双异质氮化镓基场效应晶体管结构及制作方法技术

一种双异质氮化镓基场效应晶体管结构，包括：一衬底；一成核层制作在衬底上面；一Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层制作在成核层上面；一非有意掺杂高质量铝镓氮外延层制作在Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层上面；一非有意掺杂氮化镓沟道层制作在非有意掺杂高质量铝镓氮外延层上面；一氮化铝插入层制作在非有意掺杂氮化镓沟道层上面；一非有意掺杂铝镓氮势垒层制作在氮化铝插入层上面；一非有意掺杂氮化镓盖帽层制作在非有意掺杂铝镓氮势垒层上面，本发明专利技术可以提高外延材料的晶体质量，达到高电子限阈和高晶体质量的双赢。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体
，特别是指一种双异质氮化镓基场效应晶体管结构及制作方法，该晶体管将Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层和非有意掺杂高质量铝镓氮外延层相结合，通过Fe的有意掺杂形成高阻电流阻挡层，解决传统结构中非有意掺杂形成高阻层引入大量深能级的问题，可以显著晶体管结构中缓冲层的质量，减少缺陷密度，提高沟道电子迁移率；另一方面，该晶体管也采用了低铝组分的铝镓氮作为缓冲层，提高对二维电子气的限制能力，遏制缓冲层的漏电，提高器件工作的稳定性和可靠性。
技术介绍
氮化镓作为第三代宽禁带半导体的典型代表，具有优良的热稳定性及化学稳定性、高击穿电压、高电子饱和漂移速度及优良的抗辐射性能，特别适合制备具有高温、高频、高功率和抗辐射特性的场效应晶体管。氮化镓基场效应晶体管在无线通信、雷达、航空航天、汽车电子、自动化控制、石油勘探、高温辐射环境等领域有广阔的应用前景。氮化镓基场效应晶体管的原理为：由于组成异质结的两种材料的禁带宽度不同，在异质结界面处形成了势垒和势阱，由于极化效应或调制掺杂产生的自由电子，积累在非掺杂的氮化镓层靠近界面的三角形势阱中，形成二维电子气，由于势阱中的电子与势垒中的电离杂质空间分离，大大降低了库伦散射，从而显著提高了材料的迁移率。研制成器件后，通过栅电极可以控制异质结界面处的二维电子气密度，在一定的直流偏压下，可以对高频微波信号进行放大。当上述器件的工作频率上升到毫米波波段时，器件的栅长必须缩短到微纳尺度，同时势垒层厚度也需要同比例地缩短，否则短沟道效应将会凸
显出来。短沟道效应表现在：阈值电压漂移增大，沟道夹断特性变差，亚阈电流增加，输出电导变大。这些现象会严重降低器件的性能。短沟道效应可以通过减薄势垒层厚度和提高沟道电子的限制能力得到遏制。但是，对于常规的氮化镓基场效应晶体管结构，氮化镓沟道里的电子仅仅受到势垒层一侧的限制，缓冲层那边的势垒是由二维电子气自身提供的。当沟道电子在大电压下逐渐耗尽时，缓冲层那侧的势垒逐渐消失，热电子很容易渗透进入缓冲层，造成器件的缓冲层漏电，器件的夹断特性变差。而且铝镓氮的势垒层的厚度也不能太薄，否则沟道里的二维电子气密度会减少，器件的输出功率下降。当然提高势垒层的铝组分，异质结带阶和极化电场增大，可显著提高二维电子气面密度。但是，Al组分较高时，大的晶格失配会导致AlGaN势垒层的晶体质量、表面和界面质量变差，应变诱生的深能级缺陷增多，使散射增强，迁移率降低，而且由晶格失配形成的应力通过逆压电效应会严重影响器件的可靠性。引入低Al组分的非故意掺杂AlGaN高阻缓冲层，替代传统结构中的非故意掺杂高阻GaN缓冲层，可以提高衬底缓冲层一侧的势垒高度，增加对沟道电子的限阈能力，解决高频、大功率微波器件的缓冲层漏电、短沟道效应等问题。但非故意掺杂高阻缓冲层，通过生长条件的控制引入部分深能级，形成高电阻率，这是一种以牺牲材料的一部分晶体质量为代价的方法，而且引入非故意掺杂AlGaN高阻缓冲层，Al的引入会进一步引起晶体质量的下降，增加缺陷密度，对材料和器件的性能带来一定的影响。要提高异质结构的电子限阈能力，引入低Al组分的AlGaN高阻缓冲层，但异质结构材料的晶体质量下降，材料和器件的性能大打折扣，成为此领域研究者面临的难点。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是提供一种双异质氮化镓基场效应晶体管结构及制作方法，此结构将Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层和非有意掺杂高质量铝镓氮外延层相结合形成高阻层，取代传统结构中的非有意掺杂氮化镓高阻缓冲层和传统双异质结构中的非有意掺杂低Al组分AlGaN高阻缓冲层，一方面引入背势垒提高沟道电子限阈，另一方面阶段解决非有意掺杂高阻
