專利名稱：一種透明電極器件的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)的場效應(yīng)晶體管在射頻、功率器件的應(yīng)用中具有 良好的前景。本發(fā)明提出一種新的電極設(shè)計(jì)、制作方案，有利于更加直觀地分析器件的可靠 性。同時(shí)，透明電極的氮化鎵器件也可以應(yīng)用在顯示器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
第三代半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)的介質(zhì)擊穿電場遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第一代半導(dǎo)體硅(Si)或第 二代半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs)，高達(dá)3MV/cm，使其電子器件能承受很高的電壓。同時(shí)，氮化鎵可 以與其他鎵類復(fù)合價(jià)半導(dǎo)體(III-N)形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。由于III-N半導(dǎo)體具有強(qiáng)烈的自發(fā) 極化和壓電極化效應(yīng)，在異質(zhì)結(jié)的界面附近，可以形成很高電子濃度的二維電子氣溝道。這 種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)也有效地降低了電離雜質(zhì)散射，因此溝道內(nèi)的電子遷移率大大提升。在此異 質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)上制成的氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMT)能在高頻率導(dǎo)通高電流，并具有很 低的導(dǎo)通電阻。這些特性使氮化鎵HEMT特別適用于制造高頻的大功率射頻器件和高耐壓 大電流的開關(guān)器件。鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN HEMT)器件在射頻領(lǐng)域有出眾的表現(xiàn)，提供了 更高的功率和效率解決方案。但是氮化鎵器件要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，可靠性 還需要進(jìn)一步研究和認(rèn)證。光學(xué)方法常被用來探測材料的缺陷和雜質(zhì)，如光致發(fā)光 (Photoluminescence)、陰極射線發(fā)光(Cathodoluminescence)。時(shí)間分辨拉曼測溫法 (Time-resolved Raman thermography)已經(jīng)被用來測量晶體管的溫度。此方法的精度在半 導(dǎo)體器件中可以達(dá)到亞微米空間分辨率。同時(shí)，由于高能級(jí)電子的帶內(nèi)傳輸，在加了應(yīng)力的 器件中發(fā)現(xiàn)了電致發(fā)光(Electroluminescence)現(xiàn)象。不同偏壓條件下，器件的電致發(fā)光 光譜不同，此方法可以用來識(shí)別晶體管的失效機(jī)理。常用的氮化鎵HEMT器件的電極采用不透明的金屬，因此光學(xué)的方法無法探知電 極下的電子、光子和聲子特性。特別是柵電極下面的電子溝道，是器件工作的主要區(qū)域，對 于分析器件失效機(jī)理，提高器件性能尤為重要。但是，常用的柵電極金屬一般采用M/Au的 結(jié)構(gòu)，因此很難采用光測手段。本發(fā)明提出一種電極實(shí)現(xiàn)方案。就是采用透明電極制作氮化鎵晶體管。這種器件 結(jié)構(gòu)下，柵極區(qū)域的光子可以被接受，依此來研究電應(yīng)力作用下，柵極區(qū)域電子、聲子和光 子的關(guān)系。透明電極的一種實(shí)現(xiàn)方案是采用銦錫氧化物(Indium Tin Oxide，縮寫ITO)。ITO 可以作為氮化鎵的肖特基柵電極。與其它透明的半導(dǎo)體導(dǎo)電薄膜相比，ITO具有良好的化 學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。對襯底具有良好的附著性和圖形加工特性。ITO作為納米銦錫金屬 氧化物，具有很好的導(dǎo)電性和透明性。其特性會(huì)與鍍膜工藝中的參數(shù)及材料有密切的關(guān)系。