含鐵電層的GaN基增強型器件及製備方法
2023-11-30 21:46:01 1
專利名稱：含鐵電層的GaN基增強型器件及製備方法
技術領域：
本發明涉及微電子技術領域，特別涉及鐵電功能薄膜材料、半導體器件的製備技術。具體地說是一種新型增強型AlGaN/GaN場效應管器件的實現方法，可用於開發新型高溫高頻大功率半導體電子器件。
背景技術：
基於其自身所具有的較強的壓電極化和自發極化效應，在非有意摻雜的情況下，AlGaN/GaN異質結構中能夠形成濃度高達1013cm_2的二維電子氣(2DEG)。因此，GaN基材料在大功率密度、高頻、高速電子器件領域具有極其廣泛的應用前景。通常情況下，所製備的AlGaN/GaN場效應管器件均表現出常開的特徵，即耗盡型 器件。從使用的安全性、節能及電子線路的簡化方面考慮，該類耗盡型器件的應用性受到極大的限制。因此，開發具有常關特徵的增強型器件成為發展AlGaN/GaN器件的關鍵。由於其極化表面的作用，當在GaN類半導體材料表面薄膜中將形成自發極化，且極化方向與半導體襯底的極化方向相反。這降導致界面處的2DEG被耗盡，從而形成增強型AlGaN/GaN場效應管器件。與利用其它方法製備的增強型器件比較，LiNb03/AlGaN/GaN器件在製備工藝的簡化、性能的穩定性、高溫工作條件等方面更有優勢。但同時，在完成LiNbO3薄膜沉積後，兩類材料的製備工藝不兼容性和較大的晶格結構差異等會導致器件的性能大幅降低，如輸出電流和跨導大大減小等。為此，需要在LiNbO3薄膜與AlGaN/GaN襯底之間增加一層合適的緩衝層材料，以達到優化界面結構和增強器件性能的目的。通過比較，在該類器件的製備方面，ZnO是一類較為理想的緩衝層材料。這主要基於以下三點原因=(I)ZnO與GaN類半導體材料同屬纖鋅礦結構，二者晶格失配Γ1. 8%)遠遠小於LN/GaN Γ6. 8%)； (2)生長工藝方面的優勢(高真空、後續退火)使ZnO緩衝層成為解決氮化物半導體與鐵電功能氧化物薄膜生長工藝不兼容的有效方法；(3)與GaN類材料一樣，ZnO是一種一維極性半導體。該特徵使ZnO緩衝層能保持襯底表面的極化本質。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種具有較高性能(包括Ids和Gm)的含鐵電層的GaN基增強型器件及製備方法。本發明解決所述技術問題採用的技術方案是，含鐵電層的GaN基增強型器件，包括AlGaN/GaN/Al203半導體異質結構襯底，在襯底上設置有ZnO緩衝層和外延LiNbO3型鐵電薄膜層，ZnO緩衝層設置於襯底和外延LiNbO3型鐵電薄膜層之間；AlGaN以AlxGai_xN表示，X為Al的摩爾含量，O < X ^ I0進一步的，GaN或AlGaN沿(0001)方向取向。所述ZnO緩衝層的材料為Al元素摻雜的ZnO。外延LiNbO3型鐵電薄膜層的材料為LiNbO3或Mg元素摻雜的LiNb03。本發明還提供前述含鐵電層的GaN基增強型器件的製備方法，包括下述步驟(I)對AlGaN/GaN薄膜襯底進行臺面刻蝕，然後分別在源漏區製備歐姆電極；
