一种制造氮面极性AlN/AlInN复合背势垒氮化镓场效应管的方法

摘要

本发明公开了一种制造氮面极性AlN/AlInN复合背势垒氮化镓场效应管的方法，该方法的步骤包括在衬底上依次生长氮面极性GaN缓冲层、AlInN调制掺杂层、δ掺杂层、AlInN背势垒隔离层、AlN背势垒隔离层、GaN沟道层和AlGaN前势垒层；由调制掺杂的AlN/AlInN复合背势垒层产生高密度电子气和强背势垒来强化沟道电子气的二维特性，制成高性能氮面极性场效应管。本发明可以增大电子气密度和增厚背势垒，强化背势垒的量子限制和降低势垒层应变及缺陷密度；利用复合背势垒提供的强调制掺杂来进行沟道阱和前势垒的优化设计，既可以改善前势垒的量子限制，提高器件跨导和线性特性，又能优化肖特基势垒和欧姆接触的性能；适用于研究大功率、高PAE和毫米波高频的高可靠场效应管。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造半导体器件的方法，具体涉及一种制造氮面极性AlN/AlInN复合背势垒氮化镓场效应管的方法。该方法是用氮面极性背势垒来构筑高密度、强二维特性的电子气，并用以制造大功率、高可靠氮化镓场效应晶体管。

背景技术

氮化物是一种极性材料，具有Ga面和N面两种极性。目前研制的场效应管大多使用Ga面极性。在Ga面极性材料中，AlGaN/GaN异质界面上存在正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，这种强极化电荷在产生高密度电子气的同时，也带来了一些负面影响。场效应管要求在沟道阱的两端都建立高势垒，强化沟道阱的量子限制和电子气的二维特性。但是，构筑沟道阱背面的势垒时，在背势垒层终端也产生一层正极化电荷，形成第二个副沟道阱，产生平行电导而使沟道夹不断。目前国外许多研究单位都在研究另一种极性，即氮面极性材料。在氮面极性下，背势垒终端产生的是负极化电荷，它抬高势垒而不会形成副沟道阱，解决了背势垒的难题。但是，这种极性下，AlGaN/GaN界面上出现负极化电荷，不能产生二维电子气。为此，必须在背势垒中加入强调制掺杂来产生二维电子气。为了强化背势垒和提高调制掺杂效率，大家都使用AlN势垒和强δ掺杂。但是，AlN和GaN间存在很大的晶格失配，难以在GaN上生长3nm以上的赝配AlN层。这种薄AlN势垒层加δ掺杂异质结构不但应力大，生长难度高，缺陷多，而且薄势垒难以阻止沟道中的高能电子隧穿到缓冲层，调制掺杂效率又低，常常要设计很宽的GaN沟道阱来提高电子气密度。随着GaN沟道阱宽的增加，电子气二维特性下降，场效应管跨导降低。此外，在沟道层上生长前势垒又会降低电子气密度。因此妨碍了器件性能的改善。为了提高背势垒中的调制掺杂效率，必须使用能带剪裁方法来设计新的背势垒结构。最近，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。用这种晶格匹配的新材料可以显著增大背势垒的厚度。而AlInN同GaN沟道间存在大能带带隙，在AlInN势垒层中掺杂又能提高调制掺杂的效率，从而在N面异质结中产生强二维电子气。另一方面，场效应管是依靠栅电极来控制沟道电导的；栅电极又是通过前势垒来实现调控的。这样，前势垒在器件工作中仍然起着至关重要的作用。目前的氮面极性异质结构设计中为了提高电子气密度就不能顾及前势垒，而仅使用简单的宽GaN沟道阱。这不仅增大了栅电极的泄漏电流，而且显著降低了器件的跨导和线性特性。此外，沟道阱中的电子波函数容易向表面渗透，隧穿到表面态而引起电流崩塌。使用AlN/AlInN复合背势垒，可以达到很高的调制掺杂效率，足以产生强二维电子气；从而能优化设计前势垒，进一步改善场效应管的性能。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种制造氮面极性AlN/AlInN复合背势垒氮化镓场效应管的方法，该方法利用氮面极性AlN/AlInN复合势垒来构筑背势垒，增加背势垒的宽度，降低背势垒中的应变和缺陷，提高调制掺杂的效率和沟道中的电子气密度；同时，优化设计沟道的前势垒，提高前势垒高度，降低沟道阱的阱宽，强化前势垒的量子限制，提高栅电极对沟道电导的控制力度，阻止沟道电子隧穿到表面态。由此来改善沟道电子的输运性能，提高器件跨导和线性性能，抑制电流崩塌。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种制造氮面极性AlN/AlInN复合背势垒氮化镓场效应管的方法，该方法包括以下步骤：1)在衬底上依次生长氮面极性GaN缓冲层和与GaN晶格匹配的AlInN调制掺杂层；2)在AlInN调制掺杂层上依次生长δ掺杂层、AlInN背势垒隔离层和AlN背势垒隔离层，构成AlN/AlInN复合背势垒；3)在AlN/AlInN复合背势垒上生长GaN沟道层和AlGaN前势垒层；4)用干法工艺腐蚀完AlGaN前势垒层后直接在GaN沟道层上制作源、漏欧姆接触；5)在AlGaN前势垒层上制作肖特基势垒，用能带剪裁方法强化AlGaN前势垒层的量子限制，提高肖特基势垒高度和宽度降低栅流，提高跨导和器件工作的线性特性。

