專利名稱：一種高頻低噪聲氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信電子元器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到氮化鎵(GaN)寬禁帶半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
寬禁帶半導(dǎo)體材料具有擊穿場強(qiáng)、飽和電子遷移速率高、熱導(dǎo)率高和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，同時AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)禁帶寬度差別大，可積聚起高密度的二維電子氣( 2DEG)，使得AlGaN/GaN HEMT (高電子遷移率晶體管)在高頻、高功率、低噪聲器件等方面顯示出強(qiáng)大的優(yōu)勢。同時GaN高電子遷移率晶體管器件具有較強(qiáng)的魯棒特性，能夠承受較高的輸入功率，提高器件的動態(tài)范圍，降低限幅電路的使用，節(jié)約電路設(shè)計制造成本。目前，GaN器件結(jié)構(gòu)研究側(cè)重在于如何提高功率密度方面，對于適用于微波毫米波的氮化鎵低噪聲器件涉及較少。設(shè)計氮化鎵低噪聲放大器模塊和單片所選用的晶體管多為制作功率放大器所設(shè)計的管芯結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)并沒有完全將氮化鎵材料遷移率高，電子飽和速率大，導(dǎo)帶不連續(xù)性大，勢阱深等適用于低噪聲的優(yōu)異性能體現(xiàn)出來。所以研究適用于微波毫米波的氮化鎵基高電子遷移率晶體管低噪聲器件對國防與民用通信具有重要的意義?，F(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)上用于制作氮化鎵低噪聲電路設(shè)計的晶體管結(jié)構(gòu)如圖I所示，在襯底材料4H-SiC、AlN材料、氮化鎵(GaN)緩沖層上直接外延生長AlGaN (鋁鎵氮)勢壘層，AlGaN勢壘層中鋁的成分為15% 40%之間(見公開文獻(xiàn)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)，這樣的器件結(jié)構(gòu)在低噪聲方面運(yùn)用有以下三個主要缺點(diǎn)(1)由于鋁原子與鎵原子成分比例不相同，鋁鎵原子在晶體中隨機(jī)排列，對晶體中存在的周期性勢場產(chǎn)生微擾，從而引發(fā)載流子的合金散射，導(dǎo)致溝器件噪聲性能降低。同時低噪聲放大器的偏置電路設(shè)計中，一般選擇工作電流為飽和電流的109Γ15%，使晶體管工作在高場區(qū)。其后果在于勢阱中偏向緩沖層一側(cè)的勢壘降低，溝道電子向緩沖層泄漏，溝道中電子氣濃度降低，溝道電流減小，增加了溝道電流的縱向波動，從而降低了器件的噪聲性能。(2)直接在GaN緩沖層上外延生長AlGaN勢壘層，在GaN緩沖層生長過程中，由于工藝的原因，生長的GaN薄膜具有不連續(xù)性，表面粗糙，從而降低了 AlGaN勢壘層的生長質(zhì)量，導(dǎo)致AlGaN勢壘層缺陷較多，降低了器件的跨導(dǎo)與增益。同時由于陷阱效應(yīng)影響溝道中二維電子氣的橫向運(yùn)動，增加了溝道電流的波動，降低器件的噪聲性能。(3) 二維電子氣在運(yùn)動過程中，電子會直接隧穿進(jìn)入AlGaN勢壘層，導(dǎo)致柵極泄漏電流,導(dǎo)致噪聲惡化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的氮化鎵基晶體管結(jié)構(gòu)的不足，提出了一種高頻低噪聲氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種高頻低噪聲氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，包括從下往上依次層疊的襯底、位于襯底之上的氮化鋁成核層、位于氮化鋁成核層之上的氮化鎵緩沖層，其特征在于，所述氮化鎵緩沖層之上還依次層疊有用于改善器件界面粗糙程度的銦鎵氮插入層、用于提高勢壘的氮化鋁插入層、鋁鎵氮隔離層，鋁鎵氮電子提供層，鋁鎵氮勢壘層和分別與鋁鎵氮勢壘層歐姆連接的源極、柵極和漏極。上述鋁鎵氮勢壘層之上，源極和漏極之間，柵極之下的區(qū)域還層疊有氮化硅鈍化層。上述柵極采用可以降低柵極接觸電阻的T形槽柵結(jié)構(gòu)，T形槽柵結(jié)構(gòu)的下部貫穿氮化硅鈍化層與鋁鎵氮勢壘層后歐姆連接。本發(fā)明的有益效果是由于銦鎵氮插入層可以改善器件的界面特性，提高高電子遷移率晶體管中的二維電子氣的遷移率，同時氮化鋁插入層與銦鎵氮插入層之間所形成的異質(zhì)結(jié)相比傳統(tǒng)的AlGaN層與GaN層形成的異質(zhì)結(jié)，具有的更大的禁帶寬度差，形成的二維·勢阱更深，可以將二維電子氣更好的束縛在勢阱中，降低溝道層中雜質(zhì)對二維電子氣的散射，增加二維電子氣的飽和速率和遷移率。提高了器件的噪聲性能，特別是其高頻噪聲性倉泛。


