[发明专利]含铁电层的GaN基增强型器件及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别涉及铁电功能薄膜材料、半导体器件的制备技术。具体地说是一种新型增强型AlGaN/GaN场效应管器件的实现方法，可用于开发新型高温高频大功率半导体电子器件。

背景技术

基于其自身所具有的较强的压电极化和自发极化效应，在非有意掺杂的情况下，AlGaN/GaN异质结构中能够形成浓度高达10¹³cm^-2的二维电子气（2DEG）。因此，GaN基材料在大功率密度、高频、高速电子器件领域具有极其广泛的应用前景。

通常情况下，所制备的AlGaN/GaN场效应管器件均表现出常开的特征，即耗尽型器件。从使用的安全性、节能及电子线路的简化方面考虑，该类耗尽型器件的应用性受到极大的限制。因此，开发具有常关特征的增强型器件成为发展AlGaN/GaN器件的关键。由于其极化表面的作用，当在GaN类半导体材料表面薄膜中将形成自发极化，且极化方向与半导体衬底的极化方向相反。这降导致界面处的2DEG被耗尽，从而形成增强型AlGaN/GaN场效应管器件。与利用其它方法制备的增强型器件比较，LiNbO₃/AlGaN/GaN器件在制备工艺的简化、性能的稳定性、高温工作条件等方面更有优势。但同时，在完成LiNbO₃薄膜沉积后，两类材料的制备工艺不兼容性和较大的晶格结构差异等会导致器件的性能大幅降低，如输出电流和跨导大大减小等。为此，需要在LiNbO₃薄膜与AlGaN/GaN衬底之间增加一层合适的缓冲层材料，以达到优化界面结构和增强器件性能的目的。通过比较，在该类器件的制备方面，ZnO是一类较为理想的缓冲层材料。这主要基于以下三点原因：（1）ZnO与GaN类半导体材料同属纤锌矿结构，二者晶格失配（~1.8%）远远小于LN/GaN（~6.8%）；（2）生长工艺方面的优势（高真空、后续退火）使ZnO缓冲层成为解决氮化物半导体与铁电功能氧化物薄膜生长工艺不兼容的有效方法；（3）与GaN类材料一样，ZnO是一种一维极性半导体。该特征使ZnO缓冲层能保持衬底表面的极化本质。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有较高性能（包括Ids和G_m）的含铁电层的GaN基增强型器件及制备方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，含铁电层的GaN基增强型器件，包括AlGaN/GaN/Al₂O₃半导体异质结构衬底，在衬底上设置有ZnO缓冲层和外延LiNbO₃型铁电薄膜层，ZnO缓冲层设置于衬底和外延LiNbO₃型铁电薄膜层之间；AlGaN以Al_xGa_1-xN表示，x为Al的摩尔含量，0＜x≤1。

进一步的，GaN或AlGaN沿（0001）方向取向。所述ZnO缓冲层的材料为Al元素掺杂的ZnO。外延LiNbO₃型铁电薄膜层的材料为LiNbO₃或Mg元素掺杂的LiNbO₃。

本发明还提供前述含铁电层的GaN基增强型器件的制备方法，包括下述步骤：

（1）对AlGaN/GaN薄膜衬底进行台面刻蚀，然后分别在源漏区制备欧姆电极；

（2）在栅极区覆盖光刻胶，栅长为d₁，然后在衬底表面沉积第一层掩模层；

（3）去除栅极区的覆盖层，包括光刻胶及其上覆盖的第一层掩模层材料；

（4）再次通过光刻技术，在前一步骤形成的栅极区覆盖光刻胶，栅长为d₂，然后在样品表面沉积第二层掩模层；

（5）再次去除栅极区的覆盖层，包括光刻胶及其上覆盖的第二层掩模层材料；

（6）对表面进行清洗和酸性清洁；

（7）真空环境下，在表面完成ZnO缓冲层的沉积及原位的后续热处理；

（8）完成LiNbO₃铁电薄膜层的生长；

（9）完成肖特基金属的沉积；

（10）去除第二掩模层，然后利用光刻技术将栅极区覆盖光刻胶；

（11）去除第一掩模层；

（12）去除栅极区光刻胶，形成场效应管器件。