一种氮化镓基场效应晶体管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件，特别是涉及一种氮化镓基场效应晶体管及其制备方法。
【背景技术】
[0002]氮化镓(GaN)是第三代半导体的代表，具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优异的电学特性，在半导体器件领域逐渐受到重视，其中GaN基高电子迀移率晶体管器件更是成为高频、高压、高温和大功率应用方面的首选。习知的GaN基高电子迀移率晶体管，是利用AlGaN/GaN的异质结构形成二维电子气层(2-DGE)，在源极和漏极之间通过改变栅极加压控制二维电子气的电子浓度，从而控制晶体管的工作状态。
[0003]在目前的GaN基晶体管中，栅极材料多采用普通的金属材料。因其在高电流与高电压的状态下操作，栅极之热稳定与散热性一直都是重要的研宄主题。但目前常使用的金属，如钨(W)虽有很好的热稳定性，熔点可达3400°C以上，可是由于功函数太低，造成肖特基接触(Schottky contact)不佳。而钼(Mo)作为常被使用的金属，恪点可达2600°C以上，但其热稳定性不佳，难以达到需求。
[0004]另外，氮化镓晶体管一般是耗尽型工作，要实现增强型工作，目前有采用氟(F)电浆处理、N2O电浆处理，但电浆处理所造成的电浆伤害，会造成组件的稳定性不足。此外，亦有使用Cascode的方式，但制成过程复杂、封装特殊、工艺要求高、良率低，难以实际应用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种以类钻碳(Diamond-likecarbon)作为栅极材料的高离子迀移率氮化镓基场效应晶体管及其制备方法。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案:一种氮化镓基场效应晶体管，包括有由下至上依次层叠的衬底、缓冲层、氮化镓(GaN)层、氮化铝镓(AlGaN)层，及设置于氮化铝镓层上的源极、漏极和位于两者之间的栅极。所述栅极是由导电类钻碳(Diamond-likecarbon ；DLC)制成，所述导电DLC中，sp2键的含量大于50%。
[0007]优选的，还包括一设置于所述氮化铝镓层上所述源极和漏极之间的绝缘层，所述栅极设置于所述绝缘层上；所述绝缘层是Gd203、Pr203、La203、HfO2, ZrO2, A1203、Y2O3, Sc2O3,Er2O3 > Ta2O5> HfZrO> 六11^03或 Nb 205。
[0008]优选的，所述氮化铝镓层的上表面部分下凹形成沟槽，所述栅极设置于所述沟槽上。
[0009]优选的，所述导电DLC是P型掺杂DLC，掺杂有小于5?〖％的硼(B)、铝(Al)、铟(In)中的一种或其组合。
[0010]优选的，还包括一设置于所述氮化铝镓层上方并至少覆盖所述源极、漏极及栅极部分表面的钝化层，所述钝化层是Si02、SiNx或绝缘DLC，其中所述绝缘DLC中，sp2键的含量小于20%。
[0011]优选的，所述源极、漏极和栅极顶端分别设置有加厚电极，所述加厚电极选自Ti/Au、Ti/Al、Ti/Pt/Au 或 Cr/Au 的多金属层。
[0012]优选的，还包括有设置于所述栅极和所述加厚电极之间的金属电极层，所述金属电极层是T1、N1、Cu、Al、Pt、W、Mo、Cr、Au或上述金属的组合层。
[0013]一种上述氮化镓基场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤:
[0014](I)于一衬底上依次外延形成缓冲层、氮化镓(GaN)层及氮化铝镓(AlGaN)层；
[0015](2)于氮化铝镓层表面上形成源极和漏极；
[0016](3)于源极和漏极之间的区域形成导电类钻碳的栅极，其中所述导电类钻碳sp2键的含量大于50% ；
[0017](4)沉积一钝化层，所述钝化层覆盖所述氮化铝镓层、源极、栅极和漏极；
[0018](5)于所述源极、栅极和漏极的顶端开窗镀上加厚电极。
[0019]优选的，步骤(2)具体包括以下步骤:
[0020]通过电子束蒸镀的方法于氮化铝镓(AlGaN)层表面的两个区域分别依次蒸镀上Ti/Al/Ni/Au多金属层，其中所述Ti/Al/Ni/Au的厚度分别是25/125/45/55nm ；
[0021]于800-950°C下退火5_45秒形成欧姆接触，形成所述源极和漏极。
[0022]优选的，所述导电类钻碳是采用磁控溅镀、离子蒸镀、电弧离子蒸镀或化学气相沉积的方法沉积于氮化铝镓(AlGaN)层表面上形成所述栅极。
[0023]优选的，还包括于所述源极和漏极之间所述氮化铝镓层的表面上形成一绝缘层的步骤，所述导电类钻碳是采用磁控溅镀、离子蒸镀、电弧离子蒸镀或化学气相沉积的方法沉积于绝缘层表面上形成所述栅极。