层缺陷密度高的问题，提高外延材料的晶体质量，达到高电子限阈和高晶体质量的双赢。本专利技术的第二个目的是引入Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层和非有意掺杂高质量铝镓氮外延层，通过Fe的引入和扩散形成高阻缓冲层，阻挡器件工作时的缓冲层漏电。本专利技术的第三个目的是通过Fe有意掺杂形成高阻缓冲层，解决传统结构中非有意掺杂形成高阻缓冲层引入大量缺陷的问题，提高异质结构材料的晶体质量。本专利技术的第四个目的是通过引入低铝组分的铝镓氮缓冲层，形成限制沟道电子的背势垒，提高二维电子气的限制能力，降低器件的缓冲层漏电，提高击穿电压和栅调控能力，抑制器件的短沟道效应。本专利技术的第五个目的是提供一种双异质氮化镓基场效应晶体管的制作方法，该制作方法能够具体在工艺上实现这种新型的HEMT结构。本专利技术提供一种双异质氮化镓基场效应晶体管结构，包括：一衬底；一成核层，该成核层制作在衬底上面；一Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层，该Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层制作在成核层上面；一非有意掺杂高质量铝镓氮外延层，该非有意掺杂高质量铝镓氮外延层制作在Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层上面；一非有意掺杂氮化镓沟道层，该非有意氮化镓沟道层制作在非有意掺杂高质量铝镓氮外延层上面；一氮化铝插入层，该氮化插入铝层制作在非有意掺杂氮化镓沟道层上面，该氮化铝插入层的厚度为0.7nm-5nm；一非有意掺杂铝镓氮势垒层，该非有意掺杂铝镓氮势垒层制作在氮化铝插入层上面，该非有意掺杂铝镓氮势垒层0的材料为AlzGa1-zN，其中铝的组分z＝0.10-0.25，该非有意掺杂铝镓氮势垒层的厚度为15nm-25nm；一非有意掺杂氮化镓盖帽层，该非有意掺杂氮化镓盖帽层制作在非有意掺杂铝镓氮势垒层上面，该非有意掺杂氮化镓盖帽层的厚度为1nm-5nm。本专利技术还提供一种双异质氮化镓基场效应晶体管结构的制作方法，包
括如下步骤：步骤1：选择一衬底；步骤2：在衬底上生长一层成核层；步骤3：在成核层上生长Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层；步骤4：在Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层上生长非有意掺杂高质量铝镓氮外延层；步骤5：在非有意掺杂高质量铝镓氮外延层上生长非有意掺杂氮化镓沟道层；步骤6：在非有意掺杂氮化镓沟道层上生长氮化铝插入层，该氮化铝插入层的生长厚度为0.7nm-5nm；步骤7：在氮化铝插入层上生长非有意掺杂铝镓氮势垒层，该非有意掺杂铝镓氮势垒层的材料为AlzGa1-zN，其中铝的组分z＝0.10-0.25，其中厚度为15nm-25nm；步骤8：在非有意掺杂铝镓氮势垒层上生长非有意掺杂氮化镓盖帽层，该非有意掺杂氮化镓盖帽层的生长厚度为1nm-5nm，完成制备。本专利技术的有益效果是，不仅能够提高氮化镓基场效应晶体管的电子限阈，降低器件的缓冲层漏电，提高击穿电压和栅调控能力，抑制器件的短沟道效应，而且可以提高晶体管材料的晶体质量，提高材料和器件的性能，最终达到高电子限阈和高晶体质量的双赢。