本发明涉及半导体技术领域中的场效应晶体管，特别涉及一种具有双工作模式的氮化镓集成场效应晶体管及其制备方法。
背景技术：
相比于传统半导体硅（si）材料，氮化镓（gan）材料具有更高的载流子迁移率、更高的击穿场强和更高的工作温度，加上algan/gan异质结界面可以产生高浓度、高迁移率的二维电子气（2deg），gan成为第三代半导体材料的代表。gan基器件被认为是si基器件的有力替代品。近年来，为了在系统层面提升器件性能，gan基器件逐渐呈现从分立器件向集成器件发展的趋势。
gan集成器件的制备方法主要有两大类：选区外延移除（ser）和选区生长（sag）。ren等人报道了si基mosfet和gan异质结场效应晶体管（hfet）的共源共栅集成器件，以及si基pn结二极管和ganhfet的集成器件。他们通过在si晶圆上选区外延algan/gan异质结制备集成器件以实现高性能的功率转换。chowdhury等人通过选区刻蚀方法实现了gan的互补逻辑电路，基于si衬底上杂化的gan外延结构同时制备增强型的ganp-fet和增强型gann-fet。虽然这些器件通过集成实现了增强的器件性能，但是分立器件仅仅是依靠互连金属实现的集成，这种方式限制了集成器件寄生参数的降低和器件尺寸的小型化。真正的没有互连金属的集成器件也曾被报道。cai等人报道了ganhfet和gan发光二极管（led）的横向集成器件。通过选区外延led结构，n-gan层与algan/gan异质结界面2deg直接接触取代了互连金属。然而，这一工作中仅仅采用了耗尽型hfet，没有实现晶体管的常关型工作。liu等人采用选区外延移除的方法制备gan垂直mosfet和续流肖特基二极管（sbd）的集成器件来提高功率转换效率。sbd的阳极与mosfet的漏极共用，消除了集成器件中互连金属的存在。但是，该器件采用的是垂直结构gan器件，没有利用到algan/gan异质结的高电子迁移率的优势。
为了充分发挥gan器件的优势，一种gan集成器件需要满足以下特点：1.具有增强型工作模式，以实现高效率的反向或逻辑操作；2.分立器件之间不存在互连金属，降低器件尺寸和寄生参数；3.充分利用2deg的高迁移率特点。然而，兼具以上特点的gan器件需要开发特殊的器件工艺，目前还没有报道。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种双工作模式的氮化镓集成场效应晶体管及其制备方法，开发高性能的gan集成器件。通过在algan/gan异质结侧壁选区生长p-gan形成p-gan/2deg结，从而形成非对称的导电沟道结构，实现了ganpn结二级管和hfet的集成器件。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种具有双工作模式的氮化镓集成场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
（1）采用金属有机化学气相沉积mocvd在si（111）衬底上依次外延生长aln非成核层，非掺杂的algan缓冲层，碳掺杂的高阻gan层，非掺杂的gan沟道层和algan势垒层，获得高性能algan/gan异质结外延片；
（2）在步骤（1）获得的晶圆表面，采用等离子增强化学气相沉积pecvd生长sio2薄膜作为选区外延的掩模层；
（3）在步骤（2）获得的晶圆表面，通过紫外光刻暴露出选区生长的区域，然后采用boe溶液对暴露区域进行湿法腐蚀，去除sio2掩模层，暴露出algan/gan外延片；
（4）对步骤（3）获得的晶圆，采用ar/bcl3感应耦合等离子icp刻蚀algan/gan外延片，在选区生长区域形成刻蚀凹槽，暴露出algan/gan异质结侧壁，然后将所得晶圆在丙酮、异丙醇和去离子水中依次超声清洗去除光刻胶；
（5）在步骤（4）获得的晶圆表面，再次采用mocvd生长p-gan，先采用nh3气流原位清洗晶圆表面，待温度上升到生长温度开始生长，生长结束后对晶圆进行原位退火，然后降温取出晶圆；