在眾多可作為透明電極的材料中，ITO是被最廣泛應(yīng)用的一種，ITO薄膜即銦錫氧 化物半導(dǎo)體透明導(dǎo)電膜，通常有兩個(gè)性能指標(biāo)電阻率和透光率。主要是由于ITO可同時(shí)具 有低電阻率及高光透過率的特性，符合了導(dǎo)電性及透光性良好的要求。其透過率已達(dá)90%以上。透明電極的實(shí)現(xiàn)也可以采用氧化鋅、碳納米管導(dǎo)電涂料、本征導(dǎo)電聚合物等。此技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢就是在透明電子器件中的應(yīng)用，如在顯示器中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種電極實(shí)現(xiàn)方法，既有利 于增加器件電極的透光率，有益于通過使用電致發(fā)光等光學(xué)方法有效地識(shí)別晶體管的失效 機(jī)理，也有利于器件應(yīng)用在顯示器領(lǐng)域。本發(fā)明提供了一種器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)方案。這種器件采用透明電極的設(shè)計(jì)， 該結(jié)構(gòu)有利于增加電極的透光率，以此可以使用電致發(fā)光等光學(xué)方法有效地識(shí)別晶體管的 失效機(jī)理。也有利于器件應(yīng)用于顯示器領(lǐng)域。根據(jù)本發(fā)明的一種具體設(shè)計(jì)方案包括柵電 極采用透明電極的方法。所選用的柵電極材料，應(yīng)使柵極滿足較小的漏電流和較高的透光率。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種新的電極設(shè)計(jì)方法，基于此電極設(shè)計(jì)器件可 以是各種形式的晶體管，其類型包括但不僅限于高電子遷移率場效應(yīng)晶體管，異質(zhì)結(jié)絕緣 柵場效應(yīng)晶體管；金屬_氧化物_半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管或金屬_絕緣層_半導(dǎo)體場效應(yīng)晶 體管；雙極結(jié)型晶體管；其他一些晶體管，比如JFET，IGBT, MESFET等等。上述晶體管的材料包括但不僅限于鎵極AlxGaylnl-x-y N ；氮極AlxGaylnl-x-y N ；鎵極和氮極的混合體；GaN和其他材料的結(jié)合體，比如GaN和GaAs的結(jié)合體。上述晶體管的柵電極采用透明的材料，其電極結(jié)構(gòu)可以是單層結(jié)構(gòu)，也可以是多 層結(jié)構(gòu)。上述單層電極結(jié)構(gòu)，采用透明導(dǎo)電薄膜作為透明電極材料，如銦錫氧化物、氧化 鋅、碳納米管導(dǎo)電涂料、本征導(dǎo)電聚合物等。上述多層電極結(jié)構(gòu)，其透明電極可以是金屬/透明導(dǎo)電薄膜、絕緣體/透明導(dǎo)電薄 膜、半導(dǎo)體/透明導(dǎo)電薄膜，或者是透明導(dǎo)電薄膜和金屬、絕緣體、半導(dǎo)體的任意組合。上述 任意組合形式可以是金屬/半導(dǎo)體/絕緣體的任意層數(shù)、任意結(jié)構(gòu)的組合。上述金屬厚度 以低于IOnm為優(yōu)。上述透明電極的金屬材料為高功函數(shù)金屬，如鎳金屬。上述透明電極的絕緣體材料為透明絕緣材料，如氮化硅。上述透明電極的半導(dǎo)體材料為透明半導(dǎo)體材料，如氧化鋅。上述晶體管的源極和漏極可以采用透明電極。上述晶體管源極和漏極的透明電極采用透明導(dǎo)電薄膜材料，如銦錫氧化物、氧化 鋅、碳納米管導(dǎo)電涂料、本征導(dǎo)電聚合物等。上述晶體管源極和漏極的透明電極結(jié)構(gòu)可以是透明導(dǎo)電薄膜、單種金屬/透明導(dǎo) 電薄膜和多種金屬/透明導(dǎo)電薄膜。上述金屬厚度以低于IOnm為優(yōu)。上述晶體管的金屬材料為低功函數(shù)的金屬，如鈦、鋁。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，如圖1所示，柵電極使用透明電極11，比如銦錫氧化物 (ITO)。這樣的設(shè)計(jì)可以增加器件電極的透光率。ITO材料可以通過退火的方式進(jìn)一步增加
透光率。
4
