[发明专利]制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料生长和器件制备技术领域，特别是指一种制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，该方法采用氮化铟盖帽层调节铝镓氮/氮化镓异质结能带形状，使异质结界面处的二维电子气耗尽，实现器件的增强型工作模式。

背景技术

氮化镓作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有高临界击穿电场、高电子饱和漂移速度和优良的热稳定性、化学稳定性、极强的抗辐射能力，是世界范围内竞相研究的热点。由于自发极化和压电极化作用，在铝镓氮/氮化镓异质结界面处形成的二维电子气浓度达10¹³cm^-2，迁移率达2000cm²/V.s以上，这一特性使铝镓氮/氮化镓异质结构材料不但在制备耐高温、抗辐照、高频大功率微波器件方面优势显著，而且在制备高速、低损耗、高压电力开关和抗辐照高速数字电路方面有其它半导体材料无可比拟的优势。也正是由于极化效应的存在，使铝镓氮/氮化镓异质结构和传统的磷化铟、砷化镓基异质结构完全不同，制备增强型器件困难重重，研究进展非常缓慢。

多年来，铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的研究主要集中在耗尽型器件方面，但是在实际的应用中，对增强型器件有强烈的需求。首先，在电力开关器件方面，增强型器件更符合电力系统对安全和节能的需求，而且有利于系统的小型化；其次，在超高速数字电路中，增强型器件是构成反相器的必备元件，而反相器又是构成大型数字系统的核心单元。最后，在微波应用方面，增强型器件与电路的其它部分可以很好地兼容，不需要设计独立的电源。

当前，上述领域还是以硅器件和砷化镓器件为主要元件。因此研制出高可靠性的增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管意义非常重大，随着氮化物材料研究的逐渐趋于成熟，与增强型器件相关的研究工作正在全面开展。

最早的增强型器件是Asif.Kan领导的研究小组制备的，通过将铝镓氮势垒层的总厚度减小到10纳米左右，降低沟道二维电子气浓度，获得阈值电压约0.05伏的器件。但是，用这种方法制备的器件，由于整个沟道中二维电子气浓度极低，所以器件的通态电阻很高，功耗很高，在应用方面没有太大的竞争力。

在这种思路的启迪下，有人从器件工艺的角度入手，用挖槽的办法只减薄栅电极正下方的势垒层厚度，降低此处的二维电子气浓度，制备出了最高阈值电压约0.5伏的增强型器件，通态电阻也比较低，但是工艺难度很大、几乎没有重复性。也有研究小组通过制备P型氮化镓盖帽层的方法研制增强型器件，虽然栅反向漏电很小，器件耐压较高，但是阈值电压只在0V左右。2005年，香港科技大学的蔡勇等人提出了用注入氟离子的方法，耗尽栅下方沟道中的二维电子气，从而使器件处于常关态，但是由此种方法制备的器件可靠性面临着巨大的挑战。2007年，日本的研究机构报道了以铟镓氮为盖帽层制备的增强型器件，该器件阈值电压达到了0.4V。

总体来看，国际上对于增强型器件的研究工作目前主要沿着两种思路在进行：其一是所生长材料结构与耗尽型器件完全相同，通过挖槽或注入负离子的方法使栅电极正下方的二维电子气耗尽，沟道的其余部分二维电子气浓度不发生变化，保证器件有较低的通态电阻；其二是在材料生长的过程中，通过材料结构设计，生长不同盖帽层，控制能带结构使整个沟道中的二维电子气耗尽，在随后的器件制备过程中，将栅电极区以外的盖帽层全部刻蚀掉，使这部分区域的能带结构发生变化，在相应的沟道中形成二维电子气，同样可以保证器件有高阈值电压和低通态电阻。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，以降低制备成本、简化制备工艺、提高工艺的可靠性。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，包括以下步骤：

在衬底上生长氮化镓成核层；

在氮化镓成核层上生长氮化镓缓冲层；

在氮化镓缓冲层上生长高迁移率氮化镓层；

在高迁移率氮化镓层上生长氮化铝插入层；

在氮化铝插入层上生长铝镓氮势垒层；

在铝镓氮势垒层上生长氮化铟盖帽层；

刻蚀氮化铟盖帽层；

制备源、漏欧姆接触；

制备栅金属；

电极金属加厚。

上述方案中，所述衬底是蓝宝石、碳化硅或硅。