专利名称：一种高频低噪声氮化镓基高电子迁移率晶体管结构的制作方法
技术领域：
本发明属于通信电子元器件技术领域，具体涉及到氮化镓(GaN)宽禁带半导体器件结构设计领域。
背景技术：
宽禁带半导体材料具有击穿场强、饱和电子迁移速率高、热导率高和抗辐射等优点，同时AlGaN/GaN异质结构禁带宽度差别大，可积聚起高密度的二维电子气( 2DEG)，使得AlGaN/GaN HEMT (高电子迁移率晶体管)在高频、高功率、低噪声器件等方面显示出强大的优势。同时GaN高电子迁移率晶体管器件具有较强的鲁棒特性，能够承受较高的输入功率，提高器件的动态范围，降低限幅电路的使用，节约电路设计制造成本。目前，GaN器件结构研究侧重在于如何提高功率密度方面，对于适用于微波毫米波的氮化镓低噪声器件涉及较少。设计氮化镓低噪声放大器模块和单片所选用的晶体管多为制作功率放大器所设计的管芯结构。这样的结构并没有完全将氮化镓材料迁移率高，电子饱和速率大，导带不连续性大，势阱深等适用于低噪声的优异性能体现出来。所以研究适用于微波毫米波的氮化镓基高电子迁移率晶体管低噪声器件对国防与民用通信具有重要的意义。现有技术中，传统上用于制作氮化镓低噪声电路设计的晶体管结构如图I所示，在衬底材料4H-SiC、AlN材料、氮化镓(GaN)缓冲层上直接外延生长AlGaN (铝镓氮)势垒层，AlGaN势垒层中铝的成分为15% 40%之间(见公开文献0(，1^，311(1 Microwave NoisePerformance of AlGaN - GaN Field Effect Transistors Dependence of AluminumConcentration Wu Lu, Vipan Kumar, Edwin L. Piner, and Ilesanmi Adesida IEEETRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 50, NO. 4, APRIL 2003)，这样的器件结构在低噪声方面运用有以下三个主要缺点(1)由于铝原子与镓原子成分比例不相同，铝镓原子在晶体中随机排列，对晶体中存在的周期性势场产生微扰，从而引发载流子的合金散射，导致沟器件噪声性能降低。同时低噪声放大器的偏置电路设计中，一般选择工作电流为饱和电流的109Γ15%，使晶体管工作在高场区。其后果在于势阱中偏向缓冲层一侧的势垒降低，沟道电子向缓冲层泄漏，沟道中电子气浓度降低，沟道电流减小，增加了沟道电流的纵向波动，从而降低了器件的噪声性能。(2)直接在GaN缓冲层上外延生长AlGaN势垒层，在GaN缓冲层生长过程中，由于工艺的原因，生长的GaN薄膜具有不连续性，表面粗糙，从而降低了 AlGaN势垒层的生长质量，导致AlGaN势垒层缺陷较多，降低了器件的跨导与增益。同时由于陷阱效应影响沟道中二维电子气的横向运动，增加了沟道电流的波动，降低器件的噪声性能。(3) 二维电子气在运动过程中，电子会直接隧穿进入AlGaN势垒层，导致栅极泄漏电流,导致噪声恶化。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的氮化镓基晶体管结构的不足，提出了一种高频低噪声氮化镓基高电子迁移率晶体管结构。
本发明的技术方案是一种高频低噪声氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，包括从下往上依次层叠的衬底、位于衬底之上的氮化铝成核层、位于氮化铝成核层之上的氮化镓缓冲层，其特征在于，所述氮化镓缓冲层之上还依次层叠有用于改善器件界面粗糙程度的铟镓氮插入层、用于提高势垒的氮化铝插入层、铝镓氮隔离层，铝镓氮电子提供层，铝镓氮势垒层和分别与铝镓氮势垒层欧姆连接的源极、栅极和漏极。上述铝镓氮势垒层之上，源极和漏极之间，栅极之下的区域还层叠有氮化硅钝化层。上述栅极采用可以降低栅极接触电阻的T形槽栅结构，T形槽栅结构的下部贯穿氮化硅钝化层与铝镓氮势垒层后欧姆连接。本发明的有益效果是由于铟镓氮插入层可以改善器件的界面特性，提高高电子迁移率晶体管中的二维电子气的迁移率，同时氮化铝插入层与铟镓氮插入层之间所形成的异质结相比传统的AlGaN层与GaN层形成的异质结，具有的更大的禁带宽度差，形成的二维·势阱更深，可以将二维电子气更好的束缚在势阱中，降低沟道层中杂质对二维电子气的散射，增加二维电子气的饱和速率和迁移率。提高了器件的噪声性能，特别是其高频噪声性倉泛。
