具有顶栅和底栅结构的氧化镓薄膜场效应晶体管的制作方法

本实用新型涉及具有顶栅和底栅结构的氧化镓薄膜场效应晶体管，属于半导体功率器件技术领域。

背景技术：

氧化镓是一种新型的直接带隙宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场高等优点，基于氧化镓材料的场效应晶体管具有高耐压、低损耗、耐辐射等优点，在高压大功率器件领域，特别是电源转换、电动汽车、光伏系统等领域有广泛应用前景。但是氧化镓材料的热导率很低，在氧化镓衬底上制备的场效应晶体管器件热阻很大，导致器件结温很高，严重影响晶体管器件的性能。另外常规氧化镓晶体管为耗尽型的，需要很大的负电压才能关断。

中国专利文献CN107742647A提供了一种氧化镓场效应晶体管。氧化镓场效应晶体管包括：衬底、氧化镓沟道层、源极、漏极和栅极，所述衬底上表面为所述氧化镓沟道层，所述氧化镓沟道层的两侧分别为所述源极和所述漏极，所述氧化镓沟道层的中部为所述栅极，所述栅极全包围所述氧化镓沟道层。本实用新型在通过提高氧化镓沟道层的厚度以提高电流密度时，通过将栅极设计为全包围所述氧化镓沟道层，不会导致栅控变差，能够获得良好的栅控；该方法在通过提高氧化镓沟道层的厚度以提高电流密度，氧化镓沟道层的厚度越大，热阻越大，散热性能越大。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种具有顶栅和底栅结构的氧化镓薄膜场效应晶体管，本实用新型的晶体管为双栅结构，通过双栅结构增强栅电极对载流子的控制能力，改善器件的夹断特性，晶体管的热阻大大降低，散热性能高。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

具有顶栅和底栅结构的氧化镓薄膜场效应晶体管，包括衬底、栅电极、源电极和漏电极，其特征在于，衬底上从下至上依次设置有底栅介质层、氧化镓沟道层，氧化镓沟道层上设置有源电极和漏电极，源电极与漏电极之间的氧化镓沟道层上表面覆盖有顶栅介质层。

根据本实用新型优选的，所述的栅电极包括底栅电极和顶栅电极，底栅电极位于衬底底部或衬底和底栅介质之间；顶栅电极位于顶栅介质层上。

根据本实用新型优选的，所述衬底为碳化硅衬底、金刚石衬底、硅衬底或铜衬底中的一种。

根据本实用新型优选的，所述底栅电极为Ti/Au/Ti三层合金电极，Ti厚度10-500nm，Au厚度50-1000nm。

根据本实用新型优选的，所述底栅介质层的厚度为10-100nm，底栅介质层为氧化硅介质层、氧化铝介质层或氧化铪介质层。

根据本实用新型优选的，所述的氧化镓沟道层以氧化镓薄膜为沟道层，氧化镓薄膜的厚度为50-500nm。氧化镓为N型掺杂氧化镓，掺杂浓度5×10¹⁶cm^-3-5×10¹⁸cm^-3

根据本实用新型优选的，顶栅介质层厚度为10-100nm，顶栅介质层为氧化硅介质层、氧化铝介质层或者氧化铪介质层。

根据本实用新型优选的，所述顶栅电极为Pd/Au合金电极，Pd厚度10-500nm，Au厚度50-1000nm。

根据本实用新型优选的，所述源电极为Ti/Au合金电极，Ti厚度10-500nm，Au厚度50-1000nm。

根据本实用新型优选的，所述漏电极为Ti/Au合金电极，Ti厚度10-500nm，Au厚度50-1000nm。

具有顶栅和底栅结构的氧化镓薄膜场效应晶体管的制备方法，包括步骤如下：

(1)衬底清洗步骤；

(2)衬底底部或顶部蒸镀底栅电极层；

(3)步骤(2)得到的样品表面采用原子层沉积法沉积底栅介质层；

(4)氧化镓晶体上撕下氧化镓薄膜并转移到步骤(3)样品上；

(5)去除转移物，然后进行清洗；

(6)清洗后的样品原子沉积顶栅介质层；

(7)刻蚀去除两端的顶栅介质层形成源区和漏区，

(8)在源区和漏区上表面覆盖Ti/Au合金，分别形成源电极和漏电极；

(9)步骤(8)得到的样品退火；

(10)退火后在顶栅介质层上表面覆盖Pd/Au合金，形成顶栅电极。

根据本实用新型优选的，步骤(1)中，衬底清洗步骤为：将衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗4-8分钟，然后氮气吹干。

根据本实用新型优选的，步骤(4)中，氧化镓晶体上撕下氧化镓薄膜为，将粘性胶带贴在氧化镓晶体上，然后快速撕下，氧化镓晶体的表层薄膜粘在粘性胶带上，粘性胶带上氧化镓薄膜厚度为50-500nm。

根据本实用新型优选的，步骤(5)中，去除转移物为，将样品放在4-甲基异丁基甲酮中，加热至75-85℃,浸泡20分钟，去除黏性胶带。

根据本实用新型优选的，步骤(5)中的清洗为，将样品依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗4-8分钟，然后氮气吹干。

