构中的缺陷和陷阱密度，抑制电流崩塌。利用AlInN/GaN异质界面 上的强极化电荷和大能带带阶来产生高密度二维电子气。利用AlGaN/AlInN 异质界面上的强负极化电荷来提高势垒高度和扩大势垒宽度，优化沟道阱结 构，增强电子气的二维特性，抑制栅流。自洽求解薛定谔方程和泊松方程来 研究复合势垒的能带剪裁时发现，刻蚀减薄AlGaN上势垒，能实现大力度的 能带剪裁。通过器件的二维模拟，优化设计出栅下沟道、栅外沟道、肖特基 势垒以及欧姆接触所要求的不同异质结构。设计和外延生长相应的异质结材 料。然后在器件制造工艺中通过刻蚀减薄工艺来实现优化设计中所要求的各 类异质结构。既降低了异质结缺陷和陷阱，弱化了沟道中的强场峰，抑制了 栅流和电流崩塌，降低了欧姆接触电阻，又增大了沟道电子气密度和场效应 管电流，提高了器件工作效率，输出功率和可靠性。本发明的技术解决方案 一种制造AlGaN/AlInN复合势垒氮化镓场效应管的方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤一、在衬底上依次生长成核层、AlGaN缓冲层、GaN沟道层、A1N隔离层 和AlInN下势垒层，使沟道中产生高电子气密度；二、 在AlInN下势垒层上覆盖AlGaN上势垒层，构成复合势垒；三、 用微电子工艺减薄AlGaN上势垒层上除预留制作栅电极的区域以外 的AlGaN上势垒层；四、 在AlGaN上势垒层的被减薄部分上制作源电极和漏电极；五、在AlGaN上势垒层上的预留制作栅电极的区域上制作栅电极。 本发明的优点把AlInN和AlGaN组合成复合势垒以后不仅展宽了势垒， 完善了沟道阱结构，增强了电子气的二维特性，而且AlGaN/AlInN异质界面 上的强负极化电荷大大提高了能带剪裁的力度，满足了欧姆接触、肖特基势 垒、栅下沟道和栅外沟道各处不同异质结构的要求。使用这种新复合势垒以 后，不仅可以利用AlInN/GaN异质结来实现高跨导、高电子气密度、低夹断 电压的沟道阱，降低缺陷和陷阱密度，还能利用AlGaN上势垒来抑制隧穿电 流，降低电流崩塌和栅流。复合势垒的高能带剪裁力度不仅大大提高了栅外 沟道和欧姆接触处的电子气密度，显著降低了欧姆接触和沟道串联电阻，而 且栅外沟道和栅下沟道间巨大的电子气密度差显著改变了沟道电场分布，弱 化了强场峰，抑制了电流崩塌，提高了器件的射频性能和可靠性。利用高力 度的能带剪裁还可以设计制造出高效的薄势垒，解决短栅长场效应管中的短 沟道效应，制成高性能的毫米波场效应管。
附图1是本发明的复合势垒GaN场效应管电极和势垒结构图。 附图2是本发明的复合势垒GaN场效应管的材料结构图。 附图3是本发明的复合势垒GaN场效应管结构图。附图中1是源，2是栅，3是漏，4是源势垒，5是源一栅电极间的势垒， 6是栅势垒，7是栅一漏电极间的势垒，8是漏势垒，9是衬底，10是成核层， 11是AlGaN缓冲层，12是GaN沟道层，13是A1N隔离层，14是AlInN下势 垒层，15是AlGaN上势垒层，16是栅电极，17是源电极，18是漏电极。
具体实施方式
对照附图1，其结构是源1，栅2，漏3分别表示场效应管的源、栅和 漏电极，电极下的源势垒4、栅势垒6、和漏势垒8表示源、栅和漏的异质 结构。源一栅电极间的势垒5和栅一漏电极间的势垒7表示电极间的异质结 构。复合势垒场效应管要求栅势垒6具有高而宽的势垒来抑制热离子发射和 隧穿电流，而且其沟道中的电子气密度较低，容易夹断，降低沟道电场。源 势垒4和漏势垒8具有薄势垒，而且沟道电子气密度较高，易于制作低阻欧姆接触。而源一栅电极间的势垒5和栅一漏电极间的势垒7是电子气密度渐变的异质结构，能够弱化强场峰和降低沟道串联电阻。显然无法通过优化设 计来生长出满足这些要求的异质结构。