基于氮化镓衬底的渐变铝组分铝镓氮mosfet及制备方法
阅读说明：本技术 基于氮化镓衬底的渐变铝组分铝镓氮mosfet及制备方法 (Gallium nitride substrate-based gradient aluminum component aluminum gallium nitride MOSFET and preparation method thereof ) 是由 周弘 王捷英 张进成 刘志宏 许晟瑞 郝跃 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于氮化镓衬底的渐变铝组分铝镓氮金属氧化物半导体场效应晶体管,主要解决现有技术衬底位错密度高、器件击穿电压低的问题。其自下而上依次为漏极、掺杂浓度为10～(16)-10～(20)cm～(-3)的氮化镓衬底、掺杂浓度为10～(15)-10～(20)cm～(-3)的氮化镓外延层、掺杂浓度为10～(15)-10～(20)cm～(-3)的铝镓氮漂移区和栅介质,该栅介质的两侧和上方分别为源极和栅极；该铝镓氮漂移区的铝组分从靠近氮化镓外延到远离氮化镓外延逐渐增加,铝组分的变化范围为0％-100％。本发明减小了衬底本身的穿透位错和外延层与衬底之间的晶格失配,改善了外延层的生长质量,提高了击穿电压,可用作高压、高功率的电力电子器件。(The invention discloses a gallium nitride substrate-based gradient aluminum component aluminum gallium nitride metal oxide semiconductor field effect transistor, which mainly solves the problems of high substrate dislocation density and low device breakdown voltage in the prior art. The drain electrode and the doping concentration are 10 from bottom to top 16 ‑10 20 cm ‑3 Has a doping concentration of 10 15 ‑10 20 cm ‑3 Has a doping concentration of 10 15 ‑10 20 cm ‑3 The two sides and the upper part of the gate medium are respectively provided with a source electrode and a gate electrode; the Al component of the AlGaN drift region is extended from near to GaN to far from GaNThe gallium epitaxy is gradually increased, and the variation range of the aluminum component is 0-100%. The invention reduces the threading dislocation of the substrate and the lattice mismatch between the epitaxial layer and the substrate, improves the growth quality of the epitaxial layer, improves the breakdown voltage, and can be used as a high-voltage and high-power electronic device.)