（6）将步骤（5）获得的晶圆置于boe溶液中浸泡，去除所有sio2掩模层；
（7）在步骤（6）获得的晶圆表面，通过光刻和icp刻蚀工艺对gan集成器件进行隔离，隔离刻蚀至高阻gan层；
（8）在步骤（7）获得的晶圆表面，通过光刻和电子束蒸发工艺，在器件区域的algan/gan表面制备n型欧姆接触电极；
（9）在步骤（8）获得的晶圆表面，通过光刻和电子束蒸发工艺，在器件区域的p-gan表面制备p型欧姆接触电极；
（10）在步骤（9）获得的晶圆表面，采用原子层沉积ald制备氧化铝al2o3薄膜栅氧层，同时作为集成器件的钝化层；
（11）在步骤（10）获得的晶圆表面，采用光刻、boe湿法腐蚀的方法对欧姆接触电极区域开孔，然后采用电子束蒸发同时制备栅电极、p电极pad和n电极pad，沉积的栅电极完全处于algan/gan异质结之上，其靠近p-gan的一侧与icp刻蚀侧壁重合。
上述步骤（1）中，aln非成核层的厚度为100-200nm，非掺杂的algan缓冲层的厚度为1-2μm，碳掺杂的高阻gan层的厚度为1-2μm，非掺杂的gan沟道层的厚度为150-250nm，algan势垒层的厚度为20-30nm。
上述步骤（2）中，生长的sio2掩模层的厚度为100~500nm。
上述步骤（3）中，boe溶液湿法腐蚀的时间为30~150s。步骤（4）中，icp刻蚀的深度为100-200nm；步骤（5）中，mocvd生长的p-gan厚度比步骤（4）的刻蚀深度厚10~20nm。
上述步骤（8）中，n电极结构为ti（10-30nm）/al（60-180nm）/ni（30-80nm）/au（50-100nm），退火温度为800~900℃，时间为30-60s。
上述步骤（9）中，p电极结构为ni（10-30nm）/au（50-100nm），退火温度为450-650℃，时间为3-5min。
上述步骤（10）中，ald生长的al2o3厚度为20-30nm。
上述步骤（11）中，腐蚀开孔的时间为10-30s，电极pad的结构为ni（10-30nm）/au（50-100nm）。
本发明还提供一种根据上述的制备方法制得的具有双工作模式的氮化镓集成场效应晶体管；当p型电极作为器件的漏极，器件等效为ganpn结与异质结晶体管串联集成，器件以耗尽型模式工作；当n型电极作为器件的漏极，器件等效为绝缘栅控制的gan隧穿二极管，器件通过隧穿效应以增强型模式工作。
本发明的原理如下：
本发明的具有双工作模式的gan集成场效应晶体管及其制备方法，采用选区外延的放法，在algan/gan异质结侧壁生长p-gan形成p-gan/2deg结。当p-gan/2deg结正向偏置（p-gan一侧施加高电压），器件等效于pn结二极管与hfet串联，器件以耗尽型模式工作。当p-gan/2deg结反向偏置（algan/gan一侧施加高电压），器件等效于隧穿二极管，栅极通过调节隧穿结的势垒宽度控制器件的开启和关断，器件以增强型模式工作。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.通过构建p-gan/2deg结，利用隧穿效应实现基于algan/gan异质结的增强型器件。
2.通过选区生长工艺，制备了二极管和三极管的集成器件，可同时实现增强型和耗尽型两种工作模式。
3.采用选区生长，p-gan与2deg直接接触，避免了集成器件中的使用互连金属。
附图说明
图1为本发明的实施例的algan/gan外延片结构示意图。
图2为本发明的实施例的algan/gan外延片表面生长了sio2掩模层的结构示意图。
图3为本发明的实施例的sio2掩模层经过湿法腐蚀后的结构示意图。
图4为本发明的实施例的algan/gan外延片icp刻蚀后的结构示意图。
图5为本发明的实施例的选区外延生长p-gan后的结构示意图。
图6为本发明的实施例的algan/gan外延片去除sio2掩模层后的结构示意图。
