双沟道晶体管及其制备方法
双沟道晶体管及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了双沟道晶体管，以GaN为材料，包含双沟道，即第一沟道和第二沟道，第一沟道为势垒层和GaN沟道层的界面，第二沟道为背势垒层和GaN沟道层的界面，所述势垒层和背势垒的材料均为AlGaN；所述AlGaN背势垒层的厚度为20nm，铝组分为30％，所述AlGaN势垒层的厚度为20nm，铝组分为30％。同时，所述晶体管的衬底为碳化硅衬底。本发明提供的双沟道晶体管及其制备方法，采用一定铝组分和厚度的铝镓氮作为背势垒层，形成AlGaN/GaN/AlGaN双异质结构，强极化电场使沟道中的二维电子气（2DEG）被限制在两个非常高的势垒中，形成双沟道，增强了沟道中2DEG限域性，提高了器件的可靠性。
【专利说明】双沟道晶体管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体【技术领域】，特别涉及一种高可靠高电子迁移率双沟道晶体管及其制备方法。
【背景技术】
[0002]针对单异质结器件沟道中电子容易在高场、高压下出现溢出，进而降低器件可靠性的问题。对于单异质结的器件，主要通过器件结构的设计，如通过钝化和增加场版的方法来提高器件在高场和高压下的可靠性，但是通过器件结构和工艺的改进不可避免的存在着引入寄生参数，从而产生降低器件频率和效率的弊端，因此，从材料结构入手，从根本上提高器件在高压和高场下的可靠性，是提高器件可靠性的一种有效的方法。
[0003]GaN材料具有良好的热学和电学性能和化学稳定性，如宽的禁带宽度，高的击穿电场、高热导率、耐腐蚀和抗辐射等，是制备高频、高温、高压、大功率器件的理想材料。
[0004]AlGaN/GaN异质结存在极强的压电极化和自发极化效应，在异质结界面形成高浓度的二维电子气(2DEG)，基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)在大功率微波器件方面具有广泛的应用前景。
[0005]随着器件频率的提高，器件的栅长不断缩短，当器件工作在高电场条件下时，单异质结器件沟道中电子容易在高场、高压下出现溢出，进而降低器件的可靠性。因此，提高器件的限域性将利于提升器件在强场下的工作稳定性和可靠性。一般器件的材料结构确定后，器件沟道中载流子的限域性也就基本确定，很难通过器件结构和工艺的优化来提高器件的限域性，因此，材料结构的优化是提高器件限域性的根本。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供双沟道晶体管及其制备方法，解决现有技术中单异质结器件沟道中电子容易在高场、高压下出现溢出，进而降低器件可靠性的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本发明提供了 AlGaN/GaN/AlGaN双沟道晶体管，实现了双沟道AlGaN/GaNHEMT器件，提高了沟道电子的限域性，降低了器件的电流崩塌效应，进而提高GaN基微波功率器件在高频、高压条件下工作的稳定性和可靠性。
[0008]本发明提供的双沟道晶体管，以GaN为材料，包含双沟道，即第一沟道和第二沟道，所述第一沟道为势垒层和GaN沟道层的界面，所述第二沟道为背势垒层和GaN沟道层的界面，所述势垒层和背势垒的材料均为AlGaN ;所述AlGaN背势垒层的厚度为20nm，铝组分为30%，所述AlGaN势垒层的厚度为20nm，铝组分为30%。同时，所述晶体管的衬底为碳化硅衬底。
[0009]为了本发明的技术方案更加清楚和明白，本发明还提供了本发明提供的双沟道晶体管的设计方法，该设计方法结合极化效应，运用能带工程，首先通过自洽求解一维薛定谔/泊松方程，对不同Al组分和厚度的AlGaN背势垒层结构的双沟道结构的能带结构和载流子的分布进行理论仿真，最后确定背势垒层组分和厚度的优化设计结构，从而得到本发明提供的双沟道晶体管及其制备方法。之后，给出了本发明提供的双沟道晶体管，即双沟道AlGaN/GaN HEMT器件的直流和CV以及脉冲IV的表征测试结果，验证本发明提供的双沟道器件的可靠性。
[0010]该设计方法包括以下步骤:
[0011]第一，基于泊松方程和薛定谔自洽求解的方法，并考虑材料的自发极化和压电极化效应，进行不同外延材料结构的能带模拟；
[0012]第二，采用能带工程，进行不同Al组分、势垒层以及AlGaN背势垒层厚度的优化设计，给出双沟道材料的Al组分和背势垒厚度的优化结果，并选用材料外延方法；
[0013]为了解决上述问题，本发明还提供了双沟道晶体管的制备方法，包含:
[0014]提供一个衬底；
[0015]在所述衬底上外延生长成核层；
[0016]在所述成核层上外延生长氮化镓高阻缓冲层；
[0017]在所述氮化镓高阻缓冲层上外延生长铝镓氮背势垒层；
[0018]在铝镓氮背势垒层上外延生长高迁移率氮化镓沟道层；
[0019]在氮化镓沟道层上外延生长一定厚度的铝镓氮势垒层；
[0020]在所述铝镓氮势垒层上外延生长氮化镓盖帽层；
[0021]在盖帽层上制备源电极和漏电极。
[0022]在盖帽层上淀积SiNx层；
[0023]在所述的源电极和漏电极之间刻蚀掉SiNx表面施主层，形成栅槽区；
[0024]在所述的栅槽区制备栅电极。
[0025]进一步地，所述材料外延方法采用金属有机物化学气相沉积方法。
[0026]进一步地,所述缓冲层氮化镓的厚度为2.5um。