只能优化设计出一种可塑性异质结 构，然后再在器件制造中寻求新的剪裁各部分异质结构的工艺，来满足变异势垒要求。前述的AlGaN/AlInN复合势垒正好能用来制作这种可塑性异质结。 通过优化设计，生长适当厚度的AlGaN上势垒层来提高势垒高度和增加势垒 宽度，降低栅流。同时减少沟道中的电子气密度来提高夹断电压，压低沟道 中的强场峰。然后用氯基电感耦合等离子体干式腐蚀等微电子工艺来减薄 AlGaN上势垒层的厚度，增大电子气密度，制成图3所示的器件异质结构。 它满足源势垒4、源一栅电极间的势垒5、栅势垒6、栅一漏电极间的势垒7 和漏势垒8各部分沟道的要求，制成低栅流高可靠的复合势垒场效应管。对照附图2、 3，描述复合势垒GaN场效应管的制作方法的步骤在衬底 9上生长成核层10， AlGaN缓冲层ll和GaN沟道层12;然后生长A1N隔离 层13和AlInN下势垒层14，使沟道中产生高电子气密度；然后覆盖适当A1 组份比和厚度的AlGaN上势垒层15来提高势垒高度，增加势垒宽度，抑制 栅流和降低沟道电子气密度；完成台面隔离后首先光刻开窗，用氯基电感耦 合等离子体干式腐蚀工艺减薄除图3中栅电极下以外的AlGaN上势垒层，截 断栅电极16上电子横向隧穿到AlGaN上势垒层15的通路，降低栅流。利用减薄的AlGaN上势垒层来提高下面沟道中的电子气密度，控制沟道 夹断时栅下沟道同减薄的AlGaN上势垒层下沟道间的电导率差，弱化强场峰。 再在减薄的AlGaN上势垒层15上制作源电极17和漏电极18。通过高温合金 形成AlInN/AlN/GaN异质结，显著提高电子气密度，产生大隧穿电流，降低 欧姆接触电阻。减薄的AlGaN上势垒层增强了沟道电子气密度，降低了沟道 的串联电阻。从而制成从栅到漏异质结构逐渐改变的复合势垒场效应管，既 降低了栅流和源、漏欧姆接触电阻又弱化了沟道中的强场峰，抑制了电流崩 塌，提高了可靠性。实施例1:选取低铝(Al)组份比合金Al。.。,Ga。.96N为缓冲层11,生长15nm不掺杂GaN作沟道层12,再在其上生长2nm不掺杂AlN隔离层13和4nm不掺杂Al。.83ln。.nN 下势垒层14，最后覆盖6nm不掺杂Al。.3Ga。.7N上势垒层15。自洽求解薛定谔 方程和泊松方程算得沟道电子气密度为15.29X1012cm—2，夹断电压为-4V。当 减薄的Al。.3GaQ.7N上势垒层为2mn时，算得的电子气密度为1. 696X 1013cm—2。 制作欧姆电极经高温合金后，源电极17和漏电极18下形成的 Al。.83lnanN/AlN/GaN异质结电子气密度高达2. 96X1013cm—2。大大降低了欧姆实施例2:选取低铝(A1)组份比合金AlQ.MGaa96N为缓冲层11，生长15nm 不掺杂GaN作沟道层12，再在其上生长2nm不掺杂A1N隔离层13和4nm不 掺杂Al。.83In。.17N下势垒层14，最后覆盖6nm不掺杂GaN上势垒层15。自洽 求解薛定谔方程和泊松方程算得沟道电子气密度为9.097X1012cnT2，夹断电 压为-2.8V。当减薄的GaN上势垒层为2nm时，算得的电子气密度为13. 645 X1012cnT2。减薄势垒使电子气密度增加了 4. 55X1012cm—2，显著减弱了沟道中 的强场峰。制作欧姆电极经高温合金后，源电极17和漏电极18下形成的 Al。.8jn。.nN/AlN/GaN异质结电子气密度高达2.96X10'3cnf2。大大降低了欧姆实施例3:选取低铝(Al)组份比合金Al。,。4Ga。.96N为缓冲层11,生长15nm 不掺杂GaN作沟道层12，再在其上生长2nm不掺杂A1N隔离层13和4mn不 掺杂Al0.83In0.17N下势垒层14，最后覆盖5nm不掺杂Al^Ga^N上势垒层15。 