(2)在柵極區覆蓋光刻膠，柵長為Cl1，然後在襯底表面沉積第一層掩模層；(3)去除柵極區的覆蓋層，包括光刻膠及其上覆蓋的第一層掩模層材料；(4)再次通過光刻技術，在前一步驟形成的柵極區覆蓋光刻膠，柵長為d2，然後在樣品表面沉積第二層掩模層；(5)再次去除柵極區的覆蓋層，包括光刻膠及其上覆蓋的第二層掩模層材料；(6)對表面進行清洗和酸性清潔；(7)真空環境下，在表面完成ZnO緩衝層的沉積及原位的後續熱處理；(8)完成LiNbO3鐵電薄膜層的生長； (9)完成肖特基金屬的沉積；(10)去除第二掩模層，然後利用光刻技術將柵極區覆蓋光刻膠；(11)去除第一掩模層；(12)去除柵極區光刻膠，形成場效應管器件。更進一步的，第一掩模層材料為Si3N4或SiO2，其厚度為20(T300nm ;第二掩模層材料為Cu，其厚度為IOOlOOnm ;第一掩模層、第二掩模層均在室溫條件下沉積。(Kd2W源漏間距。所述步驟(7)中，真空度為5X KT4Pa ;沉積溫度為500-600°C ;厚度為3-lOnm ;後續原位熱處理工藝為氧氣壓5X IO4Pa ;退火溫度與沉積溫度相同；退火時間為30分鐘。所述步驟(8)中，採用單晶靶，利用脈衝雷射源轟擊靶材沉積鐵電薄膜，薄膜的沉積溫度為550°C，氧氣壓維持20Pa不變，厚度為30_100nm。所述步驟(10)中，超聲振動的條件下，在f 3%的FeCl3溶液中浸泡以去除第二掩模層；所述步驟(11)中，在超聲振動的條件下，在3 5%的HF溶液中浸泡以去除第一掩模層。本發明的有益效果是本發明首次通過增加界面緩衝層的方法研製出性能優良的增強型LiNb03/Zn0/AlGaN/GaN場效應管器件。此方法在國內外尚未見報導。通過ZnO緩衝層的引入，所製備的增強型場效應管器件的性能得到大大提高，具體表現在=Ids由97mA/_增加到203mA/mm, Gm由27mS/mm增加到46mS/mm。本發明將為製備新型的GaN類半導體器件提供了一種良好材料體系設計方案和器件結構。以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的說明。
圖I為構成LiNb03/Zn0/AlGaN/GaN場效應管器件的各層材料的結構示意圖。圖2為所製備的LiNb03/Zn0/AlGaN/GaN場效應管器件結構示意圖。圖3為不同柵極電壓下所製備的LNO/AlGaN/GaN場效應管器件輸出特性曲線圖；圖4為不同器件結構的轉移特性曲線比較，包括AlGaN/GaN耗盡型器件、LiNbO3/AlGaN/GaN 和 LiNb03/Zn0/AlGaN/GaN 增強型器件。圖5為製備工藝過程中，各階段的示意圖。圖5中，I襯底，2第一層掩模層，3第二
層掩模層。
具體實施例方式本發明利用脈衝雷射沉積技術，先後在AlGaN/GaN半導體襯底上沉積緩衝層和鐵電薄膜層。通過增加界面緩衝層，優化鐵電氧化物薄膜的生長工藝和界面結構，以實現提高AlGaN/GaN增強型場效應管器件性能，包括Ids和Gm。實施例I含鐵電層的GaN基增強型器件，包括AlGaN/GaN/Al203半導體異質結構襯底，在襯底上設置有ZnO緩衝層和外延LiNbO3型鐵電薄膜層，ZnO緩衝層設置於襯底和外延LiNbO3型鐵電薄膜層之間；AlGaN以AlxGa^N表示，X為Al的摩爾含量，X=UGaN或AlGaN沿(0001)方向取向。ZnO緩衝層的材料為Al元素摻雜的ZnO。
外延LiNbO3型鐵電薄膜層的材料為Mg元素摻雜的LiNb03。實施例2含鐵電層的GaN基增強型器件，包括AlGaN/GaN/Al203半導體異質結構襯底，在襯底上設置有ZnO緩衝層和外延LiNbO3型鐵電薄膜層，ZnO緩衝層設置於襯底和外延LiNbO3型鐵電薄膜層之間；AlGaN以AlxGa^N表示，x為Al的摩爾含量，x=0. 5。GaN或AlGaN沿