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种垂直结构的渐变铝组分铝镓氮金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，可用作高压、高功率电力电子器件。
背景技术
铝镓氮属于超宽禁带半导体材料，根据铝镓氮内铝组分的不同，铝镓氮的禁带宽度为4-6eV，由此获得8-12MV/cm的临界击穿电场强度，巴利加优值更是达到了104这一数量级，上述特性表明铝镓氮在电力电子领域有巨大的发展潜力。同时，铝镓氮材料还拥有较高的热导率，这使得铝镓氮器件可以在高温环境下稳定工作。此外，铝镓氮材料可以进行n型和p型掺杂，这使得铝镓氮材料具有了制备结构复杂、性能优秀的器件的可能性。
目前，铝镓氮MOSFET大多使用蓝宝石作为衬底材料，虽然蓝宝石衬底上生长铝镓氮的技术较为成熟，但是蓝宝石与铝镓氮间巨大的晶格失配限制了蓝宝石上铝镓氮材料的生长厚度，生长过程中铝镓氮材料极易开裂，所以蓝宝石衬底的铝镓氮MOSFET结构单一，均为水平结构。Sanyam Bajaj与Hironori Okumura在2018年分别发表了有关蓝宝石衬底上的铝镓氮场效应晶体管的论文。他们选用的铝镓氮晶圆沟道层厚度为100-250nm，这样的场效应晶体管沟道厚度薄，限制了复杂终端结构在器件中的应用，无法依靠终端结构进一步提高器件的击穿电压。此外，水平结构MOSFET只能依靠增加栅极与漏极之间的间距提高击穿电压，这类功率器件浪费了较大的面积，难以应用在大规模电路中。
相比于蓝宝石衬底，氮化铝衬底与铝镓氮外延之间的晶格失配小，且热膨胀系数基本相同，采用氮化铝做铝镓氮MOSFET器件的衬底可以实现制备垂直型MOSFET，大幅提高器件的性能。Yoshihiro Irokawa在2012年的论文中发表了氮化铝衬底的相关论文，其使用物理气相输运法制备氮化铝衬底，并在氮化铝衬底上制备肖特基二极管。由于该氮化铝衬底存在的穿透位错给器件提供了漏电路径，因而制备的肖特基二极管漏电高，无法实际应用。此外，目前可以买到的氮化铝单晶衬底售价昂贵，直径为5厘米的氮化铝单晶衬底价格高达5万元人民币，高昂的价格限制了研究机构对相关器件的研究。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于氮化镓衬底的渐变铝组分铝镓氮MOSFET及制备方法，以提高器件击穿电压，降低成本，减小器件漏电。
本发明的技术方案如下：
1.一种基于氮化镓衬底的渐变铝组分铝镓氮MOSFET，自下而上包括：漏极、氮化镓衬底、氮化镓外延层、铝镓氮漂移区，铝镓氮漂移区上方的中间位置为源极金属，两侧为栅极介质层，栅极介质层的上方是栅极金属，其特征在于：
所述氮化镓衬底衬底采用n型氮化镓，其掺杂浓度为1016-1020cm-3，以减小衬底本身的穿透位错和外延层与衬底之间的晶格失配和漏电，提高铝镓氮漂移区的生长厚度和质量。
所述氮化镓外延层，其掺杂浓度为1015-1020cm-3，用作衬底与铝镓氮外延之间的过渡层，以减小衬底与铝镓氮漂移区间的晶格失配，提高铝镓氮外延片质量。
所述铝镓氮漂移区，采用渐变铝组分的铝镓氮材料，铝镓氮为n型掺杂，铝组分从靠近氮化镓外延的一侧到远离氮化镓外延的一侧逐渐增加，铝组分的变化范围为0％-100％，掺杂浓度为1015-1020cm-3，使得靠近氮化镓外延的低铝组分铝镓氮与氮化镓外延之间的失配和位错密度降低，使远离衬底的高铝组分铝镓氮材料具备高临界击穿电场和高巴利加优值的特征。
进一步，所述漏极和源极淀积的金属为Ni、Ti、Al、Au、W、Cr、Ta、Mo、TiC、TiN、TiW中的任意一种或任意几种的组合。
进一步，所述栅极介质层为绝缘材料Al2O3、SiO2、SiNx、HfO2、MgO、CaO、MgCaO、ScOx中的任意一种或两种及以上的组合。
进一步，所述栅极金属为Ni、Ti、Al、Au、W、Cr、Ta、Mo、Pt、TiC、TiN、TiW中的任意一种或任意几种的组合。
