一种制造电子气背势垒氮化镓异质结场效应管的方法

摘要

本发明是一种制造电子气背势垒氮化镓异质结场效应管的方法，其特征是为场效应管栅电极下的内沟道和栅电极外的外沟道独立设计不同的异质结构，使大射频栅压变动下外沟道中始终保持足够的电子气密度，利用电子负电荷来产生背势垒，抑制器件射频工作中外沟道的能带畸变和沟道堵塞。然后减薄势垒层制作内沟道异质结，提高栅电极对内沟道电导的控制力度，实现高效的射频工作。通过自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程研究内、外沟道的相互作用，抑制器件射频工作中的能带畸变和电流崩塌。平衡内、外沟道的电场分布，提高击穿电压。

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件的制造方法，尤其是一种制造电子气背势垒氮化镓异质结场效应管的方法。具体地说是用能带剪裁方法制造高电子气密度的氮化物异质结构作为栅电极外的外沟道，再用挖槽方法减薄栅电极下势垒层制成高跨导的内沟道异质结，使得在器件射频工作中出现的高负栅压下外沟道仍保留足够的电子气构成背势垒，强化外沟道的量子限制，抑制大信号射频工作中的外沟道能带畸变，消除外沟道堵塞，弱化电流崩塌，用以制造高效、大功率氮化镓异质结场效应晶体管的方法。属于半导体器件技术领域。

背景技术

氮化物异质结界面上的大能带带阶和强极化电荷产生高密度的二维电子气，氮化物的宽禁带又显著提高了异质结的击穿电压，使制成的异质结场效应管能在高压大电流状态下工作，显著提高了场效应管的射频工作效率和输出功率。但是，这种极性异质结也给器件研制带来一些负面影响。场效应管中的源、栅和漏电极都是高电导的金属，构成各自的等势体，横向电场为零。而势垒层是半导体，其电导率比金属低得多。电场连续条件要求势垒层与电极边界处的横向电场也为零，就在势垒层表面形成台阶状的电势分布。对此电势微商后求出的电场强度都集中在电势上升台阶处，形成沟道中的强场峰。在电场上升区和电场下降区出现很强的正、负电场梯度。这种沿沟道方向的强电场梯度通过二维泊松方程改变了沿异质结方向的电势分布和电子气的波函数。当射频负半周强负栅压到来时产生巨大的异质结能带畸变，使电场上升区中的一部分电子不能进入电场下降区，形成外沟道堵塞。降低了器件的射频电流，产生电流崩塌。加速了器件射频工作中的性能退化，降低了其使用寿命。

能带剪裁是克服外沟道堵塞的一种有效方法。申请者在求解二维泊松方程和薛定谔方程时发现，正、负电场梯度对异质结能带的作用分别相当于正、负空间电荷,它们分别引起能带下弯和上凸。如果在沟道层背面生长一层AlGaN背势垒，那么就可以利用背势垒界面上的负极化电荷来抵偿正电场梯度，弱化能带畸变。但是，AlGaN背势垒同缓冲层间产生的正极化电荷又会产生第二个沟道阱而破坏场效应管的射频工作。因此，必须把全部缓冲层都改成AlGaN层。这样不仅增大了材料生长的难度和沟道层的应变，而且AlGaN层的热导率很低，显著降低了器件的输出功率。使得目前器件研制中使用的都是低Al组份比背势垒，背势垒作用很弱。此外，理论模拟发现电场梯度分布在整个异质结内，仅仅依靠背势垒异质界面上的一层极化电荷也不能完全抵偿电场梯度的作用。特别当场效应管的栅长很短、漏压很高、夹断电压很负时，仍然难以用目前的背势垒来抑制外沟道堵塞。这一难题成为制约目前GaN异质结场效应管的射频性能、可靠性和推广应用主要因素。