图I是传统的AlGaN/GaN结构的高电子迁移率晶体管的结构示意图。图2是本发明的AlGaN/AlN/InGaN/GaN结构的高电子迁移率晶体管的结构示意图。图3是图2中铝镓氮势垒层的立体结构示意图。图4是本发明的晶体管其最小噪声系数随频率变化关系示意图。附图标记说明氮化硅钝化层O、源极I、栅极2、漏极3、铝镓氮势垒层4、铝镓氮电子提供层5、铝镓氮隔离层6、氮化铝插入层7、铟镓氮插入层8、氮化镓缓冲层9、氮化铝成核层10、衬底11。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。如图2所示的具体实施例，一种高频低噪声氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，包括从下往上依次层叠的衬底11、位于衬底11之上的氮化铝(AlN)成核层10、位于氮化铝成核层10之上的氮化镓(GaN)缓冲层9，所述氮化镓(GaN)缓冲层9之上还依次层叠有用于改善器件界面粗糙程度的铟镓氮(InGaN)插入层8、用于提高势垒的氮化铝(AlN)插入层7、铝镓氮(AlGaN)隔离层6，铝镓氮(AlGaN)电子提供层5，铝镓氮(AlGaN)势垒层4和分别与铝镓氮(AlGaN)势垒层4欧姆连接的源极I、栅极2和漏极3。上述具体实施例中源极I、栅极2和漏极3与铝镓氮势垒层4欧姆连接的方式可以采用如图I所示的现有的连接方式。作为一种对上述源极I、栅极2和漏极3与铝镓氮势垒层4欧姆连接的方式的改进，上述铝镓氮(AlGaN)势垒层4之上，源极I和漏极3之间，栅极2之下的区域还层叠有氮化硅(SiN)钝化层0，设置氮化硅钝化层O的目的其一在于降低蚀刻铝镓氮势垒层4损伤所引起的寄生参数，如栅极寄生电容，栅极寄生电感。其二为减小陷阱等效应所造成的势垒层上表面存在的表面态对器件性能的影响。改进后的具体结构如图3所示，上述栅极2采用可以降低栅极接触电阻的T形槽栅结构，T形槽栅结构的下部贯穿氮化硅(SiN)钝化层O的槽与铝镓氮势垒层4欧姆连接。进一步的，为了改善器件的源极I和漏极3与铝镓氮势垒层4的欧姆接触，在这两个电极(源极I和漏极3)正下方的铝镓氮材料区域(即源极I和漏极3下方对应的铝镓氮势垒层4、铝镓氮电子提供层5、铝镓氮隔离层6的区域)进行重掺杂，掺杂方式为离子注入，采用Si进行N型均匀掺杂，掺杂浓度为le20-le21Cm_3。
上述具体实施例中，衬底11可以选择在4H_SIC，蓝宝石或者硅作为基片。上述具体实施例中，铟镓氮(InGaN)插入层8用于改善器件界面粗糙程度，厚度在I飞nm之间，所述铟镓氮插入层8中铟原子占铟镓合金原子总数的O. 5% 5%，厚度最优值为4nm, In原子成分最优值为I. 5%。上述具体实施例中，氮化铝(AlN)插入层7的厚度在O. 2nnT2nm之间，优化得到的最优值为lnm。上述具体实施例中，铝镓氮势垒层4的槽深度及宽度随势垒层4的厚度变化而变化，槽深度最优值为势垒层4厚度的五分之一。下面通过介绍上述具体实施例的晶体管结构的制作过程进一步的说明其具体结构和作用一种高频低噪声氮化镓基高电子迁移率晶体管结构的制作方法，包括如下步骤步骤I :在4H_SIC，蓝宝石或者硅基片上通过金属有机化合物气相沉淀(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生长厚度为IOOnm的低温氮化铝(AlN)成核层10 ;成核层10的作用在于为高温生长GaN缓冲层9提供有效的成核中心，并起到有效降低缓冲层9位错的作用，从而提高器件的稳定性与性能。步骤2 :在低温AlN成核层10上通过金属有机化合物气相沉淀(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生长厚度为2. Oum的GaN缓冲层9。