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，ITO電極，特別是高溫退火后的ITO電極，其肖特基的性 質(zhì)會(huì)受到影響，因而柵漏電可能會(huì)比較大。因此，提出了另外一種電極結(jié)構(gòu)，采用絕緣體/ ITO的方式做柵電極，如圖2所示。該絕緣體27可以采用SiN、Si02等高禁帶寬度的透明 絕緣介質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，SiN可以承受800多度的退火溫度，而ITO的退火溫度要遠(yuǎn)低于800 度，因此SiN在ITO退火時(shí)依然可以保持穩(wěn)定的特性。絕緣層有效降低了電子的隧穿幾率， 降低了漏電流。同時(shí)，絕緣體/ITO電極仍然具有高的透光率。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，ITO電極，特別是高溫退火后的ITO電極，其肖特基的性 質(zhì)可能會(huì)受到影響，因而柵漏電可能會(huì)比較大。因此，提出了另外一種電極結(jié)構(gòu)，采用Ni/ ITO的方式做柵電極，如圖3所示。Μ/ΙΤ0電極一方面有利于降低器件的柵漏電，另一方面 保證電極有較高的透光率。M已經(jīng)被證實(shí)具有較高的熱穩(wěn)定性，因此采用M肖特基層37 作為最底層。M可以在ITO退火溫度下保持穩(wěn)定，與半導(dǎo)體具有良好的肖特基接觸，降低器 件的柵漏電。在這種設(shè)計(jì)中，選擇較小的Ni金屬層厚度(< lOnm)。當(dāng)Ni的金屬厚度很小 時(shí)，M層自身也有較高的透光率。在LED的透明電極設(shè)計(jì)中，薄的M/Au層就是常用的一 種電極結(jié)構(gòu)1。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了另外一種器件和電極結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在源、漏 區(qū)域是高摻雜區(qū)44和45。源42、漏43電極采用ITO的形式。高濃度的離子能夠提高電極 與半導(dǎo)體之間的隧穿幾率，形成良好的歐姆接觸。采用這種結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)全透明氮化鎵器 件。在圖4所示結(jié)果中，ITO的功函數(shù)比較大。為了形成更好的歐姆接觸，源52、漏53 電極采用金屬/ITO的形式，如圖5所示。金屬可以采用低功函數(shù)的金屬材料，如Ti、Al。這 種結(jié)果有利于提高電子從金屬隧穿半導(dǎo)體的幾率。金屬層的厚度一般比較小，在退火之后， 形成透明電極。本發(fā)明沒有限制透明電極材料的選擇，可以是IT0，也可以是氧化鋅，碳納米管導(dǎo) 電涂料，本征導(dǎo)電聚合物等。本發(fā)明沒有限制透明電極下面材料的種類和層數(shù)。透明電極與半導(dǎo)體之間可以直 接接觸，透明電極與半導(dǎo)體之間也可以是金屬、絕緣體，或者是金屬/絕緣體?？梢允菃螌?也可以是多層。本發(fā)明沒有限制采用透明電極的數(shù)目?？梢允侵挥袞烹姌O作為透明電極；也可以 是只有源電極是透明電極；也可以是只有漏電極是透明電極；也可以是任意組合。本發(fā)明是從電極結(jié)構(gòu)的角度來改善器件電極的透明度，因此它不僅僅局限于某一 種形式的器件結(jié)構(gòu)。本發(fā)明既適用于工作在高電壓大電流環(huán)境下的氮化鎵HEMT，也可以適 用于其他形式的晶體管，如金屬氧化層半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，金屬絕緣層半導(dǎo)體 場效應(yīng)晶體管(MISFET)，雙異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(DHFET)，結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)，金屬 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)，金屬絕緣層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(MISHFET)，絕緣 柵雙極型晶體管(IGBT)或者其他場效應(yīng)晶體管。該器件可以是增強(qiáng)型的，也可以是耗盡型 的。用本發(fā)明所制造的器件采用基于氮化鎵的半導(dǎo)體材料。該半導(dǎo)體材料可以包含氮 化鎵以及其他鎵系復(fù)合價(jià)半導(dǎo)體，也可以是鎵系復(fù)合價(jià)半導(dǎo)體粘合(bond)到其他半導(dǎo)體 材料。鎵系半導(dǎo)體材料的極性可以是鎵極性(Ga-polar)，也可以是氮極性(N-polar)，非極性(non-polar)或者半極性(semi-polar)。該材料生長的基底可以是碳化硅(SiC)，藍(lán)寶 石(sapphire),氮化鎵或者娃(Silicon)。