2.一种氮化镓衬底的渐变铝组分铝镓氮MOSFET的制备方法，其特征在于，包括：
1)选用掺杂浓度为1016-1020cm-3的n型氮化镓衬底，采用分子束外延生长法或金属有机化合物化学气相沉积法自下而上生长氮化镓外延层、渐变铝组分铝镓氮漂移区，其中，氮化镓外延层的掺杂浓度为1015-1020cm-3，渐变铝组分铝镓氮漂移区的铝组分从靠近氮化镓外延层的一侧到远离氮化镓外延的一侧逐渐增加，铝组分的范围为0％-100％，掺杂浓度为1015-1020cm-3；
2)对生长了氮化镓外延层和渐变铝组分铝镓氮漂移区的外延片进行有机清洗和无机清洗；
3)在外延片的n型氮化镓衬底下方淀积漏极金属，形成漏极，并通过高温退火工艺使漏极形成欧姆接触；
4)在外延片的渐变铝组分铝镓氮漂移区上方两侧区域光刻出源极区域，用光刻胶作掩膜在源极区域淀积金属，形成源极，并通过高温退火工艺形成源极欧姆接触；
5)将形成了漏极和源极欧姆接触的外延片放入绝缘介质生长系统，在铝镓氮漂移区上方淀积栅极介质，并采用退火工艺对栅极介质退火；
6)在栅极介质上方光刻栅极区域，并在栅极区域淀积金属，形成栅极，完成器件制作。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明由于采用了掺杂浓度为1016-1020cm-3的n型氮化镓衬底，减小了衬底本身的穿透位错和外延层与衬底之间的晶格失配与漏电，提高了铝镓氮漂移区的生长厚度和质量，降低了器件的制备成本。
2.本发明由于采用渐变铝组分铝镓氮材料做漂移区，靠近衬底的铝镓氮材料铝组分低，低铝组分铝镓氮的晶格常数与氮化镓相近，不仅能有效降低晶格失配和位错密度，而且这种渐变铝组分能避免晶圆生长过程中因晶格失配造成的开裂，增加了外延层的生长厚度，提高了MOSFET的击穿电压。
3.本发明由于采用渐变铝组分铝镓氮材料做漂移区，使得栅极附近铝镓氮材料的铝组分高，这种高铝组分铝镓氮材料的禁带宽度大、临界击穿电场强度高，有利于进一步提高MOSFET的击穿电压。
附图说明
图1是本发明的器件结构图；
图2是本发明制作图1器件的实现流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
参照图1，本发明基于氮化镓衬底的渐变铝组分铝镓氮金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，包括漏极1、氮化镓衬底2、氮化镓外延层3、渐变铝组分铝镓氮漂移区4、源极5、栅极介质层6和栅极7，其中漏极1、氮化镓衬底2、氮化镓外延层3、渐变铝组分铝镓氮漂移区4自下而上分布，源极5位于渐变铝组分铝镓氮漂移区4上方的两侧区域，栅极介质层6位于渐变铝组分铝镓氮漂移区4上方的中间位置，栅极7位于栅极介质层6的上方。
所述氮化镓衬底2的掺杂浓度为1016-1020cm-3；
所述氮化镓外延层3和渐变铝组分铝镓氮漂移区4的生长方法是分子束外延生长法或金属有机化合物化学气相沉积法，掺杂浓度都为1015-1020cm-3，渐变铝组分铝镓氮漂移区中铝的含量从靠近所述氮化镓外延层3到远离所述氮化镓外延层3逐渐增加，铝组分为0％-100％；
所述漏极1和源极5采用的金属为Ni、Ti、Al、Au、W、Cr、Ta、Mo、TiC、TiN、TiW中任意一种或任意几种的组合，金属的淀积工艺采用的是电子束蒸发或溅射工艺；
所述栅极介质层6为绝缘材料Al2O3、SiO2、SiNx、HfO2、MgO、CaO、MgCaO、ScOx中任意一种或两种及以上的组合，淀积绝缘材料采用的是原子层沉积法或化学气相沉积法；
所述栅极7采用的金属为Ni、Ti、Al、Au、W、Cr、Ta、Mo、Pt、TiC、TiN、TiW中任意一种或任意几种的组合，金属的淀积工艺采用的是电子束蒸发或溅射工艺。
参照图2，本发明制作基于氮化镓衬底的渐变铝组分铝镓氮MOSFET，给出如下三种实施例：