缓冲层的阻性为高阻性，其目的在于降低缓冲层9泄漏电流，降低沟道电流的纵向波动，提高器件的噪声性能。步骤3 :在GaN缓冲层9上利用金属有机化合物气相沉淀(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生长厚度为4nm的低In组分InGaN的插入层8，其目的在于提高器件的缓冲层8上表面的粗糙程度，提高器件AlGaN薄膜的生长质量，降低位错(原子的局部不规则排列)与缺陷。但同时当In原子过多，会增加沟道电子杂质散射几率，降低电子迁移率及饱和速率。所以本发明In占化合物中In，Ga总原子数的O. 15°/Γ2%之间。步骤4 :在InGaN插入层8上通过金属有机化合物气相沉淀(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生长一层厚度为Inm的AlN插入层7，主要目的在于增加InGaN与AlGaN的导带不连续性，增大势垒层材料与缓冲层材料之间的导带差。形成更深的势阱，便于将二维电子气集中于势阱中，减小GaN缓冲层9中深能级陷阱对沟道电子的散射作用，提高了二维电子气迁移率和饱和速率。步骤5 :在AlN插入层7上通过金属有机化合物气相沉淀(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生长厚度为5nm的非有意掺杂AlGaN隔离层6，目的降低电子到势垒区域的扩散，提高器件的性能。
步骤6 :在AlGaN隔离层6上通过金属有机化合物气相沉淀(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生长IOnm有意掺杂的AlGaN电子提供层5，采用离子注入的方式利用Si对该层进行N型均匀掺杂，掺杂浓度为2el8cnT3。目的在于提供更多的沟道电子。增加二维电子气电子浓度，从而提闻器件的闻频性能。步骤7 :在AlGaN电子提供层5上通过金属有机化合物气相沉淀(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生长IOnm非有意掺杂的AlGaN势垒层4。步骤8 :在与漏极3，源极I接触的铝镓氮材料区域采用离子束注入的方式利用Si进行N型均匀掺杂，掺杂浓度为2e21cnT3，深度为50nm，宽度等于源极与漏极的长度。目的在于降低漏极与源极的接触电阻。步骤9 :在AlGaN势垒层4蚀刻深度为5nm宽度为O. 2um的槽，利用金属蒸发或者溅射的方法沉淀制作栅长为O. 12um的T型栅，在栅极与左右的势垒层之间采用化学气相沉
淀(CVD)方法沉积氮化硅钝化层O进行保护。步骤10 =AlGaN势垒层4上按照常规方法(金属蒸发或者溅射方法积淀在氮化物表面)制作栅极，源极和漏极。栅极金属为Ni/Au (镍铝合金)，漏极与源极金属为(Ti/Al/Ni/Au)其目的在于让漏极与源极具有小的欧姆接触电阻，良好的界面光洁度和可靠性。本发明中各层的外延生长均采用常规的技术手段金属有机化合物气相沉淀(MOCVD)或者分子束外延(MBE)。本发明的创新点在于(I)相比与传统的GaN高电子迁移率晶体管中二维电子气运动的沟道材料GaN,本发明的沟道材料为InGaN。(2)相比与传统的GaN高电子迁移率晶体管中势垒层材料单一的AlGaN，本发明插入了一层薄的AlN插入层，增加了势垒的高度。(3)相比与传统的GaN高电子迁移率晶体管中不掺杂的势垒层，本发明利用Si进行N型有选择的分层掺杂，提高了沟道中二维电子气的浓度。(4)势垒层与漏，源电极接触区域所采用N型重掺杂，掺杂的方式及浓度与深度。(5)采用槽栅，T型栅结构并配合使用氮化硅绝缘体作为钝化层，降低了栅极附近势垒层中由于蚀刻损伤所引起的缺陷，由此改善了栅极附近的电场特性，同时降低了势垒层4上表面存在的表面态对沟道中二维电子气运动的影响。降低栅极寄生电容，提高了器件的电流截止频率，从而提高了器件的高频特性。本发明通过改变势垒结构，同时优化势垒结构的相关参数。