氮化物异质结沟道阱是依靠阱内二维电子气的负电荷来产生背势垒的。当沟道夹断时，阱内电子气消失，就失去了背势垒。因此，申请者想到为内沟道和外沟道设计不同的异质结构，使内沟道夹断时外沟道还没有夹断，外沟道中仍存在电子气，可以依靠电子负电荷来构成外沟道背势垒，弱化外沟道能带畸变，解决外沟道的堵塞。理论模拟发现外沟道中的二维电子气能在电场梯度作用下移动来屏蔽电场梯度的作用。产生比现有AlGaN背势垒中单层极化电荷更好的补偿作用，更有效地消除外沟道堵塞。由此发明了新的电子气外沟道背势垒。这种新设计的电子气背势垒能在更强的负栅压下抑制异质结能带的畸变。从而解决了目前AlGaN背势垒大热阻和难以完全抑制能带畸变的难点，为GaN异质结场效应管的研究开辟了新途径。

从电子气背势垒设计理念出发，申请者用自编的自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程的软件来分别优化设计内、外沟道的异质结构。目前GaNHFET中的异质结势垒层都使用Al组份比低于0.3的AlGaN层。虽然提高Al组份比异质结能够增大电子气密度和沟道电流，但是高Al组份比异质结的夹断电压低，在强负栅压下外沟道电场梯度增大，会引发更强的外沟道堵塞。而低Al组份比势垒层又增大了外沟道的串联电阻，降低了电子气密度、沟道电流、器件的PAE和输出功率。此外，Al组份比较低时，为了产生足够的电子气密度和沟道电流，必须保留足够的内沟道的势垒层厚度。降低了内、外沟道异质结构的差别，难以设计出有效的外沟道电子气背势垒。从独立设计内、外沟道的理念出发，申请者选用了较高Al组份比的势垒层，利用挖槽工艺来减薄内沟道势垒层，降低内沟道电子气密度，提高栅电极对内沟道电导的控制力度，增大器件跨导。这样在内沟道射频工作的大栅压变动范围内，外沟道始终保留足够的电子气来构成背势垒，消除外沟道堵塞。而且，高Al组份比势垒又降低了外沟道的串联电阻。然后自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程来研究各种栅、漏电压下的能带畸变和沟道堵塞，完成内、外沟道的优化设计。

发明内容

本发明的目的旨在设计高电子气密度的外沟道异质结来增强外沟道内的电子负电荷，强化外沟道的电子气背势垒，使射频负半周内外沟道中仍保留有适当的密度电子气，依靠电子负电荷来产生背势垒，抑制外沟道的能带畸变和电流堵塞。并且利用高电子气密度的外沟道来降低外沟道串联电阻，提高器件射频工作效率和输出功率。然后使用挖槽工艺来减薄内沟道势垒层，降低内沟道电子气密度，使内沟道能在设定的栅压下夹断，增强栅电极对内沟道电导的控制力度，提高器件的夹断电压和跨导。然后自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程，研究各种栅压和漏压环境下的外沟道能带畸变和沟道堵塞，优化设计出内、外沟道两种异质结构。

本发明的技术解决方案: 一种制造电子气背势垒氮化镓异质结场效应管的方法，在衬底上依次生长GaN缓冲层、AlN、AlGaN、AlInN等势垒层构成异质结来形成栅电极外的外沟道，然后适当减薄势垒层构筑内沟道异质结，再在内沟道异质结上淀积栅金属层制成栅电极。使大射频栅压变动范围内外沟道中始终保持足够的电子气，依靠电子气的负电荷来构筑背势垒，还包括如下工艺步骤：

（1）针对器件工作要求的射频电压和电流来设计栅电极外的外沟道异质结构，使射频栅压变动范围内外沟道中始终保持足够的电子气密度，运用电子气的负电荷来抑制器件射频工作中电场梯度引起的异质结能带畸变，构成电子气背势垒；

