阅读说明：本技术 利用MBE再生长的横向结构GaN基JFET器件及其制备方法 (Lateral structure GaN-based JFET device regrown by MBE and preparation method thereof ) 是由 郭慧 陈敦军 陶涛 王科 刘斌 张�荣 郑有炓 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用MBE再生长的横向结构GaN基JFET器件及其制备方法。该方法首先利用金属有机物汽相化学沉积装置在硅衬底上外延好半绝缘的3-5μm的GaN层,再外延300nm左右的n-GaN沟道层,然后在外延好的器件结构上刻蚀出陡峭的n沟道台面,接着利用MBE在台面两侧通过掩模选区外延p-GaN,与中间n沟道台面形成横向突变的p-n结,从而构成一种具有横向沟道的结构简单的GaN-JFET。(The invention discloses a lateral structure GaN-based JFET device regrown by using MBE and a preparation method thereof. The method comprises the steps of firstly, extending a semi-insulating GaN layer of 3-5 mu m on a silicon substrate by using a metal organic vapor phase chemical deposition device, extending an n-GaN channel layer of about 300nm, etching a steep n-channel table top on a device structure with good extension, extending p-GaN on two sides of the table top through a mask selection region by using MBE, and forming a transversely abrupt p-n junction with the middle n-channel table top, thereby forming the GaN-JFET with a transverse channel and a simple structure.)

利用MBE再生长的横向结构GaN基JFET器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种结型场效应晶体管(JFET)，尤其是一种利用MBE再生长的横向结构GaN基JFET器件。

背景技术

氮化物半导体材料因其禁带宽度宽、电子饱和速率高、临界击穿电场高等特点，能够制备出具有更低导通电阻、更高耐压、更高频率、更高工作温度的晶体管。而结型场效应管(JFET)器件又具有输入阻抗高、噪声小、功耗小、抗辐照能力强等特点。因此，基于GaN材料的JFET具备更突出优势，有望在互补晶体管逻辑电路、电流感测放大器、模数转换器驱动器、光电二极管跨阻放大器等领域有重要应用。纵向结构的JFET外延片需要n型导电衬底，生长工艺复杂，成本很高，且不便于集成。横向结构的JFET，其外延片的成本更低，工艺简单，易于平面集成；现有报道的横向结构的GaN基JFET器件了(文献1)是单个pn结控制的，本发明的结构中。沟道由两个pn结来控制，对沟道的控制能力更强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用MBE再生长的横向结构GaN基JFET器件，生长工艺简单，易于集成。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种利用MBE再生长的横向结构GaN基JFET器件，包括：

一衬底层；

一生长于衬底层上的半绝缘GaN层；

一横向n-GaN沟道台面，位于半绝缘GaN层顶表面；

两个设置于横向n-GaN沟道台面两侧且与横向n-GaN沟道接触的p-GaN台面，位于半绝缘GaN层顶表面，与横向n-GaN沟道台面形成横向p-n-p的两个GaN p-n结；

源电极和漏电极，分别设置于横向n-GaN沟道台面顶表面两端；

两个栅电极，分别覆盖两个p-GaN台面顶表面。

优选的，所述衬底层为硅衬底。

优选的，所述半绝缘GaN层高度为3-5μm。

优选的，所述横向n-GaN沟道台面的沟道宽度为200-600nm，沟道厚度为600-1200nm。

优选的，所述p-GaN台面高度比n-GaN沟道台面高50nm，p-GaN台面在x方向的尺寸为15-30μm，在y方向的尺寸为2-10μm；p-GaN的掺杂浓度为1*10¹⁸-1*10¹⁹cm^-3。

优选的，源电极和漏电极为用电子束蒸发制备的Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为30/150/50/150nm，其x方向的尺寸比横向n-GaN沟道台面的沟道厚度小50-100nm，y方向的尺寸为20-30μm；栅电极为Ni/Au多层金属，厚度为50/100nm，各方向的尺寸略小于p-GaN台面，略小于是指y方向尺寸为2-10μm，与p-GaN尺寸一样，以保证沟道的良好控制，x方向尺寸为13-28μm，比p-GaN少1-2μm左右。

上述的利用MBE再生长的横向结构GaN基JFET器件的制备方法，其步骤包括：

(1)MOCVD法在衬底表面沉积半绝缘GaN层和n-GaN沟道层，生长半绝缘GaN的方法：三甲基镓和NH₃分别作为Ga源和N源，载气为H₂或者N₂，生长温度为1000-1100℃，生长时间3-5h；n-GaN沟道层的生长方法：温度950-1050℃，硅掺杂浓度为2*10¹⁸cm^-3，生长时间15-20min；

(2)用ICP氯基离子刻蚀的方法将n-GaN沟道层刻蚀成陡峭的横向n-GaN沟道台面，过刻50-80nm以保证n-GaN被全部刻完；

(3)MBE法通过选区生长在横向n-GaN沟道台面两侧各沉积一个p-GaN台面，具体生长条件为：生长温度为700-800℃，在富Ga生长的条件下进行Mg掺杂，掺杂浓度2*10¹⁹cm^-3；