所述AlInN调制掺杂层的厚度为10～40nm。

所述AlInN背势垒隔离层的厚度为4nm。

在AlN背势垒隔离层下面生长AlInN背势垒，利用AlInN晶格和GaN晶格匹配的特性，可以加宽背势垒，防止沟道中的高能电子隧穿到缓冲层而引起泄漏电流；还能抑制器件射频工作过程中，薄AlN背势垒局部点击穿引起的背势垒崩溃，提高器件可靠性。

在δ掺杂层下面设置厚AlInN背势垒层就能在AlInN层内掺杂来实现调制掺杂，提高调制掺杂力度，增大沟道中的电子气密度。优化设计AlN背势垒隔离层和AlInN背势垒隔离层的厚度、δ掺杂层的掺杂强度和AlInN调制掺杂层的厚度和掺杂浓度，可以在达到高密度电子气前提下降低背势垒中的应变和缺陷密度，提高沟道阱材料质量和电子气的输运特性。

在提高沟道电子气密度的前提下，可以优化设计GaN沟道层的厚度和AlGaN前势垒层的Al组份比和厚度，剪裁沟道层和前势垒的能带，强化前势垒的量子限制，提高电子气二维特性。在AlGaN前势垒层上制作肖特基势垒，可以提高势垒高度，增加前势垒宽度，既可以降低栅流，又可以提高栅电极对沟道电导的控制力度和跨导；使大栅电压动态变动下栅电容和跨导保持不变，提高器件工作的线性特性。

制作源、漏欧姆接触时，用干法工艺腐蚀完AlGaN前势垒层，直接在GaN沟道层上制作金属接触。利用GaN的低势垒高度和缩短的电极—电子气波峰间距来增大隧穿电流，降低欧姆接触电阻。

有益效果：本发明的一种制造氮面极性AlN/AlInN复合背势垒氮化镓场效应管的方法，通过把AlN背势垒隔离层和AlInN层组合成复合背势垒，不仅可以展宽背势垒，完善背势垒结构，增强电子气的二维特性，而且晶格匹配的厚AlInN层可以提供实现强调制掺杂的环境，增大调制掺杂的力度。同时，本发明还具有以下优点：1)能够显著提高势垒设计的裕度；2)可以降低晶格失配的AlN层厚度和δ掺杂强度来减少结构缺陷和陷阱密度，改善沟道电子气的输运特性，提高器件可靠性；3)能通过前势垒的优化设计来剪裁能带，强化前势垒的量子限制作用；4)为欧姆接触和肖特基势垒构筑各自的优化势垒结构，降低栅流和欧姆接触电阻，制成高性能的N面场效应管。

附图说明

附图是本发明的氮面极性AlN/AlInN复合背势垒氮化镓场效应管的材料结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

如附图所示，在衬底1上依次生长氮面极性GaN缓冲层2、AlInN调制掺杂层3、δ掺杂层4、AlInN背势垒隔离层5和AlN背势垒隔离层6，构成AlN/AlInN复合背势垒；再在复合背势垒上生长GaN沟道层7和AlGaN前势垒层8。优化设计AlInN调制掺杂层3的厚度来实现厚背势垒和高强度的调制掺杂；优化设计δ掺杂层4中的δ掺杂强度和AlInN背势垒的调制掺杂来产生高密度的二维电子气；优化设计AlInN背势垒隔离层5和AlN背势垒隔离层6的厚度，使沟道电子气远离电离杂质中心，降低沟道电子气所经受的电离杂质散射和晶格失配AlN层引起的晶格应变和缺陷；优化设计GaN沟道层7的厚度和AlGaN前势垒层8的Al组份比和厚度来强化沟道阱前势垒的量子限制和肖特基势垒及欧姆接触性能，达到设计的跨导和夹断电压。

在器件制作过程中，先用光刻和刻蚀工艺挖去源、漏欧姆接触上的AlGaN前势垒层8，直接在GaN沟道层7上制作欧姆接触，利用GaN的低势垒和缩短的欧姆电极金属与电子气间的间距来增大隧穿电流，降低欧姆接触电阻。然后，再在AlGaN前势垒层8上制作肖特基势垒。利用AlGaN高势垒来降低栅流，强化沟道阱的量子限制和栅电极对沟道电导的调控，防止沟道电子隧穿到表面态而引起电流崩塌。最终制成具有高而厚的背势垒的优质氮面极性AlN/AlInN复合背势垒氮化镓场效应管。