图7为本发明的实施例的algan/gan外延片隔离刻蚀后的结构示意图。
图8为本发明的实施例的制备n型欧姆接触电极后的结构示意图。
图9为本发明的实施例的制备p型欧姆接触电极后的结构示意图。
图10为本发明的实施例的ald生al2o3钝化层后的结构示意图。
图11为本发明的实施例的制备了绝缘栅电极、n电极pad和p电极pad后最终器件的结构示意图。
图12为本发明的实施例的器件正向转移特性曲线。
图13为本发明的实施例的器件反向转移特性曲线。
图14为本发明的实施例的器件扫描电子显微照片。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种具有双工作模式的gan集成场效应晶体，其制备步骤如下：
（1）采用金属有机化学气相沉积（mocvd）在2inchsi（111）衬底上依次外延生长100nmaln非成核层，1μm非掺杂的algan缓冲层，1μm碳掺杂的高阻gan层，200nm非掺杂的gan沟道层和20nmalgan势垒层。algan/gan异质结外延结构示意图如图1所示。
（2）在步骤（1）所述的晶圆表面，采用等离子增强化学气相沉积（pecvd）生长100nmsio2薄膜作为选区外延的掩模层，所得的晶圆结构如图2所示；
（3）在步骤（2）所得的晶圆表面，通过紫外光刻暴露出选区生长的区域，然后采用市售的boe溶液（hf:nh4f体积比1:6）对暴露区域进行湿法腐蚀，腐蚀时间为45s，去除sio2掩模层，暴露出algan/gan外延片，所得的晶圆结构如图3所示；
（4）对步骤（3）所得的晶圆，采用ar/bcl3感应耦合等离子（icp）刻蚀algan/gan外延片，在选区生长区域形成刻蚀凹槽，刻蚀深度为180nm，暴露出algan/gan异质结侧壁。然后将所得晶圆在丙酮、异丙醇和去离子水中分别超声3min去除光刻胶，所得的晶圆结构如图4所示；
（5）在步骤（4）所得的晶圆表面，再次采用mocvd生长200nmp-gan，先采用nh3气流原位清洗晶圆表面，待温度上升到生长温度开始生长，生长结束后在760℃下对晶圆进行原位退火20min，然后降温取出晶圆，所得的晶圆结构如图5所示；
（6）将步骤（5）所得的晶圆置于boe溶液中浸泡10min，去除所有sio2掩模层，所得的晶圆结构如图6所示；
（7）在步骤（6）所得的晶圆表面，通过光刻、icp刻蚀等工艺对gan集成器件进行隔离，隔离刻蚀至高阻gan层，隔离器件区域的沟道宽度为100μm，所得的晶圆结构如图7所示；
（8）在步骤（7）所得的晶圆表面，通过光刻、电子束蒸发等工艺，在器件区域的algan/gan表面制备n型欧姆接触电极，电极结构为ti（20nm）/al（90nm）/ni（50nm）/au（50nm），退火温度为850℃，时间为30s，所得的晶圆结构如图8所示；
（9）在步骤（8）所得的晶圆表面，通过光刻、电子束蒸发等工艺，在器件区域的p-gan表面制备p型欧姆接触电极，电极结构为ni（20nm）/au（70nm），退火温度为570℃，时间为3min，所得的晶圆结构如图9所示；
（10）在步骤（9）所得的晶圆表面，采用原子层沉积（ald）制备20nm氧化铝（al2o3）薄膜栅氧层，同时作为集成器件的钝化层，所得的晶圆结构如图10所示；
（11）在步骤（10）所得的晶圆表面，采用光刻、boe湿法腐蚀的方法对欧姆接触电极区域开孔，腐蚀时间为20s，然后采用电子束蒸发同时制备栅电极、p电极pad和n电极pad，栅极长度为5μm，n电极和p电极距离栅电极的距离分别为7.5μm和10μm，得到如图11所示的gan集成场效应晶体。