(4)用电子束蒸镀的方法在横向n-GaN沟道台面顶表面两端制作Ti/Al/Ni/Au30/150/50/150nm合金电极为源电极和漏电极，在p-GaN台面顶表面制作Ni/Au50/100nm栅电极。

本发明通过二次再生长的方法实现了具有横向沟道的GaN基结型场效应管，这种结构器件工艺简单，易于集成。利用二次再生长p-GaN的方法相比传统的p型离子注入法，能得到具有更陡峭的p-n结界面和降低材料损伤。单个pn结控制的，本发明横向结构GaN基JFET器件中，沟道由两个pn结来控制，相对于单pn结的纵向沟道而言，双pn结对沟道的控制能力更强，漏电流更小。

附图说明

图1是实施例1步骤(1)中得到的硅基GaN外延片结构示意图。

图2是实施例1步骤(2)中得到的硅基GaN外延片结构示意图。

图3是实施例1步骤(3)中得到的GaN JFET器件结构示意图。

图4是实施例1步骤(4)中得到的硅基GaN外延片结构示意图。

图5是实施例1步骤(4)中得到的硅基GaN外延片结构示意图。

具体实施方式

以下是结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种利用MBE再生长的横向结构GaN基JFET器件的制备方法，其步骤包括：

(1)金属有机物汽相化学沉积(MOCVD)法在硅衬底1上外延好半绝缘的GaN层2，再外延n-GaN沟道层3，如图1所示，生长半绝缘GaN的方法：三甲基镓和NH₃分别作为Ga源和N源，载气为H₂或者N₂，生长温度为1000℃，生长时间3h；n-GaN沟道层的生长方法：温度950℃，硅掺杂浓度为2*10¹⁸cm^-3，生长时间15min；

(2)用ICP氯基离子刻蚀的方法将n-GaN沟道层刻蚀成陡峭的横向n-GaN沟道台面，过刻50nm以保证n-GaN被全部刻完，如图2所示；

(3)MBE法通过选区生长在横向n-GaN沟道台面两侧各沉积一个p-GaN台面，具体生长条件为：生长温度为700℃，在富Ga生长的条件下进行Mg掺杂，掺杂浓度2*10¹⁹cm^-3，如图3所示；

(4)用电子束蒸镀的方法在横向n-GaN沟道台面顶表面两端制作Ti/Al/Ni/Au 30/150/50/150nm合金电极为源电极和漏电极，在p-GaN台面顶表面制作Ni/Au 50/100nm栅电极，如图4所示。

实施例2

一种利用MBE再生长的横向结构GaN基JFET器件的制备方法，其步骤包括：

(1)金属有机物汽相化学沉积(MOCVD)法在硅衬底1上外延好半绝缘的3-5μm的GaN层2，再外延300nm左右的n-GaN沟道层3，如图1所示，生长半绝缘GaN的方法：三甲基镓和NH₃分别作为Ga源和N源，载气为H₂或者N₂，生长温度为1100℃，生长时间5h；n-GaN沟道层的生长方法：温度1050℃，硅掺杂浓度为2*10¹⁸cm^-3，生长时间20min；

(2)用ICP氯基离子刻蚀的方法将n-GaN沟道层刻蚀成陡峭的横向n-GaN沟道台面，过刻80nm以保证n-GaN被全部刻完，如图2所示；

(3)MBE法通过选区生长在横向n-GaN沟道台面两侧各沉积一个p-GaN台面，具体生长条件为：生长温度为800℃，在富Ga生长的条件下进行Mg掺杂，掺杂浓度2*10¹⁹cm^-3，如图3所示；

(4)用电子束蒸镀的方法在横向n-GaN沟道台面顶表面两端制作Ti/Al/Ni/Au 30/150/50/150nm合金电极为源电极和漏电极，在p-GaN台面顶表面制作Ni/Au 50/100nm栅电极，如图4所示。

实施例3

一种利用MBE再生长的横向结构GaN基JFET器件的制备方法，其步骤包括：

(1)金属有机物汽相化学沉积(MOCVD)法在硅衬底1上外延好半绝缘的3-5μm的GaN层2，再外延300nm左右的n-GaN沟道层3，如图1所，生长半绝缘GaN的方法：三甲基镓和NH₃分别作为Ga源和N源，载气为H₂或者N₂，生长温度为1050℃，生长时间4h；n-GaN沟道层的生长方法：温度1000℃，硅掺杂浓度为2*10¹⁸cm^-3，生长时间18min；

(2)用ICP氯基离子刻蚀的方法将n-GaN沟道层刻蚀成陡峭的横向n-GaN沟道台面，过刻60nm以保证n-GaN被全部刻完，如图2所示；

(3)MBE法通过选区生长在横向n-GaN沟道台面两侧各沉积一个p-GaN台面，具体生长条件为：生长温度为750℃，在富Ga生长的条件下进行Mg掺杂，掺杂浓度2*10¹⁹cm^-3，如图3所示；