（2）减薄势垒层厚度，淀积栅电极金属层，制作栅电极。控制内沟道的势垒层厚度来提高器件跨导，使选定的射频栅压变化足以控制内沟道的通断，实现场效应管的高效射频工作；

（3）自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程，研究大射频栅压摆动下的外沟道能带畸变和沟道堵塞；调节内、外沟道的异质结构，降低能抑制能带畸变和沟道堵塞的最低负栅压；扩大器件射频工作的栅压和漏压变动范围，提高器件的抗电流崩塌能力；同时优化设计外沟道的电势分布，降低强场峰，确保外沟道达到所需的击穿电压。

本发明的优点：用高Al组份比势垒层的异质结构来提高挖槽剪裁异质结能带的能力，为内、外沟道构筑不同的异质结构。薄的高Al组份比势垒内沟道增强了栅电压对沟道电导的控制力度，达到较高的跨导和器件工作所要求的电流密度。用高密度电子气外沟道中的电子气负电荷来建立外沟道的背势垒，厚外沟道势垒减少了外沟道电子气密度随栅压改变的变化，始终保持适量的背势垒来抑制大栅压、漏压变动下外沟道的能带畸变和沟道堵塞。并且用高密度电子气外沟道来降低外沟道串联电阻，提高器件射频工作效率和输出功率。通过内、外沟道异质结构的独立设计，来优化内、外沟道的相互作用，弱化外沟道中的强场峰，提高击穿电压，抑制外沟道堵塞，降低电流崩塌和器件射频工作中的性能退化，改善器件的可靠性，扩大器件的应用范围。电子气背势垒既避免了AlGaN缓冲层引起的应变，有利于改善异质结材料质量、电子气输运性能和器件可靠性，又消除了AlGaN缓冲层大热阻带来的弊病，可望将背势垒真正应用于GaNHFET的批量生产中，使高效大功率GaNHFET的研究开发跨上新的台阶。

具体实施方式

一种制造电子气背势垒氮化镓异质结场效应管的方法，在衬底上依次生长GaN缓冲层、AlN、AlGaN、AlInN等势垒层构成异质结来形成栅电极外的外沟道，然后适当减薄势垒层构筑内沟道异质结，再在内沟道异质结上淀积栅金属层制成栅电极。使大射频栅压变动范围内外沟道中始终保持足够的电子气，依靠电子气的负电荷来构筑背势垒，其特征是还包括如下工艺步骤：

（1）针对器件工作要求的射频电压和电流来设计栅电极外的外沟道异质结构，使射频栅压变动范围内外沟道中始终保持足够的电子气密度，运用电子气的负电荷来抑制器件射频工作中电场梯度引起的异质结能带畸变，构成电子气背势垒；

（2）减薄势垒层厚度，淀积栅电极金属层，制作栅电极。控制内沟道的势垒层厚度来提高器件跨导，使选定的射频栅压变化足以控制内沟道的通断，实现场效应管的高效射频工作；

（3）自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程，研究大射频栅压摆动下的外沟道能带畸变和沟道堵塞；调节内、外沟道的异质结构，降低能抑制能带畸变和沟道堵塞的最低负栅压；扩大器件射频工作的栅压和漏压变动范围，提高器件的抗电流崩塌能力；同时优化设计外沟道的电势分布，降低强场峰，确保外沟道达到所需的击穿电压。

氮化物异质结沟道阱中的电子气密度随势垒层增厚而增大，在厚势垒层下电子气密度逐渐趋于饱和。目前的异质结优化设计对内、外沟道都只考虑一种异质结构。往往选用电子气密度接近饱和的势垒层厚度。因此Al组份比和势垒层厚度间存在一定的关联，能带剪裁的余地不大。本专利提出独立设计内、外沟道两种异质结构，提高了优化设计异质结构的力度。首先选用Al组份比较高的势垒层来提高内沟道挖槽的能带剪裁力度。控制内沟道势垒层厚度来达到所需的电子气密度和沟道电流，提高器件跨导。然后增厚外沟道高Al组份比势垒层的厚度来增大外沟道电子气密度，降低外沟道电子气密度随表面势的变化，形成较大的内、外沟道夹断电压差，使内沟道夹断以后外沟道仍保留适当的电子气来构成电子气背势垒，消除外沟道能带畸变和沟道堵塞。再自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程来计算不同电场梯度和负栅压下的异质结能带。优化设计内、外沟道异质结构，使器件在高漏压和强负栅压下不产生显著能带畸变和沟道堵塞。并且开展内、外沟道的相互作用研究，用两沟道间的电子气密度差来降低沟道强场峰，提高击穿电压。从而弱化电流崩塌，增大射频电流，提高器件PAE和输出功率，减少器件射频工作中的性能退化，提高可靠性。