本实施例制备的具有双工作模式的gan集成场效应晶体管采用选区生长构建了p-gan/2deg结。在p电极作为器件漏极，n电极作为源极时，器件等效于ganpn结集成hfet，器件以耗尽型模式工作。器件的转移特性曲线如图12所示，阈值电压为-3.1v；当p电极作为源极，n电极作为漏极时，器件等效于栅极控制的隧穿二极管，器件以增强型模式工作。器件的转移特性曲线如图13所示，阈值电压为 4v。本实施例的具有双工作模式的gan集成场效应晶体管的扫描电子显微照片及其p-gan/2deg结区域的截面照片如图14所示。这种具有双工作模式的集成器件可以实现gan常关型和常开型工作的统一，给gan功率集成器件和逻辑器件设计带来新的可能，同时该器件没有互连金属线，适合制备高性能gan逻辑反向器。另外，由于该器件在两种工作模式下均具有高的阈值电压，适合制备高性能gan整流器和功率放大器单元器件。
实施例2
一种具有双工作模式的gan集成场效应晶体，其制备步骤如下：
（1）采用金属有机化学气相沉积（mocvd）在2inchsi（111）衬底上依次外延生长150nmaln非成核层，1.5μm非掺杂的algan缓冲层，2μm碳掺杂的高阻gan层，250nm非掺杂的gan沟道层和25nmalgan势垒层。
（2）在步骤（1）所得的晶圆表面，采用等离子增强化学气相沉积（pecvd）生长150nmsio2薄膜作为选区外延的掩模层；
（3）在步骤（2）所得的晶圆表面，通过紫外光刻暴露出选区生长的区域，然后采用市售的boe溶液（hf:nh4f体积比1:6）对暴露区域进行湿法腐蚀，腐蚀时间为75s，去除sio2掩模层，暴露出algan/gan外延片；
（4）对步骤（3）所得的晶圆，采用ar/bcl3感应耦合等离子（icp）刻蚀algan/gan外延片，在选区生长区域形成刻蚀凹槽，刻蚀深度为200nm，暴露出algan/gan异质结侧壁。然后将所得晶圆在丙酮、异丙醇和去离子水中分别超声3min去除光刻胶；
（5）在步骤（4）所得的晶圆表面，再次采用mocvd生长220nmp-gan，先采用nh3气流原位清洗晶圆表面，待温度上升到生长温度开始生长，生长结束后在760℃下对晶圆进行原位退火20min，然后降温取出晶圆；
（6）将步骤（5）所得的晶圆置于boe溶液中浸泡20min，去除所有sio2掩模层；
（7）在步骤（6）所得的晶圆表面，通过光刻、icp刻蚀等工艺对gan集成器件进行隔离，隔离刻蚀至高阻gan层，隔离器件区域的沟道宽度为100μm；
（8）在步骤（7）所得的晶圆表面，通过光刻、电子束蒸发等工艺，在器件区域的algan/gan表面制备n型欧姆接触电极，电极结构为ti（15nm）/al（80nm）/ni（50nm）/au（50nm），退火温度为850℃，时间为45s；
（9）在步骤（8）所得的晶圆表面，通过光刻、电子束蒸发等工艺，在器件区域的p-gan表面制备p型欧姆接触电极，电极结构为ni（20nm）/au（70nm），退火温度为600℃，时间为3min；
（10）在步骤（9）所得的晶圆表面，采用原子层沉积（ald）制备20nm氧化铝（al2o3）薄膜栅氧层，同时作为集成器件的钝化层；
（11）在步骤（10）所得的晶圆表面，采用光刻、boe湿法腐蚀的方法对欧姆接触电极区域开孔，腐蚀时间为20s，然后采用电子束蒸发同时制备栅电极、p电极pad和n电极pad，栅极长度为5μm，n电极和p电极距离栅电极的距离分别为7.5μm和10μm。
本实施例制备的具有双工作模式的gan集成场效应晶体管所具有的性能特点与实施例1类似，再此不再赘述。
本发明采用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所述实施例的限制，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。
1.一种具有双工作模式的氮化镓集成场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）采用金属有机化学气相沉积mocvd在si（111）衬底上依次外延生长aln非成核层，非掺杂的algan缓冲层，碳掺杂的高阻gan层，非掺杂的gan沟道层和algan势垒层，获得高性能algan/gan异质结外延片；