相信通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實(shí)施方式
的說明，能夠使人們更好地了解本 發(fā)明上述的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)和目的，其中圖1示出了本發(fā)明的設(shè)計(jì)采用透明柵電極設(shè)計(jì)的氮化鎵器件的剖面圖。柵電極 采用銦錫氧化物(ITO)。圖2示出了本發(fā)明提出的柵電極采用絕緣體/ITO的設(shè)計(jì)。柵電極采用絕緣柵/ ITO的方式。在不影響電極透過率的同時(shí)，降低器件柵極漏電流。圖3示出了本發(fā)明提出的柵電極采用Ni/ITO的設(shè)計(jì)。柵電極采用Ni/ΙΤΟ的方式。 為了與半導(dǎo)體層形成良好的肖特基勢壘、降低漏電，在ITO下面增加一層薄M層，在不影響 器件性能的同時(shí)，具有良好的柵極透過率。圖4示出了本發(fā)明提出的歐姆接觸電極采用透明電極的設(shè)計(jì)源、漏區(qū)域高摻雜， 源、漏電極采用ITO方式形成歐姆接觸。圖5示出了本發(fā)明提出的歐姆接觸電極采用透明電極的設(shè)計(jì)源、漏區(qū)域高摻雜， 源、漏電極采用金屬/ITO方式形成歐姆接觸。
具體實(shí)施例方式對本發(fā)明的各種細(xì)節(jié)和具體實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。本發(fā)明是提出了一種新的電極設(shè)計(jì)，基于此電極設(shè)計(jì)器件可以是各種形式的晶體 管，特別是透明GaN場效應(yīng)晶體管。晶體管的類型可以是下面的一種或多種，但不僅限于
①高電子遷移率晶體管，異質(zhì)結(jié)絕緣柵場效應(yīng)晶體管(HFET)；②金屬-氧化物-半導(dǎo)體場 效應(yīng)晶體管(MOSFET)或金屬-絕緣層-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MISFET)；③雙極結(jié)型晶體 管(BJT)；④其他一些晶體管，比如JFET，IGBT, MESFET等等。晶體管的材料可以是下面的一種或多種，但不僅限于①鎵極AlxGaylnl-x-yN ；
②氮極AlxGaylnl-x-yN；③鎵極和氮極的混合體；④GaN和其他材料的結(jié)合體，比如GaN和 GaAs的結(jié)合體。歐姆接觸在高摻雜區(qū)域制作?？梢允铅切蛽诫s或P型，也可以采用多種方法實(shí)現(xiàn)。 比如，對于η型摻雜，可以是下面的一種或多種方法，但不僅限于①在材料生長過程中引 入雜質(zhì)，這種方法可以消除應(yīng)力并使材料表面較平滑；②在歐姆或刻槽區(qū)域進(jìn)行離子注入；
③在氮極性AlxGaylnl-x-yN中，逐級(jí)將寬禁帶在變成窄禁帶；④在鎵極性AlxGaylnl-x-yN 中，逐級(jí)將窄禁帶變成寬禁帶。③和④中逐級(jí)漸變的方案導(dǎo)致了正的空間電荷。這些空間 電荷可以吸引高濃度的電子，從而致使逐級(jí)漸變區(qū)域變成高電導(dǎo)(調(diào)制摻雜)。在逐級(jí)漸 變層中插入任意成分和厚度的中間層可以調(diào)整其中的應(yīng)力。④在電極與半導(dǎo)體的界面附 近，半導(dǎo)體層使用高銦組分的AlxGaylnl-x-yN，一種極端情況就是使用氮化銦(InN)。因?yàn)?InN自身具有高的體電荷和面電荷，可以降低電極與半導(dǎo)體層之間的勢壘寬度，提高電子隧 穿幾率，降低器件的接觸電阻。歐姆接觸制作方案可以是下面的一種或多種方法，但不僅限于①ITO ；②金屬/ΙΤ0，例如在η型摻雜區(qū)域，在ITO層之下有一薄層低功函數(shù)的金屬，比如Ti。柵電極的制作方案可以是下面的一種或多種方法，但不僅限于①ITO ；②金屬/ ΙΤ0，例如在ITO層之下有一薄層低功函數(shù)的金屬，比如Ni ；③絕緣體/ΙΤ0，在ITO層之下 有一層透明的絕緣體；④絕緣體/金屬/ΙΤ0，在ITO層之下有一層透明的絕緣體和一薄層

柵電極中的ITO可以用其他材料來替代，如氧化鋅，碳納米管導(dǎo)電涂料，本征導(dǎo)電
