氮化镓基晶体管以及氮化镓基晶体管的钝化方法

技术领域

本公开涉及钝化工艺的技术领域，更具体地，涉及一种氮化镓基晶体管以及氮化镓基晶体管的钝化方法。

背景技术

在氮化镓基高电子迁移率晶体管器件的制备过程中，钝化工艺是十分重要的一步。由于材料生长、晶格缺陷、环境引入氧化物等问题，AlGaN势垒层会存在大量表面态、缺陷，进而会导致电流崩塌等现象(输出电流衰减、阈值电压漂移、栅极泄露电流变大)，对器件可靠性造成一定困扰。表面钝化的一个主要作用是用来大幅减少表面态并增加表面的化学稳定性。表面钝化另一个主要作用是在后续的装配和封装工艺中减少表面可能遭受的化学沾污或机械损伤。

常规钝化工艺，如氮化硅(SiN

目前，传统PECVD钝化工艺存在设备投资大，成本高且对气体纯度要求高，需要维持高温环境且会产生剧烈噪音、强光辐射、有害气体、金属蒸汽粉尘等危害，需要大功率高能反应将反应气体激活，产生高能活性离子易对器件表面造成损伤等问题。

发明内容

为解决现有技术中的所述以及其他方面的至少一种技术问题，本公开提供一种氮化镓基晶体管以及氮化镓基晶体管的钝化方法，通过使用旋涂工艺将稀释的非晶氟树脂旋涂在氮化镓基晶体管的表面而形成钝化层，避免对器件表面造成损伤。

本公开的实施例的提供了一种氮化镓基晶体管的钝化方法，包括：使用旋涂工艺将稀释的非晶氟树脂旋涂在氮化镓基晶体管的表面，以在上述氮化镓基晶体管的表面形成钝化层；以及通过在依次升高的阶梯温度下在依次递增的时间内，对形成钝化层的氮化镓基晶体管进行烘烤，使上述非晶氟树脂固定于上述氮化镓基晶体管的表面。

根据本公开的一些实施例，在执行上述旋涂工艺之前执行如下步骤：对上述氮化镓基晶体管的表面进行清洗；对清洗后的上述氮化镓基晶体管进行烘烤。

根据本公开的一些实施例，上述对上述氮化镓基晶体管的表面进行清洗包括：将上述氮化镓基晶体管的表面在丙酮、异丙酮和水中分别清洗。

根据本公开的一些实施例，在对上述对氮化镓基晶体管的表面进行清洗之后还包括：使用氨水对清洗后的上述氮化镓基晶体管进行碱洗再水洗，以去除表面态。

根据本公开的一些实施例，上述稀释的非晶氟树脂是通过利用含氟溶剂将上述非晶氟树脂进行稀释得到的。

根据本公开的一些实施例，上述非晶氟树脂与上述含氟溶剂的体积的配比范围为1:1～1:20。

根据本公开的一些实施例，上述旋涂工艺在常温条件下将稀释后的上述非晶氟树脂旋涂在上述氮化镓基晶体管的表面。

根据本公开的一些实施例，对形成钝化层的上述氮化镓基晶体管在50℃的温度下烘烤5min之后在80℃的温度下烘烤30min，再在150℃的温度下烘烤60min。

本公开的实施例的另一方面提供了一种氮化镓基晶体管，上述氮化镓基晶体管包括：势垒层；帽层，上述帽层设置在上述势垒层上；源极、漏极和栅极，上述源极、漏极和栅极设置在上述帽层上；其中，上述帽层用于提高氮化镓基晶体管的肖特基势垒高度以降低上述栅极的漏电，钝化层覆盖在上述帽层和上述源极、漏极和栅极的远离上述势垒层的表面上，其中，上述钝化层根据上述任一所述的氮化镓基晶体管的钝化方法制成。

根据本公开的一些实施例，上述帽层采用铝元素、镓元素、铟元素与氮元素组合的二元、三元或四元合金，厚度为0.1nm～5nm。

根据本公开实施例的一种氮化镓基晶体管以及氮化镓基晶体管的钝化方法，通过使用旋涂工艺将稀释的非晶氟树脂旋涂在氮化镓基晶体管的表面，以在氮化镓基晶体管的表面形成钝化层，能够实现配置基本的旋涂工艺设备即可在氮化镓基晶体管的表面形成钝化层，不会对器件表面造成损伤，且非晶氟树脂成本低。

