一种晶体管及其制备方法

1.本技术属于半导体技术领域，特别是涉及一种晶体管及其制备方法。


背景技术：

2.gan高电子迁移率晶体管(hemt)在高频功率开关应用中表现出了显著的效率和功率密度，在实际应用中，具有正常关闭操作的增强模式(e模式)器件是低碳要求的首选。实现正常关闭操作的一种代表性方法是使用p-gan层来耗尽栅下二维电子气(2deg)，使得零栅压下，器件处于关态，不存在关态损耗，在商业市场上备受关注。
3.常规的p-gan高电子迁移率晶体管具有诸多优势，在正常工作的情况下，器件的电场会集中在栅极边缘靠近漏极那一侧。当漏极电压增加时，这里的电场最强并最先达到gan材料的击穿电场3.3mv/cm，此时器件发生雪崩击穿，器件失效，无法正常工作。单粒子效应是指单个高能粒子穿过微电子器件的灵敏区时造成器件状态的非正常改变的一种辐射效应，常规器件电场集中使得单粒子特性很差，因此限制p-gan hemt器件在高压工作模式和宇航环境的应用。


技术实现要素：

4.1.要解决的技术问题
5.常规器件电场集中使得单粒子特性很差，因此限制p-gan hemt器件在高压工作模式和宇航环境的应用的问题，本技术提供了一种晶体管及其制备方法。
6.2.技术方案
7.为了解决上述技术问题，本技术提供了一种晶体管，包括本体，所述本体包括氮化物材料层，所述氮化物材料层包括相互连接的n型氮化物材料层和p型氮化物材料层，所述n型氮化物材料层设置于所述p型氮化物材料层上，所述p型氮化物材料层一侧、第一钝化层与源极依次连接，所述p型氮化物材料层另一侧、第二钝化层与漏极依次连接，所述n型氮化物材料层与所述漏极相向设置。
8.本技术提供的另一种实施方式为：所述本体包括相对设置的栅极和衬底，在第一方向上，所述栅极与所述衬底之间依次层叠有成核层、缓冲层、沟道层、势垒层和所述氮化物材料层，所述第一方向为由所述衬底指向所述栅极的方向；
9.所述p型氮化物材料层一侧、第一钝化层与源极依次连接，所述p型氮化物材料层另一侧、第二钝化层与漏极依次连接，所述源极、所述第一钝化层、所述第二钝化层与所述漏极均设置于所述势垒层上。
10.本技术提供的另一种实施方式为：所述n型氮化物材料层、p型氮化物材料层与所述栅极形成结型栅。
11.本技术提供的另一种实施方式为：所述成核层、所述缓冲层和所述沟道层采用相同或不同的材料制成，所述材料为氮化镓、氮化铝、铝镓氮中的一种或几种，所述势垒层采用氮化铝或铝镓氮制成。
12.本技术提供的另一种实施方式为：所述势垒层与所述沟道层之间设置有插入层，所述插入层采用氮化铝、铟铝氮或者铝镓氮制成。
13.本技术提供的另一种实施方式为：所述第一钝化层采用氮化硅、氧化铝或者氮化铝中的一种制成。
14.本技术提供的另一种实施方式为：所述源极采用ti/al/ni/au或者ti/al/pt/au的金属组合制备，所述漏极采用ti/al/ni/au或者ti/al/pt/au的金属组合制备。
15.本技术提供的另一种实施方式为：所述栅极与所述p型氮化物材料层能够形成欧姆接触或肖特基接触。
16.本技术提供的另一种实施方式为：所述结型栅为pn结，所述pn结的电场能够缓解器件的电场。
17.本技术提供的另一种实施方式为：所述p型氮化物材料层为p型氮化镓层、p型铝镓氮层或者氮化铝层，所述n型氮化物材料层为n型氮化镓层、n型铝镓氮层或者氮化铝层。
18.3.有益效果
19.与现有技术相比，本技术提供的一种晶体管的有益效果在于：
20.本技术提供的晶体管，为一种具有结型栅的p-gan高电子迁移率晶体管。
21.本技术提供的晶体管，可以缓解栅极边缘靠近漏极一侧的电场。
22.本技术提供的晶体管，可以提高器件的击穿电压。
23.本技术提供的晶体管，可以提升器件抗单粒子特性。
24.本技术提供的晶体管，可以在高压下工作和宇航环境中应用。
附图说明
25.图1是本技术的一种晶体管结构示意图；
26.图2是常规器件在单粒子效应作用下的电场分布仿真结果图；
27.图3是常规器件从源极到漏极方向上的p-gan的电场曲线；
28.图4是本技术的晶体管结构仿真图；
29.图5是本技术的晶体管在单粒子效应作用下的电场分布图；
30.图6是本技术的晶体管从源极到漏极方向上的p-gan的电场曲线。
具体实施方式
31.在下文中，将参考附图对本技术的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本技术，并能够实施本技术。在不违背本技术原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