(0001)方向取向。ZnO緩衝層的材料為ZnO。外延LiNbO3型鐵電薄膜層的材料為LiNbO3。參見圖5，本發明的製備工藝的實施方式如下(I)採用BC13/C12等離子體刻蝕技術對AlGaN/GaN薄膜襯底進行臺面刻蝕。然後，採用電子束蒸發工藝分別在源漏區製備歐姆電極；(2)通過光刻技術，在柵極區覆蓋光刻膠。此時柵長為屯。然後，在襯底表面沉積第一層掩模層；掩模層材料為Si3N4或SiO2，在室溫條件下沉積，其厚度視鐵電層厚度而定，一般控制在20(T300nm之間。(3)去除柵極區的覆蓋層，包括光刻膠及其上覆蓋的第一層掩模層材料；(4)再次通過光刻技術，在前一步驟形成的柵極區覆蓋光刻膠。此時柵長為d2。然後，在樣品表面沉積第二層掩模層；掩模層材料是Cu金屬材料，其厚度控制在10(T200nm之間，沉積溫度為室溫。第一掩模層和第二掩模層所形成的柵區長度需滿足〈源漏間距。(5)再次去除柵極區的覆蓋層，包括光刻膠及其上覆蓋的第二層掩模層材料；(6)對所形成的樣品表面進行清洗和酸性清潔；( 7 )經過上述工藝過程後，將襯底放入真空腔，在其表面完成緩衝層的沉積及原位的後續熱處理；緩衝層材料是ZnO類材料。製備工藝為真空度為5X 10_4Pa ;沉積溫度為500-6000C ;厚度為3-10nm。後續原位熱處理工藝為氧氣壓5 X IO4Pa ;退火溫度與沉積溫度相同；退火時間為30分鐘。(8)在前一步驟基礎上，完成LiNbO3鐵電薄膜層的生長；鐵電薄膜製備採用的靶材為單晶靶，利用脈衝雷射源轟擊靶材，從而在襯底表面沉積鐵電薄膜。為降低沉積過程中Li元素的揮發，要求靶基距儘可能小。薄膜的沉積溫度為550°C，氧氣壓維持20Pa不變，厚度為 30_100nm。
(9)完成肖特基電極的沉積；肖特基電極為Pt金屬。(10)將樣品放入特殊溶液中，去除第二掩模層。然後利用光刻技術將柵極區覆蓋光刻膠；所採用的特定溶液為f 3%的FeCl3溶液。在超聲振動的條件下，將樣品在溶液中浸泡10分鐘左右。(11)將上述樣品放入特定酸性溶液中，去除第一掩模層；所採用的特定酸性溶液為3 5%的HF溶液。在超聲振動的條件下，將樣品在溶液中浸泡約10分鐘。( 12)去除柵極區光刻膠，從而形成相關場效應管器件。步驟I之前的清洗為AlGaN/GaN襯底的清洗及酸溶液清潔處理過程包括依次在高純酒精和丙酮溶液中多次超聲清洗，然後將襯底在稀釋的鹽酸溶液(3飛％)中浸泡60s左右，最後用乾燥氮氣將襯底吹乾。 實施例3 本實施方式的LNO/AlGaN/GaN異質結構，包括LNO型鐵電層、ZnO緩衝層和AlGaN/GaN半導體襯底。進一步的說，襯底為AlxGa1J (AlGaN) /GaN半導體異質結構襯底，χ為Al的摩爾含量，O < χ彡I ;GaN或AlGaN為(0001)取向。鐵電層是LiNbO3型鐵電薄膜，主要包括LiNbO3及Mg等金屬元素摻雜的LiNbO3材料。緩衝層是ZnO及Al等金屬元素摻雜的ZnO材料。製備方法利用脈衝雷射沉積技術(PLD )，使用AlGaN/GaN/Al203外延片、LNO單晶靶材和ZnO陶瓷靶材，其具體過程如下(I)採用BCl3An2等離子體刻蝕技術對AlGaN/GaN薄膜襯底進行臺面刻蝕。然後，採用電子束蒸發工藝分別在源漏區製備歐姆電極；(2)通過光刻技術，在柵極區覆蓋光刻膠。然後，在襯底表面沉積第一層掩模層。此時，柵長為(I1 ；(3)去除柵極區的覆蓋層，包括光刻膠及其上覆蓋的第一層掩模層材料；(4)再次通過光刻技術，在前一步驟形成的柵極區覆蓋光刻膠。然後，在樣品表面沉積第二層掩模層。此時，柵長為d2。(5)再次去除柵極區的覆蓋層，包括光刻膠及其上覆蓋的第二層掩模層材料；(6)對所形成的樣品表面進行清洗和酸性清潔；( 7 )經過上述工藝過程後，將襯底放入真空腔，在其表面完成緩衝層的沉積及原位的後續熱處理；(8)在前一步驟基礎上，完成LiNbO3鐵電薄膜層的生長；( 9 )完成肖特基金屬電極的沉積；(10)將樣品放入特殊溶液中，去除第二掩模層。然後利用光刻技術將柵極區覆蓋光刻膠；(11)將上述樣品放入特定酸性溶液中，去除第一掩模層；(12)去除柵極區光刻膠，從而形成相關場效應管器件。上述步驟(2)所述的第一掩模層材料可以是Si3N4、Si02等介質層材料。掩模層均在室溫條件下沉積，其厚度視鐵電層厚度而定，一般控制在20(T300nm之間。