圖I是傳統(tǒng)的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的AlGaN/AlN/InGaN/GaN結(jié)構(gòu)的高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖2中鋁鎵氮勢壘層的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的晶體管其最小噪聲系數(shù)隨頻率變化關(guān)系示意圖。附圖標(biāo)記說明氮化硅鈍化層O、源極I、柵極2、漏極3、鋁鎵氮勢壘層4、鋁鎵氮電子提供層5、鋁鎵氮隔離層6、氮化鋁插入層7、銦鎵氮插入層8、氮化鎵緩沖層9、氮化鋁成核層10、襯底11。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。如圖2所示的具體實(shí)施例，一種高頻低噪聲氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，包括從下往上依次層疊的襯底11、位于襯底11之上的氮化鋁(AlN)成核層10、位于氮化鋁成核層10之上的氮化鎵(GaN)緩沖層9，所述氮化鎵(GaN)緩沖層9之上還依次層疊有用于改善器件界面粗糙程度的銦鎵氮(InGaN)插入層8、用于提高勢壘的氮化鋁(AlN)插入層7、鋁鎵氮(AlGaN)隔離層6，鋁鎵氮(AlGaN)電子提供層5，鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層4和分別與鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層4歐姆連接的源極I、柵極2和漏極3。上述具體實(shí)施例中源極I、柵極2和漏極3與鋁鎵氮勢壘層4歐姆連接的方式可以采用如圖I所示的現(xiàn)有的連接方式。作為一種對上述源極I、柵極2和漏極3與鋁鎵氮勢壘層4歐姆連接的方式的改進(jìn)，上述鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層4之上，源極I和漏極3之間，柵極2之下的區(qū)域還層疊有氮化硅(SiN)鈍化層0，設(shè)置氮化硅鈍化層O的目的其一在于降低蝕刻鋁鎵氮勢壘層4損傷所引起的寄生參數(shù)，如柵極寄生電容，柵極寄生電感。其二為減小陷阱等效應(yīng)所造成的勢壘層上表面存在的表面態(tài)對器件性能的影響。改進(jìn)后的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，上述柵極2采用可以降低柵極接觸電阻的T形槽柵結(jié)構(gòu)，T形槽柵結(jié)構(gòu)的下部貫穿氮化硅(SiN)鈍化層O的槽與鋁鎵氮勢壘層4歐姆連接。進(jìn)一步的，為了改善器件的源極I和漏極3與鋁鎵氮勢壘層4的歐姆接觸，在這兩個電極(源極I和漏極3)正下方的鋁鎵氮材料區(qū)域(即源極I和漏極3下方對應(yīng)的鋁鎵氮勢壘層4、鋁鎵氮電子提供層5、鋁鎵氮隔離層6的區(qū)域)進(jìn)行重?fù)诫s，摻雜方式為離子注入，采用Si進(jìn)行N型均勻摻雜，摻雜濃度為le20-le21Cm_3。

上述具體實(shí)施例中，襯底11可以選擇在4H_SIC，藍(lán)寶石或者硅作為基片。上述具體實(shí)施例中，銦鎵氮(InGaN)插入層8用于改善器件界面粗糙程度，厚度在I飛nm之間，所述銦鎵氮插入層8中銦原子占銦鎵合金原子總數(shù)的O. 5% 5%，厚度最優(yōu)值為4nm, In原子成分最優(yōu)值為I. 5%。上述具體實(shí)施例中，氮化鋁(AlN)插入層7的厚度在O. 2nnT2nm之間，優(yōu)化得到的最優(yōu)值為lnm。上述具體實(shí)施例中，鋁鎵氮勢壘層4的槽深度及寬度隨勢壘層4的厚度變化而變化，槽深度最優(yōu)值為勢壘層4厚度的五分之一。下面通過介紹上述具體實(shí)施例的晶體管結(jié)構(gòu)的制作過程進(jìn)一步的說明其具體結(jié)構(gòu)和作用一種高頻低噪聲氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下步驟步驟I :在4H_SIC，藍(lán)寶石或者硅基片上通過金屬有機(jī)化合物氣相沉淀(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生長厚度為IOOnm的低溫氮化鋁(AlN)成核層10 ;成核層10的作用在于為高溫生長GaN緩沖層9提供有效的成核中心，并起到有效降低緩沖層9位錯的作用，從而提高器件的穩(wěn)定性與性能。