[0027]进一步地，所述沟道层为氮化镓层，厚度为8nm。
[0028]进一步地，所述盖帽层为氮化镓层，厚度为3nm。
[0029]进一步地,所述源电极和漏电极采用依次淀积Ti/Al/Ni/Au作为欧姆接触的金属。
[0030]进一步地，所述SiNx钝化层的表面施主电荷层的生长方式采用原位外延方法和等离子体增强化学气相沉积，厚度为I?3nm。
[0031]进一步地，在盖帽层上制作源极和漏极，采用ICP刻蚀凹栅槽，完成栅电极的制备；所述栅槽区采用感应耦合等离子体(ICP)方式进行刻蚀SiNx介质，形成双沟道的GaN基HEMT器件。
[0032]本发明提供的双沟道晶体管及其制备方法，采用一定铝组分和厚度的铝镓氮作为背势垒层，形成AlGaN/GaN/AlGaN双异质结构，强极化电场使沟道中的二维电子气(2DEG)被限制在两个非常高的势垒中，形成双沟道，，增强了沟道中2DEG限域性，提高了器件的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1为本发明实施例提供的双沟道晶体管的设计流程示意图；
[0034]图2为本发明实施例提供的双沟道晶体管的第一沟道不同Al组分下沟道中载流子浓度示意图，横坐标为第一势垒AlGaN中Al组分的含量，纵坐标为二维电子气的浓度；
[0035]图3为本发明实施例提供的双沟道晶体管的第一沟道不同AlGaN势垒层厚度下沟道中载流子浓度示意图，横坐标为第一势垒AlGaN层的厚度，纵坐标为二维电子气浓度；
[0036]图4为本发明实施例提供的双沟道晶体管的第二沟道不同AlGaN势垒层厚度下沟道中载流子浓度示意图，横坐标为第二势垒AlGaN层的厚度，纵坐标为二维电子气浓度；
[0037]图5为本发明实施例提供的双沟道晶体管的能带示意图，横坐标为层厚度，纵坐标为能量；
[0038]图6为本发明实施例提供的双沟道晶体管的结构示意图；
[0039]图7为本发明实施例提供的双沟道晶体管制备方法的流程；
[0040]图8为本发明实施例提供的双沟道晶体管的CV测试结果；
[0041]图9为本发明实施例提供的双沟道晶体管的脉冲IV测试结果。
【具体实施方式】
[0042]本发明提供了双沟道晶体管及其制备方法。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0043]本发明提供的双沟道晶体管，参见图6，以GaN为材料，包含双沟道，即第一沟道和第二沟道，第一沟道为势垒层和GaN沟道层的界面，第二沟道为背势垒层和GaN沟道层的界面，势垒层和背势垒层的材料均为AlGaN ;AlGaN背势垒层的厚度为20nm，铝组分为30%。AlGaN势垒层的厚度为20nm，铝组分为30%。同时，该双沟道晶体管的衬底为碳化硅衬底。
[0044]为了使本发明实施例提供的双沟道晶体管的技术方案更加清楚，本发明还提供了本发明实施例提供的双沟道晶体管相应的设计方法，参见图1至图5，在设计过程中，结合极化效应，运用能带工程，首先通过自洽求解一维薛定谔/泊松方程对不同Al组分和厚度的AlGaN背势垒层结构的双沟道结构的能带结构和载流子的分布进行理论仿真，最后确定背势垒层组分和厚度的优化设计结构，从而实现高可靠双沟道AlGaN/GaN HEMT器件的制备。之后，给出了双沟道AlGaN/GaN HEMT器件的直流和CV以及脉冲IV的表征测试结果，验证双沟道器件的可靠性。
[0045]以下结合图1至5，对本设计方法进行说明，阐述首先如何确定二维电子气的浓度，再根据分别势垒层和背势垒层二者的Al组分和厚度对二维电子气的浓度的影响，从而确定势垒层和背势垒层的Al组分和厚度的优化设计。
[0046]图1示出了本发明实施例的双沟道晶体管的外延结构的设计方法流程图，其包括以下步骤:
[0047]步骤101:基于自发极化效应和压电极化效应，输入结构参数，例如弹性模量和晶格常数等参数，计算压电电荷；
[0048]步骤102:基于薛定谔方程和泊松方程，赋初值后，计算本征值和本征函数，确定费米能级和二维电子气的分布；
[0049]步骤103:由费米狄拉克分布确定二维电子气的浓度。
[0050]图2示出了双沟道异质结材料中，改变第一沟道势垒层的Al组分条件下，得到的二维电子气浓度，其包括以下步骤:
[0051]步骤201:在固定第一沟道势垒层AlGaN的厚度为20nm，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为18nm，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第一沟道势垒层AlGaN中Al组分为22%时的费米能级以及2DEG ；
[0052]步骤202:在固定第一沟道势垒层AlGaN的厚度为20nm，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为18nm，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第一沟道势垒层AlGaN中Al组分为25%时的费米能级以及2DEG ；
[0053]步骤203:在固定第一沟道势垒层AlGaN的厚度为20nm，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为18nm，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第一沟道势垒层AlGaN中Al组分为30%时的费米能级以及2DEG ；