实施例1：

在衬底1上生长氮面极性GaN缓冲层2，在该N面GaN缓冲层2上生长10nm厚的和GaN晶格匹配的Al_0.83In_0.17N调制掺杂层3，掺杂浓度为1*10¹⁹cm^-3。再在其上生长掺杂浓度为1.5*10¹³cm^-2的δ掺杂层4、4nm厚的不掺杂Al_0.83In_0.17N背势垒隔离层5和2nm厚的不掺杂AlN隔离层6，构成AlN/AlInN复合背势垒。再在复合背势垒上生长10nm厚的不掺杂GaN沟道层7和10nm厚的不掺杂Al_0.3Ga_0.7N前势垒层8。自洽求解薛定谔方程和泊松方程算得沟道电子气密度为13.297×10¹²cm^-2，夹断电压为-5V。挖去前势垒层8以后，栅电极至沟道电子气的距离不到10nm，容易制成低阻源、漏欧姆电极。

实施例2：

在N面GaN缓冲层2上生长20nm厚的和GaN晶格匹配的Al_0.83In_0.17N调制掺杂层3，掺杂浓度为6*10¹⁸cm^-3。再在其上生长掺杂浓度为1*10¹³cm^-2的δ掺杂层4、4nm厚的不掺杂Al_0.83In_0.17N背势垒隔离层5和2nm厚的不掺杂AlN隔离层6，构成AlN/AlInN复合背势垒。再在复合背势垒上生长10nm厚的不掺杂GaN沟道层7和10nm厚的不掺杂Al_0.3Ga_0.7N前势垒层8。自洽求解薛定谔方程和泊松方程算得沟道电子气密度为11.045×10¹²cm^-2，夹断电压为-4.1V。挖去前势垒层8以后，栅电极至沟道电子气的距离不到10nm，容易制成低阻源、漏欧姆电极。

实施例3：

在衬底1上依次生长氮面极性GaN缓冲层2，在该N面GaN缓冲层2上生长40nm厚的和GaN晶格匹配的Al_0.83In_0.17N调制掺杂层3，掺杂浓度为4*10¹⁸cm^-3。再在其上生长掺杂浓度为7*10¹²cm^-2的δ掺杂层4、4nm厚的不掺杂Al_0.83In_0.17N背势垒隔离层5和2nm厚的不掺杂AlN隔离层6，构成AlN/AlInN复合背势垒。再在复合背势垒上生长10nm厚的不掺杂GaN沟道层7和10nm厚的不掺杂Al_0.3Ga_0.7N前势垒层8。自洽求解薛定谔方程和泊松方程算得沟道电子气密度为13.017×10¹²cm^-2，夹断电压为-4.9V。挖去前势垒层8以后，栅电极至沟道电子气的距离不到10nm，容易制成低阻源、漏欧姆电极。

实施例4：

在衬底1上依次生长氮面极性GaN缓冲层2，在该N面GaN缓冲层2上生长35nm厚的和GaN晶格匹配的Al_0.83In_0.17N调制掺杂层3，掺杂浓度为4*10¹⁸cm^-3。再在其上生长掺杂浓度为1*10¹³cm^-2的δ掺杂层4、4nm厚的不掺杂Al_0.83In_0.17N背势垒隔离层5和2nm厚的不掺杂AlN隔离层6，构成AlN/AlInN复合背势垒。再在复合背势垒上生长10nm厚的不掺杂GaN沟道层7和8nm厚的不掺杂Al_0.3Ga_0.7N前势垒层8。自洽求解薛定谔方程和泊松方程算得沟道电子气密度为13.847×10¹²cm^-2，夹断电压为-4.6V。挖去前势垒层8以后，栅电极至沟道电子气的距离不到10nm，容易制成低阻源、漏欧姆电极。

实施例5：

在衬底1上依次生长氮面极性GaN缓冲层2，在该N面GaN缓冲层2上生长25nm厚的和GaN晶格匹配的Al_0.83In_0.17N调制掺杂层3，掺杂浓度为6*10¹⁸cm³。再在其上生长掺杂浓度为1.4*10¹³cm^-2的δ掺杂层4、4nm厚的不掺杂Al_0.83In_0.17N背势垒隔离层5和2nm厚的不掺杂AlN隔离层6，构成AlN/AlInN复合背势垒。再在复合背势垒上生长8nm厚的不掺杂GaN沟道层7和8nm厚的不掺杂Al_0.3Ga_0.7N前势垒层8。自洽求解薛定谔方程和泊松方程算得沟道电子气密度为16.331×10¹²cm^-2，夹断电压为-4.9V。挖去前势垒层8以后，栅电极至沟道电子气的距离不到8nm，容易制成低阻源、漏欧姆电极。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。