附图说明为进一步说明本专利技术的内容，以下结合附图及实施例对本专利技术作一详细的描述，其中：图1为本专利技术的新型双异质结构氮化镓基场效应晶体管结构示意图；图2为本专利技术的制作流程图；具体实施方式请参阅图1所示，本专利技术提供一种双异质氮化镓基场效应晶体管结构，包括：一衬底10；一成核层20，该成核层20制作在衬底10上面，该成核层20的厚度为0.01μm-0.50μm；一Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层30，该Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层30制作在成核层20上面，该Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层30的材料为Fe掺杂AlxGa1-xN，其中铝的组分0＜x＜0.10，Fe的掺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双异质氮化镓基场效应晶体管结构，包括：一衬底；一成核层，该成核层制作在衬底上面；一Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层，该Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层制作在成核层上面；一非有意掺杂高质量铝镓氮外延层，该非有意掺杂高质量铝镓氮外延层制作在Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层上面；一非有意掺杂氮化镓沟道层，该非有意氮化镓沟道层制作在非有意掺杂高质量铝镓氮外延层上面；一氮化铝插入层，该氮化插入铝层制作在非有意掺杂氮化镓沟道层上面，该氮化铝插入层的厚度为0.7nm‑5nm；一非有意掺杂铝镓氮势垒层，该非有意掺杂铝镓氮势垒层制作在氮化铝插入层上面，该非有意掺杂铝镓氮势垒层0的材料为AlzGa1‑zN，其中铝的组分z＝0.10‑0.25，该非有意掺杂铝镓氮势垒层的厚度为15nm‑25nm；一非有意掺杂氮化镓盖帽层，该非有意掺杂氮化镓盖帽层制作在非有意掺杂铝镓氮势垒层上面，该非有意掺杂氮化镓盖帽层的厚度为1nm‑5nm。

【技术特征摘要】
1.一种双异质氮化镓基场效应晶体管结构，包括：一衬底；一成核层，该成核层制作在衬底上面；一Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层，该Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层制作在成核层上面；一非有意掺杂高质量铝镓氮外延层，该非有意掺杂高质量铝镓氮外延层制作在Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层上面；一非有意掺杂氮化镓沟道层，该非有意氮化镓沟道层制作在非有意掺杂高质量铝镓氮外延层上面；一氮化铝插入层，该氮化插入铝层制作在非有意掺杂氮化镓沟道层上面，该氮化铝插入层的厚度为0.7nm-5nm；一非有意掺杂铝镓氮势垒层，该非有意掺杂铝镓氮势垒层制作在氮化铝插入层上面，该非有意掺杂铝镓氮势垒层0的材料为AlzGa1-zN，其中铝的组分z＝0.10-0.25，该非有意掺杂铝镓氮势垒层的厚度为15nm-25nm；一非有意掺杂氮化镓盖帽层，该非有意掺杂氮化镓盖帽层制作在非有意掺杂铝镓氮势垒层上面，该非有意掺杂氮化镓盖帽层的厚度为1nm-5nm。2.根据权利要求1所述的双异质氮化镓基场效应晶体管结构，其中成核层的厚度为0.01μm-0.50μm。3.根据权利要求1所述的双异质氮化镓基场效应晶体管结构，其中Fe有意掺杂铝镓氮掺杂层的材料为Fe掺杂AlxGa1-xN，其中铝的组分0＜x＜0.10，Fe的掺杂浓度为(1019-1020)cm-3，厚度为150nm-200nm。4.根据权利要求1所述的双异质氮化镓基场效应晶体管结构，其中非有意掺杂高质量铝镓氮外延层的材料为AlyGa1-yN，其中铝的组分0＜y＝x＜0.10，厚度为1.5μm-2μm。5.根据权利要求1所述的双异质氮化镓基场效应晶体管结构，其中非有意掺杂氮化镓沟道层的厚度为10nm-50n...

【专利技术属性】
技术研发人员：王翠梅，冯春，王晓亮，王权，肖红领，姜丽娟，殷海波，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11