根据本实用新型优选的，步骤(7)通过光刻蚀和感应耦合等离子刻蚀去除部分顶栅介质层。

根据本实用新型优选的，步骤(9)中退火温度为400-500℃，退火时间为60秒。

上述蒸镀底栅电极层在蒸镀仪中进行，原子层沉积法、光刻蚀和感应耦合等离子刻蚀均按现有技术进行。

本实用新型的有益效果

本实用新型针对氧化镓材料热导率低，散热性能差，基于氧化镓材料的场效应管夹断电压高等问题，提出一种具有双栅结构的氧化镓基薄膜场效应晶体管及其制备方法，在高热导率衬底上制备底栅电极和底栅介质，采用胶带把氧化镓薄膜从单晶上剥离下来，转移到衬底上，然后制备顶栅介质、源漏电极和栅电极，得到具有顶栅和底栅双栅结构的氧化镓薄膜场效应晶体管。首先，用胶带剥离的氧化镓厚度很薄，仅有100nm左右，热阻明显低于传统氧化镓基场效应管器件；另外氧化镓薄膜被转移到高热导率衬底上，可以有效改善器件的散热性能；另外采用顶栅和底栅双栅结构，可以增强栅电极对载流子的控制能力，改善器件的夹断特性。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的双栅氧化镓场效应薄膜晶体管结构示意图；

图2为本实用新型实施例2的双栅氧化镓场效应薄膜晶体管结构示意图；

图3为本实用新型实施例1和对比例1的晶体管转移特性曲线图；

图4为本实用新型实施例1和对比例2的晶体管转移特性曲线图；

图中，1为衬底；2为底栅电极；3为底栅介质层；4为氧化镓沟道层；5为漏电极，6为顶栅介质层；7为顶栅电极；8为源电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明，但不限于此。

实施例1

具有顶栅和底栅结构的氧化镓薄膜场效应晶体管，结构如图1所示，衬底1上从下至上依次设置底栅电极2、底栅介质层3和氧化镓沟道层4，氧化镓沟道层4上设置有源电极8和漏电极5，源电极8与漏电极5之间的氧化镓沟道层上表面覆盖有顶栅介质层6，顶栅介质层上设置有顶栅电极7。

衬底为碳化硅衬底，底栅电极为Ti/Au/Ti三层合金电极，厚度分别是10/1000/10nm。

底栅介质层的厚度为10nm，底栅介质层为氧化铝介质层。

氧化镓沟道层以氧化镓薄膜为沟道层，氧化镓薄膜的厚度为50nm，为N型掺杂氧化镓，掺杂浓度5×10¹⁶cm^-3-5×10¹⁸cm^-3

顶栅介质层厚度为10nm，顶栅介质层为氧化铪介质层，顶栅电极为Pd/Au合金电极，Pd厚度10nm，Au厚度1000nm。

源电极为Ti/Au合金电极，Ti厚度10nm，Au厚度1000nm。漏电极为Ti/Au合金电极，Ti厚度10nm，Au厚度1000nm。

实施例2

具有顶栅和底栅结构的氧化镓薄膜场效应晶体管，结构如图2示，衬底1的下表面设置有底栅电极2，衬底1上从下至上依次设置底栅介质层3和氧化镓沟道层4，氧化镓沟道层4上设置有源电极8和漏电极5，源电极8与漏电极5之间的氧化镓沟道层上表面覆盖有顶栅介质层6，顶栅介质层上设置有顶栅电极7。

衬底为碳化硅衬底，底栅电极为Ti/Au/Ti三层合金电极，厚度分别是500/50/500nm。

底栅介质层的厚度为100nm，底栅介质层为氧化铪介质层。

氧化镓沟道层以氧化镓薄膜为沟道层，氧化镓薄膜的厚度为500nm，为N型掺杂氧化镓，掺杂浓度5×10¹⁶cm^-3-5×10¹⁸cm^-3

顶栅介质层厚度为100nm，顶栅介质层为氧化铝介质层，顶栅电极为Pd/Au合金电极，Pd厚度50nm，Au厚度500nm。

源电极为Ti/Au合金电极，Ti厚度50nm，Au厚度500nm。漏电极为Ti/Au合金电极，Ti厚度50nm，Au厚度500nm。

对比例1

一种氧化镓场薄膜效应晶体管，结构同实施例1所示，不同之处在于：

该晶体管未设置底栅介质层。

对比例实验1

测试实施例1和对比例1的转移特性，测得的转移特性曲线如图3所示；从图中可以看出实施例1和对比例1的阈值电压分别为-4V和-3V；相同栅电压(如-3V)，实施例1和对比例1的源漏电流分别是1.6×10^-11A和1.6×10^-9A；通过图3对比，可以明显看出本实用新型具有双栅结构的晶体管能够明显改善栅电极对载流子的控制能力，改善器件的夹断特性。

对比例2

一种氧化镓场薄膜效应晶体管，结构同实施例1所示，不同之处在于：

该晶体管未设置顶栅介质层和顶栅电极。

对比例实验2

测试实施例1和对比例2的转移特性，测得的的转移特性曲线如图4所示；从图中可以看出实施例1和对比例2的阈值电压分别为-4V和-3.5V；相同栅电压(如-3V)，实施例1和对比例1的源漏电流分别是1.6×10^-11A和2.7×10^-10A；通过图4对比，可以明显看出本实用新型具有双栅结构的晶体管能够明显改善栅电极对载流子的控制能力，改善器件的夹断特性。