上述步驟(4)所述的第二掩模層的沉積，其中掩模層材料是Cu金屬材料。其厚度控制在10(T200nm之間。上述步驟(2)和(4)所述的第一掩模層和第二掩模層所形成的柵區長度需滿足0<d2<d1<源漏間距。上述步驟(6)所述的AlGaN/GaN襯底的清洗及酸溶液清潔處理過程，包括依次在高純酒精和丙酮溶液中多次超聲清洗，然後將襯底在稀釋的鹽酸溶液(3飛％)中浸泡60s左右，最後用乾燥氮氣將襯底吹乾。上述步驟(7)所述的緩衝層的沉積，其中緩衝層材料是ZnO類材料。製備工藝為真空度為5X 10_4Pa ;沉積溫度為500-600°C;厚度為3_10nm。後續原位熱處理工藝為氧氣壓5X IO4Pa ;退火溫度與沉積溫度相同；退火時間為30分鐘。上述步驟(8)所述的鐵電薄膜製備方法，為降低沉積過程中Li元素的揮發，要求靶基距儘可能小。薄膜的沉積溫度為550°C，氧氣壓維持20Pa不變，厚度為30_100nm。 上述步驟(9)所述的鐵電薄膜製備方法，肖特基電極材料為Pt。上述步驟(10)所述的第二掩模層的去除方法，其中，所採用的特定溶液為f 3%的FeCl3溶液。在超聲振動的條件下，將樣品在溶液中浸泡10分鐘左右。 上述步驟(11)所述的第一掩模層的去除方法，其中，所採用的特定溶液為3 5%的HF溶液。在超聲振動的條件下，將樣品在溶液中浸泡約10分鐘。以典型的LiNbO3鐵電材料、ZnO緩衝層和AlGaN/GaN半導體構成的場效應管器件為例，結合電學性能測量進一步說明本發明的效果圖I為構成LiNb03/Zn0/AlGaN/GaN場效應管器件的各層材料的結構示意圖，其中包括40nm LiNb03鐵電薄膜、5nm ZnO緩衝層和AlGaN/GaN/Al203襯底。圖2為所製備的LiNb03/Zn0/AlGaN/GaN場效應管器件結構示意圖，其中柵長為3 μ m,柵寬為100 μ m,源漏間距為15 μ m。圖3為不同柵極電壓下所製備的LNO/AlGaN/GaN場效應管器件輸出特性曲線。良好的飽和和夾斷特徵表明所製備的LiNb03薄膜具有較高的結晶性和器件結構的完整性。圖4為不同器件結構的轉移特性曲線比較，包括AlGaN/GaN耗盡型器件、LiNb03/AlGaN/GaN和LiNb03/Zn0/AlGaN/GaN增強型器件。對於無LiNb03/Zn0柵極結構的AlGaN/GaN器件表現出耗盡特徵，其關斷電壓約為-2. 3V。具有LiNb03鐵電層的兩種器件均表現出常關特徵，其開啟電壓分別是+0. 3V和+0. 4V。與無ZnO緩衝層的LiNb03/AlGaN/GaN器件比較，LiNbO3/ZnO/AlGaN/GaN增強型器件的飽和輸出電流(Ids)和跨導峰值(Gm)均大大提高，Ids由97mA/mm 增加到 203mA/mm, Gm 由 27mS/mm 增加到 46mS/mm。
權利要求
1.含鐵電層的GaN基增強型器件，其特徵在於，包括AlGaN/GaN/Al203半導體異質結構襯底，在襯底上設置有ZnO緩衝層和外延LiNbO3型鐵電薄膜層，ZnO緩衝層設置於襯底和外延LiNbO3型鐵電薄膜層之間;AlGaN以AlxGa1^xN表示，x為Al的摩爾含量，O < x彡I。