[0054]步骤204:给出第一沟道势垒层中Al组分含量与沟道中载流子浓度之间的关系曲线，具体见图2。
[0055]图3示出了双沟道异质结材料中，改变第一沟道势垒层的厚度下，得到的二维电子气浓度，其包括以下步骤:
[0056]步骤301:在固定第一沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为20nm，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第一沟道势垒层AlGaN厚度为15nm时的费米能级以及2DEG ；
[0057]步骤302:在固定第一沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为20nm，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第一沟道势垒层AlGaN厚度为20nm时的费米能级以及2DEG ；
[0058]步骤303:在固定第一沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为20nm，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第一沟道势垒层AlGaN厚度为25nm时的费米能级以及2DEG ；
[0059]步骤304:给出第一沟道势垒层的厚度与沟道中载流子浓度之间的关系曲线，具体见图3。
[0060]图4示出了双沟道异质结材料中，改变第二沟道背势垒层的厚度下，得到的二维电子气浓度，其包括以下步骤:
[0061]步骤401:在固定第一沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为20nm，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第二沟道势垒层AlGaN厚度为15nm时的费米能级以及2DEG ；
[0062]步骤402:在固定第一沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为20nm，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第二沟道势垒层AlGaN厚度为18nm时的费米能级以及2DEG ；
[0063]步骤403:在固定第一沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为20nm，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第二沟道势垒层AlGaN厚度为20nm时的费米能级以及2DEG ；
[0064]步骤404:给出第二沟道势垒层的厚度与沟道中载流子浓度之间的关系曲线，具体见图4。
[0065]图5为本发明实施例的双沟道晶体管的能带示意图，其中确定了第一和第二沟道势垒层的Al组分和厚度优化设计的结果，其包括以下几个步骤:
[0066]步骤501:在分析不同Al组分，第一沟道和第二沟道势垒层厚度与沟道中载流子浓度和费米能级的关系，确定在不提高费米能级的条件下，二维电子气浓度较高的外延层结构；
[0067]步骤502:确定高可靠双沟道异质结构的优化结果为，盖帽层GaN的厚度为3nm，第一沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，势垒层的厚度为20nm，沟道层GaN的厚度为8nm，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，AlGaN势垒层的厚度为20nm，缓冲层的厚度为2.5um。
[0068]图6为本发明实施例的双沟道晶体管的外延结构示意图，其中确定了衬底材料和各个外延层材料的结构，其具体包括以下几个步骤:
[0069]步骤601:首先确定衬底为碳化硅衬底；
[0070]步骤602:确定高可靠双沟道异质结构的优化结果为，盖帽层GaN的厚度为3nm，第一沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，势垒层的厚度为20nm。沟道层GaN的厚度为8nm，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，AlGaN势垒层的厚度为20nm，缓冲层的厚度为
2.5um。
[0071]图7为本发明实施例提供的双沟道晶体管制备方法的流程，其具体包括以下几个步骤:
[0072]步骤701:首先确定衬底为碳化硅衬底；
[0073]步骤702:在衬底上采用金属有机物化学气相沉积方法生长一层成核层，成核层是氮化镓材料；
[0074]步骤703:在成核层上生长一层氮化镓高阻缓冲层，该层本底浓度低，其厚度为2.5um ；
[0075]步骤704:在高阻缓冲层上生长一层铝氮镓背势垒层，铝氮镓背势垒层的铝组分为30%，厚度为20nm ；
[0076]步骤705:在铝氮镓背势垒层上生长一层氮化镓沟道层，该薄层氮化镓沟道层的厚度为8nm ；
[0077]步骤706:在氮化镓沟道层上生长一层铝镓氮势垒层，势垒层的铝组分为30%，厚度为20nm ；
[0078]步骤707:在铝镓氮势垒层上生长一层氮化镓帽层，厚度为3nm ；
[0079]步骤708:在氮化镓帽层上生长氮化硅，氮化硅的生长方式采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，其厚度为I?3nm ;