使用常规的器件制作工艺来制作场效应管。在完成欧姆接触后用光刻和挖槽工艺把内沟道势垒层减薄到所设计的厚度，再在势垒层上覆盖栅电极，制成挖槽场效应管。

实施例1

考虑最常用的AlGaN/GaN异质结沟道阱。选用Al组份比较高的Al0.35Ga0.65N势垒层来增大挖槽能带剪裁力度。取内沟道层厚15nm，自洽求解泊松方程和薛定谔方程得到沟道电子气密度为9.48*1012cm-2，夹断电压为-3.2V。选取30nm厚的外沟道势垒层，求得的电子气密度为1.245*1013cm-2，在内沟道夹断的-3.2V栅压下沟道中仍有7.16*1012cm-2的电子气密度，外沟道在-7.7V栅压下才夹断。内、外沟道的电子气密度差使内沟道夹断时外沟道中仍有较强的电子气背势垒。在3*1011V/cm2的强电场梯度下，外沟道电子气密度升高，在-7V强负栅压下外沟道中仍保留5.27*1012cm-2的电子气密度。自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程证明在这样高的负栅压下电子气背势垒仍能抑制能带畸变和沟道堵塞。从而确保能在B类工作条件下消除电流崩塌，实现高效大功率输出。

实施例2

考虑用AlN插入层来提高AlGaN/GaN异质结沟道阱的电子迁移率。选用10nmAl0.35Ga0.65N/1nmAlN势垒层来构筑内沟道异质结。自洽求解泊松方程和薛定谔方程得到沟道电子气密度为1.15*1013cm-2，夹断电压为-3V。选取25nmAl0.35Ga0.65N/1nmAlN的外沟道势垒层，求得的电子气密度为1.37*1013cm-2，在内沟道夹断的-3V栅压下外沟道中仍有8.12*1012cm-2的电子气密度，外沟道在-7.6V栅压下才夹断。内、外沟道的电子气密度差使内沟道夹断时外沟道中仍有较强的电子气背势垒。在3*1011V/cm2的强电场梯度下，外沟道电子气密度升高，在-8V强负栅压下外沟道中仍保留3.5*1012cm-2的电子气密度。自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程证明在这样高的负栅压下电子气背势垒仍能抑制能带畸变和沟道堵塞。从而确保能在B类工作条件下消除电流崩塌，实现高效大功率输出。

实施例3

考虑AlInN/GaN晶格匹配高Al组份比异质结沟道阱。选用5nmAl0.83In0.17N/1nmAlN势垒层来构筑内沟道异质结。自洽求解泊松方程和薛定谔方程得到沟道电子气密度为2.72*1013cm-2，夹断电压为-4V。选取15nmAl0.83In0.17N/1nmAlN的外沟道势垒层，求得的电子气密度为3.26*1013cm-2，在内沟道夹断的-4V栅压下沟道中仍有1.95*1013cm-2的电子气密度，外沟道在-10.6V栅压下才夹断。内、外沟道的电子气密度差使内沟道夹断时外沟道中仍有较强的电子气背势垒。在3*1011V/cm2的强电场梯度下，外沟道电子气密度升高，在-11V强负栅压下外沟道中仍保留3.87*1012cm-2的电子气密度。自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程证明在这样高的负栅压下电子气背势垒仍能抑制能带畸变和沟道堵塞。从而确保能在B类工作条件下消除电流崩塌，实现高效大功率输出。