32.参见图1～6，本技术提供一种晶体管，所述氮化物材料层包括相互连接的n型氮化物材料层7和p型氮化物材料层6，所述n型氮化物材料层7设置于所述p型氮化物材料层6上，所述p型氮化物材料层6一侧、第一钝化层11与源极8依次连接，所述p型氮化物材料层6另一侧、第二钝化层12与漏极9依次连接，所述n型氮化物材料层7与所述漏极9相向设置。
33.本技术中刻蚀掉常规p型氮化物材料高电子迁移率晶体管的边缘部分p型氮化物材料，利用mocvd二次生长n型氮化物材料。
34.进一步地，所述本体包括相对设置的栅极10和衬底1，在第一方向上，所述栅极10与所述衬底1之间依次层叠有成核层2、缓冲层3、沟道层4、势垒层5和所述氮化物材料层，所述第一方向为由所述衬底1指向所述栅极10的方向；
35.所述p型氮化物材料层6一侧、第一钝化层11与源极8依次连接，所述p型氮化物材料层6另一侧、第二钝化层12与漏极9依次连接，所述源极8、所述第一钝化层11、所述第二钝化层12与所述漏极9均设置于所述势垒层上。
36.衬底1为蓝宝石、sic、si和gan中的一种。
37.进一步地，所述n型氮化物材料层7、p型氮化物材料层6与所述栅极10形成结型栅。
38.进一步地，所述成核层2、所述缓冲层3和所述沟道层4采用相同或不同的材料制成，所述材料为氮化镓、氮化铝、铝镓氮中的一种或几种，所述势垒层5采用氮化铝或铝镓氮制成。
39.进一步地，所述势垒层5与所述沟道层4之间设置有插入层，所述插入层采用氮化铝、铟铝氮或者铝镓氮制成。
40.进一步地，所述第一钝化层11采用氮化硅、氧化铝或者氮化铝中的一种制成。
41.这里的第一钝化层11与第二钝化层12结构和材料相同，只是为了区分，采用第一、第二进行说明。
42.进一步地，所述源极8采用ti/al/ni/au或者ti/al/pt/au的金属组合制备，所述漏极采用ti/al/ni/au或者ti/al/pt/au的金属组合制备。以形成欧姆接触。
43.所要形成的欧姆接触是为了做源、漏电极。步骤：1.光刻，对涂满光刻胶的圆片进行选择性曝光，经过显影，需要做欧姆接触的区域上的光刻胶已被洗掉。
44.2.将圆片放入蒸发台，蒸发欧姆金属。
45.3.将圆片从蒸发台取出，对欧姆金属进行剥离。
46.4.经过蒸发剥离之后的欧姆金属，与gan基半导体材料形成的是肖特基接触。要获得欧姆接触，就需要将圆片放入退火炉中，进行快速退火，退火条件为850℃/30s。
47.5.退火之后的欧姆金属会与gan材料形成欧姆接触。
48.机理：第一层ti与扩散到界面的al、gan或algan反应生成含有ti，al，ga和n的多元产物，在半导体材料表面层中形成n空位，相当于n型重掺杂；第二层的pt，ni或ti则是起扩散阻挡层的作用，阻止au向下扩散。因au的扩散性很强，扩散阻挡层可减少au和al之间的反应。最外面一层au是为了防止ti和al被氧化，提高欧姆接触的热稳定性。
49.进一步地，所述栅极10与所述p型氮化物材料层6能够形成欧姆接触或肖特基接触。
50.栅极10采用金属制备。
51.进一步地，所述结型栅为pn结，所述pn结的电场能够缓解器件的电场。尤其是栅极边缘靠近漏极9一侧的电场。
52.在传统的p-gan高电子迁移率晶体管的基础上，刻蚀掉边缘的部分p-gan，在利用mocvd生长n型gan，在栅极10处形成pn结，pn结处的电场会影响器件的电场，使得相同工作条件下电场峰值降低，器件的高压特性稳定；同时提高器件的击穿电压以及抗单粒子特性。
53.进一步地，所述p型氮化物材料层6为p型氮化镓层、p型铝镓氮层或者氮化铝层，所述n型氮化物材料层7为n型氮化镓层、n型铝镓氮层或者氮化铝层。
54.氮化镓(gan)基高电子迁移率晶体管(hemt)被广泛应用于电源，汽车电子，5g基站等领域。gan材料具有良好的物理和电学特性，如耐高温，抗辐射，宽禁带，较高的击穿电场，较大的电子饱和漂移速度等。但传统的p-gan hemt在正常工作的情况下，器件的电场集中在栅极边缘靠近漏极一侧。因此限制器件在高压工作模式和宇航辐射环境下的应用。