[0080]步骤709:在氮化硅表面施主层上制备源电极和漏电极，源电极和漏电极采用欧姆接触金属制作而成；
[0081]步骤710:在所述源电极和漏电极之间刻蚀出栅槽区，在栅槽区形成栅电极，栅电极采用肖特基金属制作而成。
[0082]图8为本发明实施例的双沟道晶体管的CV测试结果，其具体包括以下几个步骤:
[0083]步骤801:采用LCR表对制备后的器件进行CV测试，其中测试频率为IOOKHz和1MHz，测试的偏压从一IOV到2V ；
[0084]步骤802:整理器件在不同频率下CV的测试结果，从结果来看，CV曲线中存在明显的双台阶现象，充分说明器件中存在着双沟道，由于背势垒层的插入，AlGaN/GaN双异质结结构中的第二个异质结界面将会由于极化效应产生寄生沟道；当材料所加电压从2V到一IOV变化时，由于主沟道距离材料表面较近，在一定的电压下，第一沟道中的电子首先耗尽，对应CV曲线的右侧的平台，当所加偏压继续下降到一定值时，寄生沟道中的载流子开始耗尽，在CV曲线中对应左侧的平台。由于背势垒层中Al组分较低，厚度较薄，极化效应产生的寄生沟道中的2DEG密度较小，所以CV曲线左侧的平台中较小；
[0085]步骤803:从变频CV的结果来看，器件在不同的频率下没有出现明显的频散现象，这也充分说明该器件存在较高的可靠性。
[0086]图9为本发明实施例的双沟道晶体管的脉冲IV测试结果，其具体包括以下几个步骤:
[0087]步骤901:基于双脉冲的动态IV测试方法，可以用来模拟器件的RF小信号特性，并且是表征器件电流崩塌的有力工具。采用AMCAD的脉冲IV测试仪，对器件进行脉冲IV的测试，所采用的脉冲的宽度为2us，脉冲间隔为1KHZ，直流测试的栅压从一 5到IV，漏压从OV — IOV0栅压的步长为IV，漏压的步长为IV ；
[0088]步骤902:分别进行直流和脉冲IV测试，其中脉冲IV测试的静态工作点分别为:Vg =- 10V, Vd = OV ；Vg =— 10V, Vd = IOV ；
[0089]步骤903:从脉冲IV的测试结果来看，器件在高的栅压和高的漏压下，脉冲测试下的结果与直流测试结果基本重合，说明双沟道器件的电流崩塌效应不明显，说明器件具有高的可靠性；
[0090]步骤904:从结果来看，双异质结器件具有较少的电流崩塌，可靠性较高。这是由于双异质结材料提高了沟道中载流子的限域性，另外，沟道电子有效的屏蔽了表面态对寄生沟道中载流子的调制作用，因此，双异质结器件的电流崩塌效应不明显，提高了器件可靠性。
[0091]最后所应说明的是，以上【具体实施方式】仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.双沟道晶体管，以GaN为材料，其特征在于，包含双沟道，即第一沟道和第二沟道，所述第一沟道为势垒层和GaN沟道层的界面，所述第二沟道为背势垒层和GaN沟道层的界面。
2.如权利要求1所述的双沟道晶体管，其特征在于，所述势垒层和背势垒的材料均为AlGaN0
3.如权利要求2所述的双沟道晶体管，其特征在于，所述AlGaN背势垒层的厚度为20nm，铝组分为30%。
4.如权利要 求2或3所述的双沟道晶体管，其特征在于，所述AlGaN势垒层的厚度为20nm，铝组分为30%。
5.如权利要求1或2所述的双沟道晶体管，其特征在于，所述晶体管的衬底为碳化硅衬
。
6.双沟道晶体管的制备方法，用于制备如权利要求1或2所述的双沟道晶体管，其特征在于，包含: 在衬底上外延生长GaN成核层； 在所述成核层上外延生长GaN高阻缓冲层； 在所述GaN高阻缓冲层上外延生长AlGaN背势垒层； 在所述AlGaN背势垒层上外延生长高迁移率GaN沟道层； 在所述GaN沟道层上外延生长薄层的AlGaN势垒层； 在所述AlGaN势垒层上外延生长GaN盖帽层； 在所述GaN盖帽层上制备源电极和漏电极； 之后在所述GaN盖帽层上淀积SiNx钝化层； 在所述的源电极和漏电极之间刻蚀掉所述SiNx钝化层，形成栅槽区； 在所述的栅槽区制备栅电极。
7.如权利要求6所述的双沟道晶体管的制备方法，其特征在于，所述外延生长采用金属有机物化学气相沉积方法。
8.如权利要求6所述的双沟道晶体管的制备方法，其特征在于，所述GaN沟道层的厚度为 8nm。
9.如权利要求6所述的双沟道晶体管的制备方法，其特征在于，所述GaN盖帽层的厚度为 3nm。
10.如权利要求6所述的双沟道晶体管的制备方法，其特征在于，所述源电极和漏电极采用依次淀积Ti/Al/Ni/Au作为欧姆接触的金属。
11.如权利要求6所述的双沟道晶体管的制备方法，其特征在于，所述SiNx钝化层的表面施主电荷层的生长方式采用原位外延方法和等离子体增强化学气相沉积，该SiNx钝化层的厚度为I~3nm。
12.如权利要求6所述的双沟道晶体管的制备方法，其特征在于，所述栅槽区采用感应耦合等离子体来刻蚀SiNx介质，AlN作为刻蚀阻挡层精确控制了栅槽区的刻蚀深度；采用电子束蒸发的方法，依次淀积Ni/Au作为器件的栅极，形成双沟道HEMT器件。
【文档编号】H01L21/335GK103681830SQ201210335697
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月11日 优先权日:2012年9月11日
【发明者】赵妙, 郑英奎, 刘新宇, 彭铭曾, 李艳奎, 欧阳思华, 魏珂 申请人:中国科学院微电子研究所