实施例1：在掺杂浓度为5×1019cm-3的n型氮化镓衬底上制备氮化镓外延层掺杂浓度为5×1016cm-3，渐变铝组分铝镓氮漂移区掺杂浓度为1×1017cm-3，且靠近氮化镓外延层一侧的铝镓氮铝组分为10％，远离氮化镓外延层的铝镓氮的铝组分为70％的渐变铝组分铝镓氮MOSFET。
步骤1：在n型氮化镓衬底上依次生长氮化镓外延层和渐变铝组分铝镓氮漂移区，并进行清洗操作。
1.1)选用掺杂浓度为5×1019cm-3的n型氮化镓衬底；
1.2)将氮化镓衬底放入分子束外延生长仪中，保持衬底片温度为730℃，向分子束外延生长仪通入镓金属分子束和氮气，将镓金属分子束等效压力设置为2×10-7Torr，氮气的等离子体发生功率为200W，流量为1.85sccm，生长过程中掺入SiH4作为n型杂质，控制SiH4与镓金属分子束流量的比例为5×10-4，使氮化镓外延层的掺杂浓度是1×1017cm-3，在氮化镓衬底上生长厚度为200nm的氮化镓外延层；
1.3)保持外延片温度为850℃，向分子束外延生长仪通入铝金属分子束、镓金属分子束和氮气，氮气的等离子体发生功率为200W，流量为1.85sccm，在氮化镓外延层上生长铝镓氮漂移区：
生长过程中掺入SiH4作为n型杂质，控制SiH4与镓金属分子束流量的比例为3×10-4，使铝镓氮漂移区的掺杂浓度是5×1016cm-3，并在开始生长时使铝分子束流量的占比为10％，镓分子束流量的占比为90％；
之后，通过调节铝源和镓源的温度控制铝和镓的分子束流量比例，使所述铝源的流量占比逐渐增加，直到铝分子束流量的占比为70％，镓分子束流量的占比为30％，得到厚度为8μm的n型渐变铝组分铝镓氮漂移区；
1.4)将上述外延片依次放入丙酮、异丙醇、去离子水中各超声清洗5min进行有机清洗，然后用H2SO4:H2O2＝3:1的食人鱼溶液浸泡外延片2min进行无机清洗，最后用氮气枪吹干外延片。
步骤2：制备漏极。
2.1)将清洗好的外延片放入电子束蒸发台，在n型高掺氮化镓衬底下方淀积厚度为22/140/55/45nm的Ti/Al/Ni/Au作为MOSFET的漏极金属；
2.2)将外延片放入快速热退火炉中，在800℃氮气的氛围中给淀积过漏极金属的外延片退火30s，让漏极金属和氮化镓衬底形成欧姆接触。
步骤3：制备源极。
3.1)对完成上述步骤2的外延片在渐变铝组分铝镓氮漂移区上进行光刻，确定出源极的位置；
3.2)将上述外延片放入电子束蒸发台，在渐变铝组分铝镓氮漂移区上进行厚度为15/60/50nm的Ti/Al/Au源极金属淀积；
3.3)将淀积好源极金属的外延片放入快速热退火炉中，在900℃氮气的氛围中退火30s，让源极金属和铝镓氮漂移区形成欧姆接触。
步骤4：生长栅极介质。
4.1)将完成上述步骤3的片子依次放入丙酮、异丙醇、去离子水中分别超声清洗5min；
4.2)将清洗后的外延片放入原子层沉积设备中，使用二茂镁作镁的前驱体，使镁源的温度为110℃，同时保持反应腔温度为320℃，将二茂镁和水按照0.15s/0.3s的时长依次通入反应腔中进行循环生长，通过控制循环次数，在外延片的铝镓氮漂移区上方生长20nm的MgO作为栅极介质；
4.3)将淀积完栅极介质的外延片放入快速退火炉中，在400℃氮气的氛围中退火5min，降低栅极介质与铝镓氮漂移区之间的界面态密度。
步骤5：制备栅极。
5.1)对完成上述步骤4的外延片在栅极介质上方进行光刻，确定出栅极的位置；
5.2)将上述外延片放入电子束蒸发台，在栅介质上进行厚度为50/150nm的Ni/Au，栅极金属淀积，完成器件制作。
实施例2：在掺杂浓度为8×1016cm-3的n型氮化镓衬底上制备氮化镓外延层掺杂浓度为1×1016cm-3，渐变铝组分铝镓氮漂移区掺杂浓度为3×1015cm-3，且靠近氮化镓外延层一侧的铝镓氮铝组分为5％，远离氮化镓外延层的铝镓氮的铝组分为60％的渐变铝组分铝镓氮MOSFET。