附图说明

图1是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管的钝化方法的流程图；

图2是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管的截面示意图；

图3是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管钝化后与原始氮化镓基晶体管的转移曲线对比图；

图4是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管钝化后与原始氮化镓基晶体管的栅极泄漏电流曲线对比图；

图5是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管钝化后与原始氮化镓基晶体管的电流崩塌效应测试对比曲线图；

图6是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管钝化后的高温转移曲线图；

图7是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管钝化后与原始氮化镓基晶体管的老化测试的对比曲线图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

根据本公开一个方面的发明构思，传统PECVD钝化一般生长SiO

图1是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管的钝化方法的流程图。

根据本公开的实施例，如图1所示，一种氮化镓基晶体管的钝化方法主要包括以下步骤S4-步骤S5(钝化方法还包括预处理步骤S1-步骤S3，下面将详细描述)：

步骤S4：使用旋涂工艺将稀释的非晶氟树脂旋涂在氮化镓基晶体管的表面，以在氮化镓基晶体管的表面形成钝化层。

步骤S5：通过在依次升高的阶梯温度下在依次递增的时间内，对形成钝化层的氮化镓基晶体管进行烘烤，使非晶氟树脂固定于氮化镓基晶体管的表面。

根据本公开的实施例，表面钝化是铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)异质结的高电子迁移率晶体管(high-electron mobility transistor，HEMT)制备过程中的一项关键工艺。AlGaN/GaN晶格周期结构在势垒层表面突然中断，导致AlGaN层表面产生悬挂键并出现大量的缺陷和陷阱态。这些悬挂键能够俘获沟道中的电子，会使器件出现电流崩塌现象，导致输出电流不能达到理想值。表面钝化的一个主要作用是用来终结这些悬挂键，大幅减少表面态并增加表面的化学稳定性。表面钝化另一个主要作用是在后续的装配和封装工艺中减少表面可能遭受的化学沾污或机械损伤。

根据本公开的实施例，旋涂工艺是指将光刻胶或其他材料均匀地分配到器件表面上的方法。在所有制作单个薄膜的方法中旋涂工艺不需要任何高能过程，不会产生高能离子损伤器件表面。

这样的实施方式中，使用旋涂工艺可以实现简单有效，可以十分均匀地涂覆小而平坦的器件。并且可以通过调节旋转的速率和时间实现涂覆很广的厚度范围(从纳米到微米)的均匀薄膜。

根据本公开的实施例，非晶氟树脂(CYTOP)是一种非结晶高透明的含氟聚合物，其优点有防水防油，耐化学品性，耐高温(400℃)，高透明度(光谱透过率最高可达95％以上)，极低光色散(阿贝数高达90)，介电常数小(2.0～2.1)，在室温下具有良好的溶解性和成膜性能。

通过本公开的实施例提供的氮化镓基晶体管的钝化方法通过使用旋涂工艺将稀释的非晶氟树脂旋涂在氮化镓基晶体管的表面，以在氮化镓基晶体管的表面形成钝化层，能够实现配置基本的旋涂工艺设备即可在氮化镓基晶体管的表面形成钝化层，不会对器件表面造成损伤，且非晶氟树脂成本低。