【专利摘要】本发明公开了双沟道晶体管，以GaN为材料，包含双沟道，即第一沟道和第二沟道，第一沟道为势垒层和GaN沟道层的界面，第二沟道为背势垒层和GaN沟道层的界面，所述势垒层和背势垒的材料均为AlGaN；所述AlGaN背势垒层的厚度为20nm，铝组分为30％，所述AlGaN势垒层的厚度为20nm，铝组分为30％。同时，所述晶体管的衬底为碳化硅衬底。本发明提供的双沟道晶体管及其制备方法，采用一定铝组分和厚度的铝镓氮作为背势垒层，形成AlGaN/GaN/AlGaN双异质结构，强极化电场使沟道中的二维电子气（2DEG）被限制在两个非常高的势垒中，形成双沟道，增强了沟道中2DEG限域性，提高了器件的可靠性。
【专利说明】双沟道晶体管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体【技术领域】，特别涉及一种高可靠高电子迁移率双沟道晶体管及其制备方法。
【背景技术】
[0002]针对单异质结器件沟道中电子容易在高场、高压下出现溢出，进而降低器件可靠性的问题。对于单异质结的器件，主要通过器件结构的设计，如通过钝化和增加场版的方法来提高器件在高场和高压下的可靠性，但是通过器件结构和工艺的改进不可避免的存在着引入寄生参数，从而产生降低器件频率和效率的弊端，因此，从材料结构入手，从根本上提高器件在高压和高场下的可靠性，是提高器件可靠性的一种有效的方法。
[0003]GaN材料具有良好的热学和电学性能和化学稳定性，如宽的禁带宽度，高的击穿电场、高热导率、耐腐蚀和抗辐射等，是制备高频、高温、高压、大功率器件的理想材料。
[0004]AlGaN/GaN异质结存在极强的压电极化和自发极化效应，在异质结界面形成高浓度的二维电子气(2DEG)，基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)在大功率微波器件方面具有广泛的应用前景。
[0005]随着器件频率的提高，器件的栅长不断缩短，当器件工作在高电场条件下时，单异质结器件沟道中电子容易在高场、高压下出现溢出，进而降低器件的可靠性。因此，提高器件的限域性将利于提升器件在强场下的工作稳定性和可靠性。一般器件的材料结构确定后，器件沟道中载流子的限域性也就基本确定，很难通过器件结构和工艺的优化来提高器件的限域性，因此，材料结构的优化是提高器件限域性的根本。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供双沟道晶体管及其制备方法，解决现有技术中单异质结器件沟道中电子容易在高场、高压下出现溢出，进而降低器件可靠性的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本发明提供了 AlGaN/GaN/AlGaN双沟道晶体管，实现了双沟道AlGaN/GaNHEMT器件，提高了沟道电子的限域性，降低了器件的电流崩塌效应，进而提高GaN基微波功率器件在高频、高压条件下工作的稳定性和可靠性。
[0008]本发明提供的双沟道晶体管，以GaN为材料，包含双沟道，即第一沟道和第二沟道，所述第一沟道为势垒层和GaN沟道层的界面，所述第二沟道为背势垒层和GaN沟道层的界面，所述势垒层和背势垒的材料均为AlGaN ;所述AlGaN背势垒层的厚度为20nm，铝组分为30%，所述AlGaN势垒层的厚度为20nm，铝组分为30%。同时，所述晶体管的衬底为碳化硅衬底。
[0009]为了本发明的技术方案更加清楚和明白，本发明还提供了本发明提供的双沟道晶体管的设计方法，该设计方法结合极化效应，运用能带工程，首先通过自洽求解一维薛定谔/泊松方程，对不同Al组分和厚度的AlGaN背势垒层结构的双沟道结构的能带结构和载流子的分布进行理论仿真，最后确定背势垒层组分和厚度的优化设计结构，从而得到本发明提供的双沟道晶体管及其制备方法。之后，给出了本发明提供的双沟道晶体管，即双沟道AlGaN/GaN HEMT器件的直流和CV以及脉冲IV的表征测试结果，验证本发明提供的双沟道器件的可靠性。
[0010]该设计方法包括以下步骤:
[0011]第一，基于泊松方程和薛定谔自洽求解的方法，并考虑材料的自发极化和压电极化效应，进行不同外延材料结构的能带模拟；
[0012]第二，采用能带工程，进行不同Al组分、势垒层以及AlGaN背势垒层厚度的优化设计，给出双沟道材料的Al组分和背势垒厚度的优化结果，并选用材料外延方法；
[0013]为了解决上述问题，本发明还提供了双沟道晶体管的制备方法，包含:
[0014]提供一个衬底；
[0015]在所述衬底上外延生长成核层；
[0016]在所述成核层上外延生长氮化镓高阻缓冲层；
[0017]在所述氮化镓高阻缓冲层上外延生长铝镓氮背势垒层；
[0018]在铝镓氮背势垒层上外延生长高迁移率氮化镓沟道层；
[0019]在氮化镓沟道层上外延生长一定厚度的铝镓氮势垒层；
[0020]在所述铝镓氮势垒层上外延生长氮化镓盖帽层；
[0021]在盖帽层上制备源电极和漏电极。
[0022]在盖帽层上淀积SiNx层；
[0023]在所述的源电极和漏电极之间刻蚀掉SiNx表面施主层，形成栅槽区；
[0024]在所述的栅槽区制备栅电极。
[0025]进一步地，所述材料外延方法采用金属有机物化学气相沉积方法。
[0026]进一步地,所述缓冲层氮化镓的厚度为2.5um。
[0027]进一步地，所述沟道层为氮化镓层，厚度为8nm。
[0028]进一步地，所述盖帽层为氮化镓层，厚度为3nm。