使器件工作在低噪声放大器相应的偏置电压下，相比于传统具有相同栅长的GaN高电子迁移率晶体管，跨导和电子迁移率明显增大，合金散射显著降低，栅极泄漏电流明显降低，栅极对沟道电流的控制作用显著增强，沟道电流的纵向波动明显减小，器件的噪声性能得到明显改善。如图4所示的晶体管其最小噪声系数随频率变化关系示意图，其中横坐标为频率单位为Hz，纵坐标为晶体管的最小噪声系数，单位为dB。其中三角形为本发明所提出的AlGaN/AlN/InGaN/GaNHEMT(高电子迁移率晶体管,High Electron Mobility Transistor)的最小噪声系数，圆点为现有技术中具有相同栅长的传统的AlGaN/GaN HEMT的最小噪声系数，由图中实验数据来看，本发明的方案具有优于传统方案的最小噪声系数。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种高频低噪声氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，包括从下往上依次层叠的衬底、位于衬底之上的氮化铝成核层、位于氮化铝成核层之上的氮化镓缓冲层，其特征在于，所述氮化镓缓冲层之上还依次层叠有用于改善器件界面粗糙程度的铟镓氮插入层、用于提高势垒的氮化铝插入层、铝镓氮隔离层，铝镓氮电子提供层，铝镓氮势垒层和分别与铝镓氮势垒层欧姆连接的源极、栅极和漏极。
2.根据权利要求I所述的一种高频低噪声氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，所述铝镓氮势垒层之上，源极和漏极之间，栅极之下的区域还层叠有氮化硅钝化层。
3.根据权利要求2所述的一种高频低噪声氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，所述栅极采用可以降低栅极接触电阻的T形槽栅结构，T形槽栅结构的下部贯穿氮化硅钝化层的槽与铝镓氮势垒层欧姆连接。
4.根据权利要求2所述的一种高频低噪声氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，所述铝镓氮势垒层的槽深度及宽度随势垒层的厚度变化而变化，槽深度最优值为势鱼层厚度的五分之一。
5.根据权利要求I所述的一种高频低噪声氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，所述铟镓氮插入层的厚度在f6nm之间，所述铟镓氮插入层8中铟原子占铟镓合金原子总数的O. 5% 5%。
6.根据权利要求I所述的一种高频低噪声氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，氮化铝插入层的厚度在O. 2nnT2nm之间。
7.根据权利要求I至6任一项所述的一种高频低噪声氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，其特征在于，为了改善器件的源极和漏极与铝镓氮势垒层4的欧姆接触，在这两个电极(源极和漏极)正下方的铝镓氮材料区域(即源极和漏极下方对应的铝镓氮势垒层、铝镓氮电子提供层、铝镓氮隔离层的区域)进行N型重掺杂。
全文摘要
本发明涉及一种高频低噪声氮化镓基高电子迁移率晶体管结构，包括从下往上依次层叠的衬底、位于衬底之上的氮化铝成核层、位于氮化铝成核层之上的氮化镓缓冲层，其特征在于，所述氮化镓缓冲层之上还依次层叠有用于改善器件界面粗糙程度的铟镓氮插入层、用于提高势垒的氮化铝插入层、铝镓氮隔离层，铝镓氮电子提供层，铝镓氮势垒层和分别与铝镓氮势垒层欧姆连接的源极、栅极和漏极。本发明的有益效果是可以将二维电子气更好的束缚在势阱中，降低沟道层中杂质对二维电子气的散射，增加二维电子气的饱和速率和迁移率。提高了器件的噪声性能，特别是其高频噪声性能。
文档编号H01L29/06GK102881715SQ201210232810
公开日2013年1月16日 申请日期2012年7月6日 优先权日2012年7月6日
发明者徐跃杭, 兰贵林, 国云川, 邱义杰, 延波, 徐锐敏 申请人:电子科技大学