具有异质结结构的GaN基p型场效应管的制作方法
【技术领域】
[0001]本专利有关GaN基半导体器件领域，具体是指在具有GaN与AlGaN异质结结构的材料上设计与制备P型GaN场效应管(文中用p-FET符号表示)。
【背景技术】
[0002]GaN基材料因其可变的带宽(从3.4eV连续变化到6.2eV)、稳定的物理和化学性能，能够制备出响应波长处于365nm变化到200nm的本征型紫外探测器，器件响应波长恰好覆盖200?280nm波段的紫外光(太阳盲紫外或日盲紫外一波长在280nm以下的太阳辐射紫外线几乎不能到达地球表面)。紫外传感器阵列(特别是凝视型焦平面阵列)能够应用于成像系统，准确地判断目标，随着紫外技术的发展，成像系统对焦平面器件规模化要求越来越高(从最初的单元器件到320 X 256)，因此，焦平面器件性能与规模成了人们的关注焦点。但是，目前来看，紫外焦平面器件的光敏元与外界电路之间是靠基于CMOS工艺的读出电路相连，因此读出电路性能至关重要，影响着整个紫外探测器性能的发挥。但是，随着器件规模的增加，器件的光敏元在减小，较小的光敏元尺寸给读出电路的性能也提出了新要求。借鉴Si成像器件的发展情况，如CMOS成像器件具有它自身的优点，光线接收器与光信号读出的电子器件在同一片材料上。这也就为解决紫外焦平面器件与Si读出电路之间的矛盾提供了一个很好的解决途径。
[0003]另一方面，紫外探测器的发展仅是被誉为“后硅器件时代”主要代表的GaN基宽禁带材料发展的一个方向。GaN基材料还具有热导率高，电子漂移速度大，耐放射性辐照、耐高压等优点，特别适用于制备超高功率、高温、高频的电子器件，如HEMT、FET器件。这些电子器件相应的也具有这些优良的性能，常被应用在高电压、高频等特殊的系统和环境下，不仅可以减小系统中电子器件的个数，降低整个系统中电子电路的复杂性和系统的体积，还可以提高系统的稳定性和可靠性，减低成本。
[0004]本专利所提及的GaN基p-GaN场效应管是在具有异质结的材料上制备的电子器件，既能够解决日盲紫外焦平面探测器制备及应用过程中出现信号太小难以读出难题，克服采用传统CMOS工艺所带来的问题，促进紫外探测器(特别是焦平面阵列器件)的实用及产业化，又能够促进GaN材料电子器件技术的发展。
【发明内容】
[0005]本专利提及一种p-GaN FET器件，即可解决日盲紫外焦平面探测器制备及应用过程中出现的信号太小难以读出难题及技术瓶颈，又能够促进GaN材料电子器件技术的发展。
[0006]本专利所叙述的p-GaNFET器件，以具有GaN/AlGaN异质结结构的外延材料为基础，包括源端电极、漏端电极和栅电极，外延材料的结构、器件的结构如说明书附图2所示，器件材料结构总共为5层，衬底8为双面抛光的蓝宝石，多层AlGaN材料7的厚度为0.Ιμπι?
0.2μπι，能够降低外延材料的缺陷密度，提高外延材料的质量;P型AlGaN层6的厚度和掺杂浓度分别为0.Ιμπι?0.3μπι和I X 117?5 X 11Vcm3;P型GaN层5厚度和掺杂浓度分别为1nm?30nm和117?11Vcm3;栅电极3为利用电子束蒸发淀积的Au(10nm)或者Ni和Au(20nm和10nm);钝化层2为ICP-CVD技术生长的Si3N4(200nm);漏端电极4和源端电极I是电子束蒸发分别淀积的N1、Au、Ni^PAu(50nm、20nm、20nn^P20nm)；电极9、电极10和电极11分别为源端电极、栅电极和漏端电极的测试端，利用电子束蒸发生长的金属层Cr和Au。
[0007]纤锌矿结构的GaN基材料具有较强的压电极化与自发极化，这种材料体系随着其组分的变化，材料性能有很大的变化，经过计算在经过Mg掺杂GaN和Al GaN异质结界面处二维空穴气(简称2DHG)的浓度的量级为1013/cm2。本发明就是利用加在栅电极3上的电压来调制GaN和AlGaN异质结处浓度的变化，进而使得p_FET器件源、漏端电极的电流随着其电压的变化而变化，并达到饱和。
[0008]本专利的目的就是提供该GaN基p-FET器件:
[0009]⑴基于泊松方程和薛定谔方程自洽求解，结合GaN基材料的自发极化和压电极化效应，模拟计算得到P型GaN和P型AlGaN异质结处材料的能带结构和2DHG的浓度；
[0010]⑵在蓝宝石衬底上外延生长P-AlGaN层和P-GaN层；
[0011]⑶源和漏端电极采用电子束蒸发淀积的方法依次生长的N1、Au、Ni和Au作为两端电极；
[0012]⑷采用电子束蒸发淀积的方法生长的Au作为栅电极；
[0013](5)器件之间的隔离是采用ICP刻蚀的方法，把器件与器件之间的材料刻蚀至蓝宝石衬底；
[0014](6)ICP_CVD技术生长钝化层和绝缘层等。
[0015]但是鉴于本发明是紫外领域的一项新技术，在器件设计与制备工艺方面的特点:
[0016](I)本专利的p-FET器件的栅长为2μπι，用ICP刻蚀的方法去掉钝化层，精确控制栅电极区的长和宽；
[0017](2)本专利所采用的多层外延材料具有渐变的材料组分，有利于提高GaN/AlGaN异质结的材料质量；
[0018]本专利的优点:
[0019]I本专利采用的外延材料结构与制备PIN结构的日盲紫外探测器所用的材料结构一致，且制备工艺兼容，方便两种器件之间的集成。