[0029]进一步地,所述源电极和漏电极采用依次淀积Ti/Al/Ni/Au作为欧姆接触的金属。
[0030]进一步地，所述SiNx钝化层的表面施主电荷层的生长方式采用原位外延方法和等离子体增强化学气相沉积，厚度为I?3nm。
[0031]进一步地，在盖帽层上制作源极和漏极，采用ICP刻蚀凹栅槽，完成栅电极的制备；所述栅槽区采用感应耦合等离子体(ICP)方式进行刻蚀SiNx介质，形成双沟道的GaN基HEMT器件。
[0032]本发明提供的双沟道晶体管及其制备方法，采用一定铝组分和厚度的铝镓氮作为背势垒层，形成AlGaN/GaN/AlGaN双异质结构，强极化电场使沟道中的二维电子气(2DEG)被限制在两个非常高的势垒中，形成双沟道，，增强了沟道中2DEG限域性，提高了器件的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1为本发明实施例提供的双沟道晶体管的设计流程示意图；
[0034]图2为本发明实施例提供的双沟道晶体管的第一沟道不同Al组分下沟道中载流子浓度示意图，横坐标为第一势垒AlGaN中Al组分的含量，纵坐标为二维电子气的浓度；
[0035]图3为本发明实施例提供的双沟道晶体管的第一沟道不同AlGaN势垒层厚度下沟道中载流子浓度示意图，横坐标为第一势垒AlGaN层的厚度，纵坐标为二维电子气浓度；
[0036]图4为本发明实施例提供的双沟道晶体管的第二沟道不同AlGaN势垒层厚度下沟道中载流子浓度示意图，横坐标为第二势垒AlGaN层的厚度，纵坐标为二维电子气浓度；
[0037]图5为本发明实施例提供的双沟道晶体管的能带示意图，横坐标为层厚度，纵坐标为能量；
[0038]图6为本发明实施例提供的双沟道晶体管的结构示意图；
[0039]图7为本发明实施例提供的双沟道晶体管制备方法的流程；
[0040]图8为本发明实施例提供的双沟道晶体管的CV测试结果；
[0041]图9为本发明实施例提供的双沟道晶体管的脉冲IV测试结果。
【具体实施方式】
[0042]本发明提供了双沟道晶体管及其制备方法。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0043]本发明提供的双沟道晶体管，参见图6，以GaN为材料，包含双沟道，即第一沟道和第二沟道，第一沟道为势垒层和GaN沟道层的界面，第二沟道为背势垒层和GaN沟道层的界面，势垒层和背势垒层的材料均为AlGaN ;AlGaN背势垒层的厚度为20nm，铝组分为30%。AlGaN势垒层的厚度为20nm，铝组分为30%。同时，该双沟道晶体管的衬底为碳化硅衬底。
[0044]为了使本发明实施例提供的双沟道晶体管的技术方案更加清楚，本发明还提供了本发明实施例提供的双沟道晶体管相应的设计方法，参见图1至图5，在设计过程中，结合极化效应，运用能带工程，首先通过自洽求解一维薛定谔/泊松方程对不同Al组分和厚度的AlGaN背势垒层结构的双沟道结构的能带结构和载流子的分布进行理论仿真，最后确定背势垒层组分和厚度的优化设计结构，从而实现高可靠双沟道AlGaN/GaN HEMT器件的制备。之后，给出了双沟道AlGaN/GaN HEMT器件的直流和CV以及脉冲IV的表征测试结果，验证双沟道器件的可靠性。
[0045]以下结合图1至5，对本设计方法进行说明，阐述首先如何确定二维电子气的浓度，再根据分别势垒层和背势垒层二者的Al组分和厚度对二维电子气的浓度的影响，从而确定势垒层和背势垒层的Al组分和厚度的优化设计。
[0046]图1示出了本发明实施例的双沟道晶体管的外延结构的设计方法流程图，其包括以下步骤:
[0047]步骤101:基于自发极化效应和压电极化效应，输入结构参数，例如弹性模量和晶格常数等参数，计算压电电荷；
[0048]步骤102:基于薛定谔方程和泊松方程，赋初值后，计算本征值和本征函数，确定费米能级和二维电子气的分布；
[0049]步骤103:由费米狄拉克分布确定二维电子气的浓度。
[0050]图2示出了双沟道异质结材料中，改变第一沟道势垒层的Al组分条件下，得到的二维电子气浓度，其包括以下步骤:
[0051]步骤201:在固定第一沟道势垒层AlGaN的厚度为20nm，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为18nm，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第一沟道势垒层AlGaN中Al组分为22%时的费米能级以及2DEG ；
[0052]步骤202:在固定第一沟道势垒层AlGaN的厚度为20nm，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为18nm，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第一沟道势垒层AlGaN中Al组分为25%时的费米能级以及2DEG ；
[0053]步骤203:在固定第一沟道势垒层AlGaN的厚度为20nm，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为18nm，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第一沟道势垒层AlGaN中Al组分为30%时的费米能级以及2DEG ；
[0054]步骤204:给出第一沟道势垒层中Al组分含量与沟道中载流子浓度之间的关系曲线，具体见图2。