步驟2 :在低溫AlN成核層10上通過金屬有機(jī)化合物氣相沉淀(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生長厚度為2. Oum的GaN緩沖層9。緩沖層的阻性為高阻性，其目的在于降低緩沖層9泄漏電流，降低溝道電流的縱向波動，提高器件的噪聲性能。步驟3 :在GaN緩沖層9上利用金屬有機(jī)化合物氣相沉淀(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生長厚度為4nm的低In組分InGaN的插入層8，其目的在于提高器件的緩沖層8上表面的粗糙程度，提高器件AlGaN薄膜的生長質(zhì)量，降低位錯(原子的局部不規(guī)則排列)與缺陷。但同時當(dāng)In原子過多，會增加溝道電子雜質(zhì)散射幾率，降低電子遷移率及飽和速率。所以本發(fā)明In占化合物中In，Ga總原子數(shù)的O. 15°/Γ2%之間。步驟4 :在InGaN插入層8上通過金屬有機(jī)化合物氣相沉淀(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生長一層厚度為Inm的AlN插入層7，主要目的在于增加InGaN與AlGaN的導(dǎo)帶不連續(xù)性，增大勢壘層材料與緩沖層材料之間的導(dǎo)帶差。形成更深的勢阱，便于將二維電子氣集中于勢阱中，減小GaN緩沖層9中深能級陷阱對溝道電子的散射作用，提高了二維電子氣遷移率和飽和速率。步驟5 :在AlN插入層7上通過金屬有機(jī)化合物氣相沉淀(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生長厚度為5nm的非有意摻雜AlGaN隔離層6，目的降低電子到勢壘區(qū)域的擴(kuò)散，提高器件的性能。
步驟6 :在AlGaN隔離層6上通過金屬有機(jī)化合物氣相沉淀(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生長IOnm有意摻雜的AlGaN電子提供層5，采用離子注入的方式利用Si對該層進(jìn)行N型均勻摻雜，摻雜濃度為2el8cnT3。目的在于提供更多的溝道電子。增加二維電子氣電子濃度，從而提聞器件的聞頻性能。步驟7 :在AlGaN電子提供層5上通過金屬有機(jī)化合物氣相沉淀(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生長IOnm非有意摻雜的AlGaN勢壘層4。步驟8 :在與漏極3，源極I接觸的鋁鎵氮材料區(qū)域采用離子束注入的方式利用Si進(jìn)行N型均勻摻雜，摻雜濃度為2e21cnT3，深度為50nm，寬度等于源極與漏極的長度。目的在于降低漏極與源極的接觸電阻。步驟9 :在AlGaN勢壘層4蝕刻深度為5nm寬度為O. 2um的槽，利用金屬蒸發(fā)或者濺射的方法沉淀制作柵長為O. 12um的T型柵，在柵極與左右的勢壘層之間采用化學(xué)氣相沉
淀(CVD)方法沉積氮化硅鈍化層O進(jìn)行保護(hù)。步驟10 =AlGaN勢壘層4上按照常規(guī)方法(金屬蒸發(fā)或者濺射方法積淀在氮化物表面)制作柵極，源極和漏極。柵極金屬為Ni/Au (鎳鋁合金)，漏極與源極金屬為(Ti/Al/Ni/Au)其目的在于讓漏極與源極具有小的歐姆接觸電阻，良好的界面光潔度和可靠性。本發(fā)明中各層的外延生長均采用常規(guī)的技術(shù)手段金屬有機(jī)化合物氣相沉淀(MOCVD)或者分子束外延(MBE)。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于(I)相比與傳統(tǒng)的GaN高電子遷移率晶體管中二維電子氣運(yùn)動的溝道材料GaN,本發(fā)明的溝道材料為InGaN。(2)相比與傳統(tǒng)的GaN高電子遷移率晶體管中勢壘層材料單一的AlGaN，本發(fā)明插入了一層薄的AlN插入層，增加了勢壘的高度。(3)相比與傳統(tǒng)的GaN高電子遷移率晶體管中不摻雜的勢壘層，本發(fā)明利用Si進(jìn)行N型有選擇的分層摻雜，提高了溝道中二維電子氣的濃度。(4)勢壘層與漏，源電極接觸區(qū)域所采用N型重?fù)诫s，摻雜的方式及濃度與深度。(5)采用槽柵，T型柵結(jié)構(gòu)并配合使用氮化硅絕緣體作為鈍化層，降低了柵極附近勢壘層中由于蝕刻損傷所引起的缺陷，由此改善了柵極附近的電場特性，同時降低了勢壘層4上表面存在的表面態(tài)對溝道中二維電子氣運(yùn)動的影響。降低柵極寄生電容，提高了器件的電流截止頻率，從而提高了器件的高頻特性。本發(fā)明通過改變勢壘結(jié)構(gòu)，同時優(yōu)化勢壘結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。使器件工作在低噪聲放大器相應(yīng)的偏置電壓下，相比于傳統(tǒng)具有相同柵長的GaN高電子遷移率晶體管，跨導(dǎo)和電子遷移率明顯增大，合金散射顯著降低，柵極泄漏電流明顯降低，柵極對溝道電流的控制作用顯著增強(qiáng)，溝道電流的縱向波動明顯減小，器件的噪聲性能得到明顯改善。