（2）在步骤（1）获得的晶圆表面，采用等离子增强化学气相沉积pecvd生长sio2薄膜作为选区外延的掩模层；
（3）在步骤（2）获得的晶圆表面，通过紫外光刻暴露出选区生长的区域，然后采用boe溶液对暴露区域进行湿法腐蚀，去除sio2掩模层，暴露出algan/gan外延片；
（4）对步骤（3）获得的晶圆，采用ar/bcl3感应耦合等离子icp刻蚀algan/gan外延片，在选区生长区域形成刻蚀凹槽，暴露出algan/gan异质结侧壁，然后将所得晶圆在丙酮、异丙醇和去离子水中依次超声清洗去除光刻胶；
（5）在步骤（4）获得的晶圆表面，再次采用mocvd生长p-gan，先采用nh3气流原位清洗晶圆表面，待温度上升到生长温度开始生长，生长结束后对晶圆进行原位退火，然后降温取出晶圆；
（6）将步骤（5）获得的晶圆置于boe溶液中浸泡，去除所有sio2掩模层；
（7）在步骤（6）获得的晶圆表面，通过光刻和icp刻蚀工艺对gan集成器件进行隔离，隔离刻蚀至高阻gan层；
（8）在步骤（7）获得的晶圆表面，通过光刻和电子束蒸发工艺，在器件区域的algan/gan表面制备n型欧姆接触电极；
（9）在步骤（8）获得的晶圆表面，通过光刻和电子束蒸发工艺，在器件区域的p-gan表面制备p型欧姆接触电极；
（10）在步骤（9）获得的晶圆表面，采用原子层沉积ald制备氧化铝al2o3薄膜栅氧层，同时作为集成器件的钝化层；
（11）在步骤（10）获得的晶圆表面，采用光刻、boe湿法腐蚀的方法对欧姆接触电极区域开孔，然后采用电子束蒸发同时制备栅电极、p电极pad和n电极pad，沉积的栅电极完全处于algan/gan异质结之上，其靠近p-gan的一侧与icp刻蚀侧壁重合。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，aln非成核层的厚度为100-200nm，非掺杂的algan缓冲层的厚度为1-2μm，碳掺杂的高阻gan层的厚度为1-2μm，非掺杂的gan沟道层的厚度为150-250nm，algan势垒层的厚度为20-30nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，生长的sio2掩模层的厚度为100~500nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，boe溶液湿法腐蚀的时间为30~150s；步骤（4）中，icp刻蚀的深度为100-200nm；步骤（5）中，mocvd生长的p-gan厚度比步骤（4）的刻蚀深度厚10~20nm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（8）中，n电极结构为ti（10-30nm）/al（60-180nm）/ni（30-80nm）/au（50-100nm），退火温度为800~900℃，时间为30-60s。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（9）中，p电极结构为ni（10-30nm）/au（50-100nm），退火温度为450-650℃，时间为3-5min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（10）中，ald生长的al2o3厚度为20-30nm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（11）中，腐蚀开孔的时间为10-30s，电极pad的结构为ni（10-30nm）/au（50-100nm）。
9.一种根据权利要求1~8之一所述的制备方法制得的具有双工作模式的氮化镓集成场效应晶体管。
10.根据权利要求9所述的具有双工作模式的氮化镓集成场效应晶体管，其特征在于，其以耗尽型模式和增强型模式工作。
技术总结