[0055]图3示出了双沟道异质结材料中，改变第一沟道势垒层的厚度下，得到的二维电子气浓度，其包括以下步骤:
[0056]步骤301:在固定第一沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为20nm，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第一沟道势垒层AlGaN厚度为15nm时的费米能级以及2DEG ；
[0057]步骤302:在固定第一沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为20nm，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第一沟道势垒层AlGaN厚度为20nm时的费米能级以及2DEG ；
[0058]步骤303:在固定第一沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为20nm，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第一沟道势垒层AlGaN厚度为25nm时的费米能级以及2DEG ；
[0059]步骤304:给出第一沟道势垒层的厚度与沟道中载流子浓度之间的关系曲线，具体见图3。
[0060]图4示出了双沟道异质结材料中，改变第二沟道背势垒层的厚度下，得到的二维电子气浓度，其包括以下步骤:
[0061]步骤401:在固定第一沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为20nm，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第二沟道势垒层AlGaN厚度为15nm时的费米能级以及2DEG ；
[0062]步骤402:在固定第一沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为20nm，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第二沟道势垒层AlGaN厚度为18nm时的费米能级以及2DEG ；
[0063]步骤403:在固定第一沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，厚度为20nm，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，沟道层GaN的厚度为8nm，GaN盖帽层的厚度为3nm的条件下，计算第二沟道势垒层AlGaN厚度为20nm时的费米能级以及2DEG ；
[0064]步骤404:给出第二沟道势垒层的厚度与沟道中载流子浓度之间的关系曲线，具体见图4。
[0065]图5为本发明实施例的双沟道晶体管的能带示意图，其中确定了第一和第二沟道势垒层的Al组分和厚度优化设计的结果，其包括以下几个步骤:
[0066]步骤501:在分析不同Al组分，第一沟道和第二沟道势垒层厚度与沟道中载流子浓度和费米能级的关系，确定在不提高费米能级的条件下，二维电子气浓度较高的外延层结构；
[0067]步骤502:确定高可靠双沟道异质结构的优化结果为，盖帽层GaN的厚度为3nm，第一沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，势垒层的厚度为20nm，沟道层GaN的厚度为8nm，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，AlGaN势垒层的厚度为20nm，缓冲层的厚度为2.5um。
[0068]图6为本发明实施例的双沟道晶体管的外延结构示意图，其中确定了衬底材料和各个外延层材料的结构，其具体包括以下几个步骤:
[0069]步骤601:首先确定衬底为碳化硅衬底；
[0070]步骤602:确定高可靠双沟道异质结构的优化结果为，盖帽层GaN的厚度为3nm，第一沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，势垒层的厚度为20nm。沟道层GaN的厚度为8nm，第二沟道势垒层AlGaN的Al组分为30%，AlGaN势垒层的厚度为20nm，缓冲层的厚度为
2.5um。
[0071]图7为本发明实施例提供的双沟道晶体管制备方法的流程，其具体包括以下几个步骤:
[0072]步骤701:首先确定衬底为碳化硅衬底；
[0073]步骤702:在衬底上采用金属有机物化学气相沉积方法生长一层成核层，成核层是氮化镓材料；
[0074]步骤703:在成核层上生长一层氮化镓高阻缓冲层，该层本底浓度低，其厚度为2.5um ；
[0075]步骤704:在高阻缓冲层上生长一层铝氮镓背势垒层，铝氮镓背势垒层的铝组分为30%，厚度为20nm ；
[0076]步骤705:在铝氮镓背势垒层上生长一层氮化镓沟道层，该薄层氮化镓沟道层的厚度为8nm ；
[0077]步骤706:在氮化镓沟道层上生长一层铝镓氮势垒层，势垒层的铝组分为30%，厚度为20nm ；
[0078]步骤707:在铝镓氮势垒层上生长一层氮化镓帽层，厚度为3nm ；
[0079]步骤708:在氮化镓帽层上生长氮化硅，氮化硅的生长方式采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，其厚度为I?3nm ;