2.如權利要求I所述的含鐵電層的GaN基增強型器件，其特徵在於，GaN或AlGaN沿(0001)方向取向。
3.如權利要求I所述的含鐵電層的GaN基增強型器件，其特徵在於，所述ZnO緩衝層的材料為Al元素摻雜的ZnO。
4.如權利要求I所述的含鐵電層的GaN基增強型器件，其特徵在於，外延LiNbO3型鐵電薄膜層的材料為LiNbO3或Mg元素摻雜的LiNbO3。
5.如權利要求I所述的含鐵電層的GaN基增強型器件的製備方法，其特徵在於，包括下述步驟 (1)對AlGaN/GaN薄膜襯底進行臺面刻蝕，然後分別在源漏區製備歐姆電極； (2)在柵極區覆蓋光刻膠，柵長為Cl1，然後在襯底表面沉積第一層掩模層； (3)去除柵極區的覆蓋層，包括光刻膠及其上覆蓋的第一層掩模層材料； (4)再次通過光刻技術，在前一步驟形成的柵極區覆蓋光刻膠，柵長為d2，然後在樣品表面沉積第二層掩模層； (5)再次去除柵極區的覆蓋層，包括光刻膠及其上覆蓋的第二層掩模層材料； (6)對表面進行清洗和酸性清潔； (7)真空環境下，在表面完成ZnO緩衝層的沉積及原位的後續熱處理； (8)完成LiNbO3鐵電薄膜層的生長； (9)完成肖特基金屬電極的沉積； (10)去除第二掩模層，然後利用光刻技術將柵極區覆蓋光刻膠； (11)去除第一掩模層； (12)去除柵極區光刻膠，形成場效應管器件。
6.如權利要求5所述的含鐵電層的GaN基增強型器件的製備方法，其特徵在於，第一掩模層材料為Si3N4或SiO2,其厚度為20(T300nm ;第二掩模層材料為Cu，其厚度為100 200nm ； 第一掩模層、第二掩模層均在室溫條件下沉積。
7.如權利要求5所述的含鐵電層的GaN基增強型器件的製備方法，其特徵在於，0<d2<d1<源漏間距。
8.如權利要求5所述的含鐵電層的GaN基增強型器件的製備方法，其特徵在於，所述步驟(7)中，真空度為5X10_4Pa ;沉積溫度為500-600°C ;厚度為3_10nm ;後續原位熱處理工藝為氧氣壓5X IO4Pa ;退火溫度與沉積溫度相同；退火時間為30分鐘。
9.如權利要求5所述的含鐵電層的GaN基增強型器件的製備方法，其特徵在於，所述步驟(8)中，採用單晶靶，利用脈衝雷射源轟擊靶材沉積鐵電薄膜，薄膜的沉積溫度為550°C，氧氣壓維持20Pa不變，厚度為30-100nm。
10.如權利要求5所述的含鐵電層的GaN基增強型器件的製備方法，其特徵在於，所述步驟(10)中，超聲振動的條件下，在f 3%的FeCl3溶液中浸泡以去除第二掩模層； 所述步驟(11)中，在超聲振動的條件下，在3 5%的HF溶液中浸泡以去除第一掩模層。
全文摘要
含鐵電層的GaN基增強型器件，涉及微電子技術領域。本發明包括AlGaN/GaN/Al2O3半導體異質結構襯底，在襯底上設置有ZnO緩衝層和外延LiNbO3型鐵電薄膜層，ZnO緩衝層設置於襯底和外延LiNbO3型鐵電薄膜層之間；AlGaN以AlxGa1-xN表示，x為Al的摩爾含量，0＜x≤1。本發明通過ZnO緩衝層的引入，所製備的增強型場效應管器件的性能得到大大提高，具體表現在Ids由97mA/mm增加到203mA/mm，Gm由27mS/mm增加到46mS/mm。本發明將為製備新型的GaN類半導體器件提供了一種良好材料體系設計方案和器件結構。
文檔編號H01L29/778GK102820322SQ20121032719
公開日2012年12月12日 申請日期2012年9月6日 優先權日2012年9月6日
發明者朱俊, 郝蘭眾, 吳志鵬, 李言榮, 張萬裡 申請人:電子科技大學