[0024]优选的，还包括于所述氮化铝镓层的表面上干法蚀刻形成一沟槽的步骤，所述导电类钻碳设置于所述沟槽上形成所述栅极。
[0025]优选的，步骤(3)中，还包括于所述栅极顶端沉积一金属电极层的子步骤。
[0026]本发明的有益效果是:
[0027]1、类钻碳是空间立体结构(金刚石，sp3键)和平面网状结构(石墨，sp2键)共存的结构，通过调整二者的比例关系，可以调整其热学及电学性能。其中sp2含量大于50%的类钻碳呈现出近似石墨的形态，具有导电的特性；同时由于其金刚石结构的存在，导热性能及热稳定性能良好，作为栅极材料可以有效降低晶体管器件的自发性热效应，满足高压、高温工作的需求，提高器件的稳定性。
[0028]2、通过掺杂二或三价元素形成P型类钻碳作为栅极材料来调整栅极的电阻值及极性，通过P-n接触面提高了势皇，进而提高阈值电压至大于0，实现了增强型工作的目的；对AlGaN/GaN异质结界面特性无影响，不会造成性能的退化。
[0029]3、于表面覆盖钝化层，减少了电流崩塌效应，削弱外界环境对晶体管器件的影响；采用sp2〈20%的近似金刚石形态的绝缘类钻碳，散热性能良好，抗压耐腐蚀，可以很好的保护晶体管器件。
[0030]4、制程简单，无特殊工艺要求，可控性强，适于实际生产应用。
【附图说明】
[0031]图1为本发明第一实施例的结构示意图；
[0032]图2为本发明第二实施例的结构示意图；
[0033]图3为本发明第三实施例的结构示意图；
[0034]图4为本发明第四实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0035]以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
[0036]实施例1
[0037]参考图1，本实施例的晶体管100，由下至上依次层叠有衬底101、缓冲层102、氮化镓层103及氮化铝镓层104，氮化铝镓层104的上表面设置有源极105、漏极106及位于两者之间的绝缘层107，绝缘层107上设置有栅极108，栅极108顶端设置有金属电极层109。在上述结构的上方覆盖有钝化层110，钝化层110于源极105、漏极106及金属电极层109的上方分别设有开口，并在开口分别设置有加厚电极IllaUllb及111c。
[0038]绝缘层107 可以是氧化物，例如 Gd2O3、Pr2O3、La203、HfO2, ZrO2、Al2O3' Y203、Sc203、Er2O3N Ta2O5> HfZrO> 六11^03或 Nb 205。
[0039]栅极108是由导电类钻碳(Diamond-like carbon ；DLC)制成。导电DLC可以是无其他元素掺杂的结构，其sp2键的含量大于50%，偏向于石墨结构，具有良好的导电性能。
[0040]金属电极层109可以是T1、N1、Cu、Al、Pt、W、Mo、Cr、Au或上述金属的组合层。
[0041]钝化层110是Si02、SiNx或绝缘DLC，其中绝缘DLC可以是无其他元素掺杂的结构，其，其sp2键的含量小于20%，偏向于金刚石结构，具有绝缘特性。
[0042]加厚电极IllaUllb 及 Illc 选自 Ti/Au、Ti/Al、Ti/Pt/Au 或 Cr/Au 的多金属层。
[0043]本实施例的晶体管100在零栅偏压下，氮化镓层及氮化铝镓层之间自然形成二维电子气层(2-DGE)，属于耗尽型晶体管，导电栅极108/氧化物绝缘层107/氮化铝镓层104形成MIS接触，有利于抑制栅泄露电流，提高可靠性。
[0044]制备晶体管100的方法，包括以下步骤:
[0045]1-1:于衬底101上依次外延形成缓冲层102、氮化镓层103及氮化铝镓层104，制得试片；
[0046]1-2:清洗试片，清洗完毕后利用干蚀刻(RIE或ICP)的方式将器件主动区以外的外延层蚀刻干净，蚀刻深度约为200nm，使用电子束蒸镀机于主动区氮化铝镓层104表面的两个区域分别依次蒸镀上Ti/Al/Ni/Au多金属层，其中Ti/Al/Ni/Au各层的厚度分别是25/125/45/55nm，蒸镀后放入快速退火机，于800-950 °C下退火5_45秒。作为一种优选的方式，可于850°C下退火30秒使金属与氮化铝镓层104之间形成欧姆接触，形成源极105和漏极 106 ；
[0047]1-3:于氮化铝镓层104表面源极105和漏极106之间沉积上绝缘层107 ；
[0048]1-4:于绝缘层107上通过磁控溅镀、离子蒸镀、电弧离子蒸镀或化学气相沉积等方法沉积导电类钻碳形成栅极108 ;
[0049]1-5:于栅极108上蒸镀金属电极层109 ；
[0050]1-6:通过原子层沉积、溅射或等离子体增强化学气相沉积法沉积钝化层110以覆盖上述