[0020]2本专利的器件是用P型GaN和P型AlGaN之间的高浓度2DHG，提高P型场效应管的性能，可以作为高频、高压、高功率放大器件使用。
[0021]3本专利的器件可以与GaN基η型HEMT器件集成应用，促进GaN基电子电路的发展。
【附图说明】
[0022]图1本专利的GaN基p-FET器件的P型GaN和P型AlGaN异质结处2DHG浓度随栅压的变化曲线。
[0023]图2本专利的GaN基p-FET器件的结构示意图。
[0024]图3本专利的GaN基p-FET器件的俯视图。
[0025 ]图4本专利的GaN基p-FET器件的漏极电流电压特性曲线。
【具体实施方式】
[0026]下面结合说明书附图，采用MOCVD技术生长的具有p型GaN和p型AlGaN异质结结构的GaN基外延材料，以制备栅长为2μπι的p-FET器件为例，对本专利以及制备方法做详细说明:
[0027]1.利用泊松方程和薛定谔方程自洽求解，得到具有GaN(10nm?30nm)和AlGaN(0.1μπι?0.3μηι)异质结的外延材料的2DHG浓度；
[0028]2.根据计算结果，设计栅长为2μπι的p-FET器件的光刻掩膜版；
[0029]3.对利用MOCVD生长的具有图1结构的材料测试透射谱以及材料表面的电学性能，根据测试结果选择高质量的基体外延材料，要求在透过区内透射率大导电性能好；
[°03°] 4.三氯乙稀、乙醚、丙酮、乙醇超声清洗外延片，每步需时约5min;
[0031]5.盐酸溶液浸泡外延材料大约10?15分钟，以去除表面的氧化物，再用氮等离子体对样品进行表面处理，然后利用电子束蒸发制备源、漏端电极，其中金属种类依次为:N1、八11、祖和411，厚度分别为50011111、20011111、20011111和20011111;
[0032]6.刻蚀隔离，利用ICP技术刻蚀，刻蚀条件依次为Ar (3sccm)、Cl2 (3sccm)和BCl3(24sccm)，刻蚀功率为350W，偏置电压为24V。
[0033]7.利用ICP-CVD技术生长200nm Si3N4作为源、栅电极和源、漏电极之间的钝化层，以及不同的器件之间的隔离层。
[0034]8.正胶(厚胶)作为刻蚀掩膜，利用ICP刻蚀栅电极位置的Si3N4,刻蚀后把样品放置在 HF: NH4F: H2O = 3:6:9 的混合液中 3s ；
[0035]9.电子束蒸发生长10nm金属Au作为栅电极，利用丙酮对淀积后的电极进行处理。
[0036]10.电子束溅射在源端电极、漏端电极和栅极的测试位置生长Cr和Au(厚度为20nm和300nm)，生长前用空气等离子体处理样品8min。
[0037]11.生长完成后，在丙酮中浸泡样品lOmin，去掉其余部分的光刻胶和金属，乙醇清洗，氮气吹干，得到具有异质结结构的GaN基P型场效应管，如图3所示。
[0038]按上述制备方式，成功制备了三种器件。其中，I号:P型GaN厚度为10nm，掺杂浓度为11 Vcm3;厚度为0.1ym，掺杂浓度为11 Vcm3; 2号:p型GaN厚度为20nm，掺杂浓度为5 X 11Vcm3 ； P型AlGaN厚度为0.2μπι，掺杂浓度为1017/cm3; 3号:p型GaN厚度为30nm，掺杂浓度为1018/cm3;p型AlGaN厚度为0.3μπι，掺杂浓度为5X1017/cm3。把样品放置在cascade探针台的载物台上，探针连接到要测试的电极端，然后，利用安捷伦bl500a测试器件的电学性能。经测试，在不同的栅压下，三个器件的源、漏端的电压-电流特性相似，如图4所示。
【主权项】
1.一种具有异质结结构的GaN基P型场效应管，其特征在于:所述场效应管的结构为:在具有异质结结构的多层外延材料上通过电子束蒸发制备源端电极(I)、漏端电极(4)和栅电极(3)，从而得到利用空穴导电的场效应管器件;场效应管衬底为Al2O3衬底(8)，多层外延材料为在AlGaN材料(7)上依次外延生长的P型AlGaN(6)和P型GaN(5)，其中:P型GaN层的厚度为1nm?30nm; P型AlGaN层的厚度为0.Iym?0.3ym。
【专利摘要】本专利公开了一种具有异质结结构的GaN基p型场效应管，以具有p型AlGaN材料以及p型GaN材料的多层材料为基体材料。利用电子束蒸发依次生长Ni、Au、Ni和Au形成多层金属，作为器件的源端电极和漏端电极。为了精确控制栅长为2μm的区域，利用ICP刻蚀钝化层，然后用电子束蒸发生长的单层金属Au作为器件的栅电极。本专利的优点在于：利用p型GaN与p型AlGaN形成异质结处高浓度的二维空穴气，提高p型器件的电学性能；所用的外延材料以及工艺与制备日盲紫外器件兼容，为制备有源紫外器件打下了技术基础。
【IPC分类】H01L21/335, H01L21/28, H01L29/778, H01L29/205, H01L29/423
【公开号】CN205376534
【申请号】CN201620028540
【发明人】薛世伟, 王玲, 李晓娟, 王继强, 谢晶, 张燕, 刘诗嘉, 李向阳
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所
【公开日】2016年7月6日
【申请日】2016年1月13日