(4)用电子束蒸镀的方法在横向n-GaN沟道台面顶表面两端制作Ti/Al/Ni/Au 30/150/50/150nm合金电极为源电极和漏电极，在p-GaN台面顶表面制作Ni/Au 50/100nm栅电极，如图4所示。

实施例4

如图5所示，本利用MBE再生长的横向结构GaN基JFET器件，包括：

一硅衬底层1；

一生长于衬底层上的半绝缘GaN层2，高度为3μm；

一横向n-GaN沟道台面3，位于半绝缘GaN层顶表面，所述横向n-GaN沟道台面高度为200nm，n-GaN沟道台面的沟道宽度为200nm，沟道厚度为600nm；

两个设置于横向n-GaN沟道台面两侧且与横向n-GaN沟道接触的p-GaN台面4，比横向n-GaN沟道台面高50nm，位于半绝缘GaN层顶表面，与横向n-GaN沟道台面形成横向p-n-p的两个GaN p-n结，p-GaN台面在x方向的尺寸为15μm，在y方向的尺寸为2μm；p-GaN的掺杂浓度为1*10¹⁸cm^-3；

源电极5和漏电极6，分别设置于横向n-GaN沟道台面顶表面两端；源电极和漏电极为用电子束蒸发制备的Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为30/150/50/150nm，其x方向的尺寸比横向n-GaN沟道台面的沟道厚度小50nm，y方向的尺寸为20μm；

两个栅电极7，分别覆盖两个p-GaN台面顶表面，栅电极为Ni/Au多层金属，厚度为50/100nm，各方向的尺寸略小于p-GaN台面，y方向尺寸与p-GaN尺寸一样，以保证沟道的良好控制，x方向尺寸为13μm左右。

实施例5

本利用MBE再生长的横向结构GaN基JFET器件，包括：

一蓝宝石衬底层1；

一生长于衬底层上的半绝缘GaN层2，高度为5μm；

一横向n-GaN沟道台面3，位于半绝缘GaN层顶表面，所述横向n-GaN沟道台面高度为600nm，n-GaN沟道台面的沟道宽度为600nm，沟道厚度为1200nm；

两个设置于横向n-GaN沟道台面两侧且与横向n-GaN沟道接触的p-GaN台面4，比横向n-GaN沟道台面高50nm，位于半绝缘GaN层顶表面，与横向n-GaN沟道台面形成横向p-n-p的两个GaN p-n结，p-GaN台面在x方向的尺寸为30μm，在y方向的尺寸为10μm；p-GaN的掺杂浓度为1*10¹⁹cm^-3；

源电极5和漏电极6，分别设置于横向n-GaN沟道台面顶表面两端；源电极和漏电极为用电子束蒸发制备的Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为30/150/50/150nm，其x方向的尺寸比横向n-GaN沟道台面的沟道厚度小100nm，y方向的尺寸为30μm；

两个栅电极7，分别覆盖两个p-GaN台面顶表面，栅电极为Ni/Au多层金属，厚度为50/100nm，各方向的尺寸略小于p-GaN台面，y方向尺寸与p-GaN尺寸一样，以保证沟道的良好控制，x方向尺寸为28μm左右。

实施例6

本利用MBE再生长的横向结构GaN基JFET器件，包括：

一SiC衬底层1；

一生长于衬底层上的半绝缘GaN层2，高度为4μm；

一横向n-GaN沟道台面3，位于半绝缘GaN层顶表面，所述横向n-GaN沟道台面高度为400nm，n-GaN沟道台面的沟道宽度为400nm，沟道厚度为800nm；

两个设置于横向n-GaN沟道台面两侧且与横向n-GaN沟道接触的p-GaN台面4，比横向n-GaN沟道台面高50nm，位于半绝缘GaN层顶表面，与横向n-GaN沟道台面形成横向p-n-p的两个GaN p-n结，p-GaN台面在x方向的尺寸为25μm，在y方向的尺寸为6μm；p-GaN的掺杂浓度为1.5x10¹⁹ cm^-3；

源电极5和漏电极6，分别设置于横向n-GaN沟道台面顶表面两端；源电极和漏电极为用电子束蒸发制备的Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为30/150/50/150nm，其x方向的尺寸比横向n-GaN沟道台面的沟道厚度小80nm，y方向的尺寸为25μm；

两个栅电极7，分别覆盖两个p-GaN台面顶表面，栅电极为Ni/Au多层金属，厚度为50/100nm，各方向的尺寸略小于p-GaN台面，y方向尺寸与p-GaN尺寸一样，以保证沟道的良好控制，x方向尺寸为24μm左右。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

参考文献：

1：Anderson TJ,Luna LE,Koehler AD,Tadjer MJ,Hobart KD,Kub FJ,Aktas O,Odnoblyudov V,Basceri C,and Ieee,Lateral GaN JFET Devices on 200mm EngineeredSubstrates for Power Switching Applications.(2018),pp.14-17.