自洽求解薛定谔方程和泊松方程算得沟道电子气密度为11.56X1012cm—2，夹 断电压为-2.8V。当减薄的Al。.,Ga。.9N上势垒层为2nm时，算得的电子气密度 为1.457X10l3cm—2。减薄势垒使电子气密度增加了 3. 01X 1012Crrf2，显著减弱 了沟道中的强场峰。制作欧姆电极经高温合金后，源电极17和漏电极18下 形成的AlQ83In。.17N/AlN/GaN异质结电子气密度高达2. 96X 1013cm—2。大大降低 了欧姆接触电阻。本发明把这种新AlInN势垒和现用的AlGaN势垒结合起来构成新的复合 势垒。利用AlIriN/GaN异质界面上的强极化电荷和大能带带隙来增强沟道电 子气密度，减少异质结的应变和缺陷密度。同时利用AlGaN/AlInN异质界面上的负极化电荷来抬高势垒，增加势垒宽度，缔造完美的沟道阱来容纳高密 度的二维电子气。使大射频电压摆动下沟道中的电子气仍保持强二维特性，由此来研制高性能的大功率场效应管。在这种复合势垒中，改变AlGaN上势 垒的组份比和厚度时，可以方便地控制AlGaN/AlInN异质界面上负极化电荷 的大小和位置来剪裁沟道阱能带，有效控制沟道阱位和电子气密度，大大提 高了能带剪裁的力度。可以方便地控制二维异质结能带，抑制沟道中的强场 峰和电流崩塌，显著提高器件的输出功率和效率，改善稳定性和可靠性。
权利要求
1、一种制造AlGaN/AlInN复合势垒氮化镓场效应管的方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤一、在衬底(9)上依次生长成核层(10)、AlGaN缓冲层(11)、GaN沟道层(12)、AlN隔离层(13)和AlInN下势垒层(14)，使沟道中产生高电子气密度；二、在AlInN下势垒层(14)上覆盖AlGaN上势垒层(15)，构成复合势垒；三、用微电子工艺减薄AlGaN上势垒层(15)上除预留制作栅电极的区域以外的AlGaN上势垒层(15)；四、在AlGaN上势垒层(15)的被减薄部分上制作源电极(17)和漏电极(18)；五、在AlGaN上势垒层(15)上的预留制作栅电极的区域上制作栅电极(16)。
2、 根据权利要求1所述的一种制造AlGaN/AlInN复合势垒氮化镓场效 应管的方法，其特征是所述的AlGaN上势垒层(15)的厚度是3mn 8nm。
3、 根据权利要求1所述的一种制造AlGaN/AlInN复合势垒氮化镓场效 应管的方法，其特征是所述的复合势垒层的厚度是8 20mn。
4、根据权利要求1所述的一种制造AlGaN/AlInN复合势垒氮化镓场效应 管的方法，其特征是所述的栅电极覆盖部分以外被减薄的AlGaN上势垒层 (15)的厚度是2nm 5nm。
全文摘要
本发明是一种制造AlGaN/AlInN复合势垒氮化镓场效应管的方法，工艺步骤分为，在衬底上依次生长成核层、AlGaN缓冲层、GaN沟道层、AlN隔离层和AlInN下势垒层；在AlInN下势垒层上覆盖AlGaN上势垒层，构成复合势垒；用微电子工艺减薄AlGaN上势垒层上除预留制作栅电极的区域以外的AlGaN上势垒层；在其被减薄部分上制作源电极和漏电极；在AlGaN上势垒层上的预留制作栅电极的区域上制作栅电极。优点展宽和提高势垒，完善沟道阱结构，增强电子气的二维特性，而且AlGaN/AlInN异质界面上的强负极化电荷提高能带剪裁的力度，满足欧姆接触、肖特基势垒、栅下沟道和栅外沟道各处不同异质结构的要求。
文档编号H01L21/02GK101404256SQ200810155399
公开日2009年4月8日 申请日期2008年10月28日 优先权日2008年10月28日
发明者薛舫时 申请人:中国电子科技集团公司第五十五研究所