聚合物等。以上雖然通過一些實(shí)例對本發(fā)明的透明電極設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但是以 上這些實(shí)例并沒有包括所有的情況，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)各 種變化和修改。因此，本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例，本發(fā)明的范圍僅以所附權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種新的電極設(shè)計(jì)，基于此電極設(shè)計(jì)器件可以是各種形式的晶體管，其類型可以是，但不僅限于①高電子遷移率場效應(yīng)晶體管，異質(zhì)結(jié)絕緣柵場效應(yīng)晶體管；②金屬 氧化物 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管或金屬 絕緣層 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管；③雙極結(jié)型晶體管；④其他一些晶體管，比如JFET，IGBT，MESFET等等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體管，晶體管的材料可以是，但不僅限于①鎵極AlxGaylnl-x-y N ；②氮極AlxGaylnl-x-y N ；③鎵極和氮極的混合體；④GaN和其他材料的結(jié)合體，比如GaN和GaAs的結(jié)合體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1，2所述的晶體管，柵電極采用透明的材料，其電極結(jié)構(gòu)可以是單層 結(jié)構(gòu)，也可以是多層結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單層結(jié)構(gòu)，采用透明導(dǎo)電薄膜作為透明電極材料，如銦錫氧 化物、氧化鋅、碳納米管導(dǎo)電涂料、本征導(dǎo)電聚合物等。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多層結(jié)構(gòu)，其透明電極可以是金屬/透明導(dǎo)電薄膜、絕緣體 /透明導(dǎo)電薄膜、半導(dǎo)體/透明導(dǎo)電薄膜，或者是透明導(dǎo)電薄膜和金屬、絕緣體、半導(dǎo)體的任 意組合。上述任意組合形式可以是金屬/半導(dǎo)體/絕緣體的任意層數(shù)、任意結(jié)構(gòu)的組合。上 述金屬厚度以低于IOnm為優(yōu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的透明電極，其金屬材料為高功函數(shù)的金屬如鎳金屬。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的透明電極，其絕緣體材料為透明絕緣材料，如氮化硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的透明電極，其半導(dǎo)體材料為透明半導(dǎo)體材料如氧化鋅。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8所述的晶體管，源極和漏極可以采用透明電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的晶體管，源極和漏極的透明電極采用透明導(dǎo)電薄膜材料，如 銦錫氧化物、氧化鋅、碳納米管導(dǎo)電涂料、本征導(dǎo)電聚合物等。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的晶體管，源極和漏極的透明電極結(jié)構(gòu)可以是透明導(dǎo)電薄 膜、單種金屬/透明導(dǎo)電薄膜和多種金屬/透明導(dǎo)電薄膜。上述金屬厚度以低于IOnm為優(yōu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的晶體管，其金屬材料為低功函數(shù)的金屬如鈦、鋁。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種透明電極實(shí)現(xiàn)方案。這種電極結(jié)構(gòu)有利于增加電極的透過率，有益于使用電致發(fā)光等光學(xué)方法有效地識(shí)別晶體管的失效機(jī)理。此方法也有利于器件應(yīng)用在顯示器領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01L29/43GK101894862SQ20101019630
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
發(fā)明者范愛民 申請人:西安能訊微電子有限公司