55.具体的，1、提供衬底1，将衬底放入hf酸溶液中浸泡1min，再依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗10min以消除表面悬挂键，将清洗吹干后的衬底在h2氛围反应室的1050℃温度下进行热处理10分钟，以去除表面污染物，接着将衬底放入金属有机物化学气相淀积mocvd系统中，mocvd系统的参数设置为：反应室压力为10torr、温度为900℃，向反应室内同时通入流量为30sccm的al源、流量为1000sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气，采用mocvd工艺淀积生长30nm的aln成核层2；
56.2、在成核层2上，采用mocvd工艺依次淀积0.5μm的gan缓冲层3和50nm的gan沟道层4，mocvd工艺参数为：反应室压力为10torr、温度为900℃，向反应室同时通入流量为50μmol/min的ga源、流量为1000sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气；
57.3、在沟道层4上，采用mocvd工艺淀积势垒层5，势垒层5的成分为alxga(1-x)n，alxga
(1-x)
n势垒层5中，al组分为0.1，淀积厚度为40nm，mocvd工艺参数为：反应室压力为10torr，温度为900℃，向反应室同时通入流量为10μmol/min的al源、流量为30μmol/min的ga源、流量为1000sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气；
58.4、在alxga(1-x)n势垒层5上，采用mocvd工艺在p-gan窗口上淀积厚度为60nm的p-gan层6，得到外延片，mocvd工艺参数为：反应室压力为10torr、温度为900℃，向反应室同时通入流量为50μmol/min的ga源、流量为1000sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气；
59.5、刻蚀所述p-gan区域以外的p-gan层，露出alxga
(1-x)
n势垒层5；
60.6、刻蚀p-gan区域边缘的p-gan，并用mocvd生长n型gan区域；
61.7、在alxga
(1-x)
n势垒层5上制作掩膜，形成欧姆窗口，放入e-beam电子束蒸发设备，采用电子束蒸发工艺淀积源极8和漏极9，ti/al/ni/au金属作为源极和漏极，电子束蒸发工艺的速率为0.1nm/s，并在850℃下进行退火30s，其中ti的厚度为20nm，al的厚度为100nm，ni的厚度为20nm，au的厚度为20nm；
62.8、在p-gan6上制作掩膜，形成栅极窗口，将形成栅极窗口的样品放置在电子束蒸发反应室中，利用纯度均为99.999％的镍和金靶材，在栅极窗口中采用电子束蒸发工艺淀积金属ni/au作为栅极10，其中ni的厚度为20nm，au的厚度为50nm；
63.9、将进行完上述步骤的样片放入等离子体化学气相淀积pecvd反应室内，pecvd工艺在势垒层5、源极6、漏极9和栅极10的上部淀积50nm厚的sio2钝化层，pecvd工艺的参数设置为：反应室压力为0.5pa、温度为200℃，向反应室同时通入流量为20sccm的sih4和流量为100sccm的n2o；
64.10、在源极8、漏极9、栅极10上方的钝化层上开孔，引出电极，即得到所述晶体管。p型氮化物材料层的厚度根据需求进行调整，同样的n型氮化物材料层7的厚度也可根据实际进行调整。
65.图2为常规器件在单粒子效应作用下的电场分布仿真结果图，可以看到常规结构在p-gan边缘有较高的峰值电场，已达到3.1mv/cm，很容易超过gan材料的临界击穿电场。图3为从源极到漏极方向上的p-gan的电场曲线。
66.图4为刻蚀之后二次生长n型氮化镓的抗单粒子p-gan高电子迁移率晶体管结构仿真图。图5为该抗单粒子p-gan高电子迁移率晶体管在单粒子效应作用下的电场分布图，可以看到，p-gan边缘的峰值电场得到很大程度的缓解，从3.1mv/cm降低到了2.5mv/cm，说明结型栅可以有效缓解p-gan边缘的峰值电场。
67.图6为从源极到漏极方向上的p-gan的电场曲线。
68.尽管在上文中参考特定的实施例对本技术进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本技术公开的原理和范围内，可以针对本技术公开的配置和细节做出许多修改。本技术的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。