步骤A：在n型氮化镓衬底上依次生长氮化镓外延层和渐变铝组分铝镓氮漂移区，并进行清洗操作。
A1)选用掺杂浓度为8×1016cm-3的n型氮化镓衬底；
A2)将氮化镓衬底放入金属有机化合物化学气相沉积系统中，保持腔体温度为1050℃，压强为400mbar，使用三甲基镓和氨作为铝、镓和氮元素的前驱体生长氮化镓外延层，三甲基镓和氨两种前驱体的流速分别为440ml/min和28000ml/min，在生长过程中掺入SiH4作为n型杂质，控制SiH4与三甲基镓流速的比例为6×10-5，使氮化镓外延层的掺杂浓度为1×1016cm-3，在氮化镓衬底上生长厚度为1μm的氮化镓外延层；
A3)生长氮化镓外延层后，在氮气氛围下保持腔体温度为1200℃，压强为400mbar，使用三甲基铝、三甲基镓和氨分别作为铝、镓和氮元素的前驱体生长铝镓氮漂移区：
生长过程中掺入SiH4作为n型杂质，控制SiH4流速与铝源和镓源流速之和的比例为2×10-5，使铝镓氮漂移区的掺杂浓度为3×1015cm-3，并且保持氨的流速为30000ml/min，开始生长时令铝源和镓源的流速分别为20ml/min和400ml/min，使得铝镓氮中铝组分为5％；
之后，逐渐提高铝源流速并降低镓源流速，使铝源和镓源的流速分别为270ml/min和180ml/min，铝镓氮中铝组分为60％，得到厚度10μm的n型渐变铝组分铝镓氮漂移区；
A4)将上述外延片依次放入丙酮、异丙醇、去离子水中各超声清洗10min进行有机清洗，然后用HCl:H2O＝1:10的盐酸稀释液浸泡外延片5min进行无机清洗，最后用氮气枪吹干外延片。
步骤B：制备漏极。
B1)将清洗好的外延片放入磁控溅射系统中，在n型氮化镓衬底下方溅射厚度为40/200nm的Ti/Al作为MOSFET的漏极金属；
B2)将外延片放入快速热退火炉中，在750℃氮气的氛围中给淀积过漏极金属的外延片退火30s，使得漏极金属和氮化镓衬底形成欧姆接触；
步骤C：制备源极。
C1)对完成上述步骤B的外延片在渐变铝组分铝镓氮漂移区上方进行光刻，确定出源极的位置；
C2)将上述外延片放入磁控溅射系统中，在渐变铝组分铝镓氮漂移区上淀积厚度为15/60/50nm的Ti/Al/Au作为源极金属；
C3)将淀积好源极金属的外延片放入快速热退火炉中，在950℃氮气的氛围中退火30s，让源极金属和铝镓氮漂移区形成欧姆接触；
步骤D：生长栅极介质。
D1)将完成上述步骤C的片子依次放入丙酮、异丙醇、去离子水中分别超声清洗5min；
D2)将清洗后的外延片放入原子层沉积设备中，使用三甲基铝作为铝元素的前驱体在铝镓氮漂移区上方淀积厚度为5/15nm的Al2O3/HfO2作为栅极介质，使铝源的温度保持在200℃，同时保持反应腔温度为250℃，将三甲基铝和水按照0.2s/0.3s的时长依次通入反应腔中进行循环生长，通过控制循环次数，在源极一侧生长5nm的Al2O3；
D3)保持外延片在原子层沉积设备中，使用四(二甲胺基)铪作为铪元素的前驱体，使铪源的温度为120℃，同时保持反应腔温度为300℃，将四(二甲胺基)铪和水按照0.2s/0.4s的时长依次通入反应腔中进行循环生长，通过控制循环次数，在Al2O3上生长15nm的HfO2，完成厚度为5/15nm的Al2O3/HfO2栅极介质淀积；
D4)将淀积完栅极介质的外延片放入快速退火炉中，在500℃氮气的氛围中退火5min，降低栅极介质与铝镓氮漂移区之间的界面态密度。
步骤E：制备栅极。
E1)对完成上述步骤D的外延片在栅极介质一侧进行光刻，确定出栅极的位置；
E2)将上述外延片放入电子束蒸发台，在栅介质上方淀积厚度为50/100/50nm的Ni/Au/Ni作为栅极金属，完成器件制作。
实施例3：在掺杂浓度为1×1020cm-3的n型氮化镓衬底上制备氮化镓外延层掺杂浓度为1×1020cm-3，渐变铝组分铝镓氮漂移区掺杂浓度为1×1019cm-3，且靠近氮化镓外延层一侧的铝镓氮铝组分为15％，远离氮化镓外延层的铝镓氮的铝组分为85％的渐变铝组分铝镓氮MOSFET。