如圖4所示的晶體管其最小噪聲系數(shù)隨頻率變化關(guān)系示意圖，其中橫坐標(biāo)為頻率單位為Hz，縱坐標(biāo)為晶體管的最小噪聲系數(shù)，單位為dB。其中三角形為本發(fā)明所提出的AlGaN/AlN/InGaN/GaNHEMT(高電子遷移率晶體管,High Electron Mobility Transistor)的最小噪聲系數(shù)，圓點(diǎn)為現(xiàn)有技術(shù)中具有相同柵長的傳統(tǒng)的AlGaN/GaN HEMT的最小噪聲系數(shù)，由圖中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，本發(fā)明的方案具有優(yōu)于傳統(tǒng)方案的最小噪聲系數(shù)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高頻低噪聲氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，包括從下往上依次層疊的襯底、位于襯底之上的氮化鋁成核層、位于氮化鋁成核層之上的氮化鎵緩沖層，其特征在于，所述氮化鎵緩沖層之上還依次層疊有用于改善器件界面粗糙程度的銦鎵氮插入層、用于提高勢壘的氮化鋁插入層、鋁鎵氮隔離層，鋁鎵氮電子提供層，鋁鎵氮勢壘層和分別與鋁鎵氮勢壘層歐姆連接的源極、柵極和漏極。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高頻低噪聲氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，所述鋁鎵氮勢壘層之上，源極和漏極之間，柵極之下的區(qū)域還層疊有氮化硅鈍化層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高頻低噪聲氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述柵極采用可以降低柵極接觸電阻的T形槽柵結(jié)構(gòu)，T形槽柵結(jié)構(gòu)的下部貫穿氮化硅鈍化層的槽與鋁鎵氮勢壘層歐姆連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高頻低噪聲氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述鋁鎵氮勢壘層的槽深度及寬度隨勢壘層的厚度變化而變化，槽深度最優(yōu)值為勢魚層厚度的五分之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高頻低噪聲氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述銦鎵氮插入層的厚度在f6nm之間，所述銦鎵氮插入層8中銦原子占銦鎵合金原子總數(shù)的O. 5% 5%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高頻低噪聲氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，氮化鋁插入層的厚度在O. 2nnT2nm之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6任一項(xiàng)所述的一種高頻低噪聲氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，為了改善器件的源極和漏極與鋁鎵氮勢壘層4的歐姆接觸，在這兩個電極(源極和漏極)正下方的鋁鎵氮材料區(qū)域(即源極和漏極下方對應(yīng)的鋁鎵氮勢壘層、鋁鎵氮電子提供層、鋁鎵氮隔離層的區(qū)域)進(jìn)行N型重?fù)诫s。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高頻低噪聲氮化鎵基高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)，包括從下往上依次層疊的襯底、位于襯底之上的氮化鋁成核層、位于氮化鋁成核層之上的氮化鎵緩沖層，其特征在于，所述氮化鎵緩沖層之上還依次層疊有用于改善器件界面粗糙程度的銦鎵氮插入層、用于提高勢壘的氮化鋁插入層、鋁鎵氮隔離層，鋁鎵氮電子提供層，鋁鎵氮勢壘層和分別與鋁鎵氮勢壘層歐姆連接的源極、柵極和漏極。本發(fā)明的有益效果是可以將二維電子氣更好的束縛在勢阱中，降低溝道層中雜質(zhì)對二維電子氣的散射，增加二維電子氣的飽和速率和遷移率。提高了器件的噪聲性能，特別是其高頻噪聲性能。
文檔編號H01L29/06GK102881715SQ201210232810
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者徐躍杭, 蘭貴林, 國云川, 邱義杰, 延波, 徐銳敏 申請人:電子科技大學(xué)