[0080]步骤709:在氮化硅表面施主层上制备源电极和漏电极，源电极和漏电极采用欧姆接触金属制作而成；
[0081]步骤710:在所述源电极和漏电极之间刻蚀出栅槽区，在栅槽区形成栅电极，栅电极采用肖特基金属制作而成。
[0082]图8为本发明实施例的双沟道晶体管的CV测试结果，其具体包括以下几个步骤:
[0083]步骤801:采用LCR表对制备后的器件进行CV测试，其中测试频率为IOOKHz和1MHz，测试的偏压从一IOV到2V ；
[0084]步骤802:整理器件在不同频率下CV的测试结果，从结果来看，CV曲线中存在明显的双台阶现象，充分说明器件中存在着双沟道，由于背势垒层的插入，AlGaN/GaN双异质结结构中的第二个异质结界面将会由于极化效应产生寄生沟道；当材料所加电压从2V到一IOV变化时，由于主沟道距离材料表面较近，在一定的电压下，第一沟道中的电子首先耗尽，对应CV曲线的右侧的平台，当所加偏压继续下降到一定值时，寄生沟道中的载流子开始耗尽，在CV曲线中对应左侧的平台。由于背势垒层中Al组分较低，厚度较薄，极化效应产生的寄生沟道中的2DEG密度较小，所以CV曲线左侧的平台中较小；
[0085]步骤803:从变频CV的结果来看，器件在不同的频率下没有出现明显的频散现象，这也充分说明该器件存在较高的可靠性。
[0086]图9为本发明实施例的双沟道晶体管的脉冲IV测试结果，其具体包括以下几个步骤:
[0087]步骤901:基于双脉冲的动态IV测试方法，可以用来模拟器件的RF小信号特性，并且是表征器件电流崩塌的有力工具。采用AMCAD的脉冲IV测试仪，对器件进行脉冲IV的测试，所采用的脉冲的宽度为2us，脉冲间隔为1KHZ，直流测试的栅压从一 5到IV，漏压从OV — IOV0栅压的步长为IV，漏压的步长为IV ；
[0088]步骤902:分别进行直流和脉冲IV测试，其中脉冲IV测试的静态工作点分别为:Vg =- 10V, Vd = OV ；Vg =— 10V, Vd = IOV ；
[0089]步骤903:从脉冲IV的测试结果来看，器件在高的栅压和高的漏压下，脉冲测试下的结果与直流测试结果基本重合，说明双沟道器件的电流崩塌效应不明显，说明器件具有高的可靠性；
[0090]步骤904:从结果来看，双异质结器件具有较少的电流崩塌，可靠性较高。这是由于双异质结材料提高了沟道中载流子的限域性，另外，沟道电子有效的屏蔽了表面态对寄生沟道中载流子的调制作用，因此，双异质结器件的电流崩塌效应不明显，提高了器件可靠性。
[0091]最后所应说明的是，以上【具体实施方式】仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.双沟道晶体管，以GaN为材料，其特征在于，包含双沟道，即第一沟道和第二沟道，所述第一沟道为势垒层和GaN沟道层的界面，所述第二沟道为背势垒层和GaN沟道层的界面。
2.如权利要求1所述的双沟道晶体管，其特征在于，所述势垒层和背势垒的材料均为AlGaN0
3.如权利要求2所述的双沟道晶体管，其特征在于，所述AlGaN背势垒层的厚度为20nm，铝组分为30%。
4.如权利要 求2或3所述的双沟道晶体管，其特征在于，所述AlGaN势垒层的厚度为20nm，铝组分为30%。
5.如权利要求1或2所述的双沟道晶体管，其特征在于，所述晶体管的衬底为碳化硅衬
。
6.双沟道晶体管的制备方法，用于制备如权利要求1或2所述的双沟道晶体管，其特征在于，包含: 在衬底上外延生长GaN成核层； 在所述成核层上外延生长GaN高阻缓冲层； 在所述GaN高阻缓冲层上外延生长AlGaN背势垒层； 在所述AlGaN背势垒层上外延生长高迁移率GaN沟道层； 在所述GaN沟道层上外延生长薄层的AlGaN势垒层； 在所述AlGaN势垒层上外延生长GaN盖帽层； 在所述GaN盖帽层上制备源电极和漏电极； 之后在所述GaN盖帽层上淀积SiNx钝化层； 在所述的源电极和漏电极之间刻蚀掉所述SiNx钝化层，形成栅槽区； 在所述的栅槽区制备栅电极。
7.如权利要求6所述的双沟道晶体管的制备方法，其特征在于，所述外延生长采用金属有机物化学气相沉积方法。
8.如权利要求6所述的双沟道晶体管的制备方法，其特征在于，所述GaN沟道层的厚度为 8nm。
9.如权利要求6所述的双沟道晶体管的制备方法，其特征在于，所述GaN盖帽层的厚度为 3nm。
10.如权利要求6所述的双沟道晶体管的制备方法，其特征在于，所述源电极和漏电极采用依次淀积Ti/Al/Ni/Au作为欧姆接触的金属。
11.如权利要求6所述的双沟道晶体管的制备方法，其特征在于，所述SiNx钝化层的表面施主电荷层的生长方式采用原位外延方法和等离子体增强化学气相沉积，该SiNx钝化层的厚度为I~3nm。
12.如权利要求6所述的双沟道晶体管的制备方法，其特征在于，所述栅槽区采用感应耦合等离子体来刻蚀SiNx介质，AlN作为刻蚀阻挡层精确控制了栅槽区的刻蚀深度；采用电子束蒸发的方法，依次淀积Ni/Au作为器件的栅极，形成双沟道HEMT器件。
【文档编号】H01L21/335GK103681830SQ201210335697
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月11日 优先权日:2012年9月11日
【发明者】赵妙, 郑英奎, 刘新宇, 彭铭曾, 李艳奎, 欧阳思华, 魏珂 申请人:中国科学院微电子研究所
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