步骤一：选用n型氮化镓衬底，在衬底上依次生长氮化镓外延层和渐变铝组分铝镓氮漂移区，并进行清洗操作。
首先，选用掺杂浓度为1×1020cm-3的n型氮化镓衬底；
其次，将氮化镓衬底放入金属有机化合物化学气相沉积系统中，保持腔体温度为1050℃，压强为400mbar，使用三甲基镓和氨作为铝、镓和氮元素的前驱体生长氮化镓外延层，生长时三甲基镓和氨两种前驱体的流速分别为440ml/min和28000ml/min，并在生长过程中掺入SiH4作为n型杂质，控制SiH4与三甲基镓流速的比例为8×10-2，使氮化镓外延层的掺杂浓度为1×1020cm-3，在氮化镓衬底上生长厚度为2μm的氮化镓外延层；
再次，生长氮化镓外延层后，在氮气氛围下保持腔体温度为1200℃，压强为400mbar，使用三甲基铝、三甲基镓和氨分别作为铝、镓和氮元素的前驱体生长铝镓氮漂移区，生长时保持氨的流速为30000ml/min，并掺入SiH4作为n型杂质，控制SiH4流速与铝源和镓源流速之和的比例为1×10-2，使铝镓氮漂移区的掺杂浓度为1×1019cm-3；
开始生长时，设置铝源和镓源的流速分别为60ml/min和360ml/min，使得铝镓氮中铝组分为15％，生长过程中逐渐提高铝源流速并降低镓源流速，使铝源和镓源的流速分别为380ml/min和70ml/min，铝镓氮中铝组分为85％，得到厚度15μm的n型渐变铝组分铝镓氮漂移区；
最后，将外延生长结束的外延片依次放入丙酮、异丙醇、去离子水中各超声清洗5min进行有机清洗，然后用H2SO4:H2O2＝3:1的食人鱼溶液浸泡外延片2min进行无机清洗，最后用氮气枪吹干外延片。
步骤二：制备漏极。
将清洗好的外延片放入电子束蒸发台，在n型氮化镓衬底下方淀积Ti/Al/Ni/Au作为MOSFET的漏极金属，其厚度为22/140/55/45nm；再将该外延片放入快速热退火炉中，在1000℃氮气的氛围中给淀积过漏极金属的外延片退火30s，让漏极金属和氮化镓衬底形成欧姆接触。
步骤三：制备源极。
对完成上述步骤二的外延片在渐变铝组分铝镓氮漂移区上方进行光刻，确定出源极的位置；再将其放入电子束蒸发台，在渐变铝组分铝镓氮漂移区上淀积厚度为100nm的Ti作为源极金属；将淀积好源极金属的外延片放入快速热退火炉中，在800℃氮气的氛围中退火30s，使得源极金属和铝镓氮漂移区形成欧姆接触。
步骤四：生长栅极介质。
将完成上述步骤三的片子依次放入丙酮、异丙醇、去离子水中分别超声清洗5min；将完成清洗的外延片放入化学气相沉积设备中，设置反应腔的压力为0.5Pa，温度为200℃，向反应腔同时通入流量为20sccm的SiH4和15sccm的N2O，在铝镓氮漂移区上方淀积50nm的SiO2作为栅极介质；将淀积完栅极介质的外延片放入快速退火炉中，在500℃氮气的氛围中退火5min，降低栅极介质与铝镓氮漂移区之间的界面态密度。
步骤五：制备栅极。
对完成上述步骤四的外延片在其栅极介质的一侧进行光刻，确定出栅极的位置；再将其放入磁控溅射设备，在栅介质上方淀积100nm的W作为栅极金属，完成器件制作。
以上描述仅为本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，例如在此MOSFET器件的基础上增加终端结构；源极和漏极金属除上述实施例中使用过的金属外，还可以使用W、Cr、Ta、Mo、TiC、TiN、TiW中任意一种或任意几种的组合，栅极金属除上述实施例中使用过的金属外，还可以使用Cr、Ta、Mo、Pt、TiC、TiN、TiW中任意一种或任意几种的组合，栅极介质除上述实施例中使用过的绝缘材料外，还可以使用SiNx、CaO、MgCaO、ScOx中任意一种或任意几种的组合。这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。