根据本公开的实施例，在执行旋涂工艺之前执行如下步骤S1-步骤S3：

步骤S1：对氮化镓基晶体管的表面进行清洗。

根据本公开的实施例，清洗时不利用超声的方式进行清洗，本公开的实施例对清洗采用的具体试剂和清洗的时间不做限定。

这样的实施方式中，能够实现去除氮化镓基晶体管表面的脏污及灰尘。

步骤S2：使用氨水对清洗后的氮化镓基晶体管进行碱洗再水洗，以去除表面态。

根据本公开的实施例，本公开的实施例对碱洗和水洗采用的具体试剂和碱洗、水洗的时间不做限定。

在一种示意性的实施例中，先使用氨水对清洗后的氮化镓基晶体管进行碱洗60s，再进行水洗60s以去除表面态。

根据本公开的实施例，理想表面是指表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面(即晶体的自由表面)。在表面外侧和内侧，电子的波函数都按指数关系衰减，这表明电子的分布几率在表面处最大，即电子被局限在表面附近。这种电子状态即称作表面态，对应的能级称为表面能级。在半导体的表面，由于存在自身缺陷、吸附物质、氧化物或与电解液中的物质发生作用等原因，表面电子的量子状态会形成分立的能级或很窄的能带，称为表面态。它可以俘获或释放载流子，或形成复合中心，使半导体带有表面电荷，影响其电性能。故半导体器件制作时需要超净处理，半导体电极的性质也比金属电极复杂。

步骤S3：对水洗后的氮化镓基晶体管进行烘烤。

根据本公开的实施例，本公开的实施例对烘烤的具体温度和烘烤的时间不做限定。

在一种示意性的实施例中，对清洗后的氮化镓基晶体管进行烘烤，在100℃以上热板烘烤2min。

这样的实施方式中，可以实现去除清洗后的氮化镓基晶体管残留的水分子。

根据本公开的实施例，对氮化镓基晶体管的表面进行清洗包括：将氮化镓基晶体管的表面在丙酮、异丙酮和水中分别清洗。

根据本公开的实施例，可以基于丙酮、异丙酮和水来对氮化镓基晶体管的表面进行清洗，但不仅限于此，还可以基于其他类型的溶液来对氮化镓基晶体管的表面进行清洗。

根据本公开的实施例，稀释的非晶氟树脂是通过利用含氟溶剂将非晶氟树脂进行稀释得到的。

根据本公开的实施例，可以利用含氟溶剂来稀释非晶氟树脂，例如可以利用氢氟烷烃(HFC)、全氟化碳(PFC)等来稀释非晶氟树脂，但不仅限于此，还可以利用其他含氟溶剂来稀释非晶氟树脂，本公开的实施例对稀释非晶氟树脂的具体溶剂类型不做限定。

这样的实施方式中，通过利用含氟溶剂稀释非晶氟树脂可以实现保护非晶氟树脂不变质，然后通过旋涂工艺和热板烘烤的方式释放非晶氟树脂在氮化镓基晶体管的表面形成钝化层。

根据本公开的实施例，非晶氟树脂与含氟溶剂的体积的配比范围为1:1～1:20。

在一种示意性的实施例中，将非晶氟树脂与含氟溶剂按照体积配比为1:1进行稀释，将旋涂工艺的参数设置为以2000rpm的转速旋涂60s，将稀释后的非晶氟树脂旋涂在氮化镓基晶体管的表面，形成约300nm厚的钝化层薄膜。

根据本公开的实施例，具体的非晶氟树脂浓度及旋涂工艺的速率和时间取决于所需要形成的钝化层厚度，非晶氟树脂浓度越小，旋涂工艺转速越快，时间越长，钝化层膜厚越小，钝化层厚度范围为1nm～1000nm。

根据本公开的实施例，旋涂工艺在常温条件下将稀释后的非晶氟树脂旋涂在氮化镓基晶体管的表面。

这样的实施方式中，在常温条件下将稀释后的非晶氟树脂旋涂在氮化镓基晶体管表面能够实现无需在高温环境也能钝化，且不会产生噪音及其他污染，安全性高。

根据本公开的实施例，通过在依次升高的阶梯温度下在依次递增的时间内对形成钝化层的氮化镓基晶体管进行烘烤是指，烘烤的温度逐渐升高，但在一种升高的温度下持续烘烤一段时间，而且温度越高烘烤的时间越长。例如，对形成钝化层的氮化镓基晶体管在50℃的温度下烘烤5min之后在80℃的温度下烘烤30min，再在150℃的温度下烘烤60min。

根据本公开的实施例，以上述通过在依次升高的阶梯温度下在依次递增的时间内，对形成钝化层的氮化镓基晶体管进行烘烤，使非晶氟树脂固定于氮化镓基晶体管的表面，以实现钝化。

根据本公开的实施例，对形成钝化层的氮化镓基晶体管进行烘烤的温度和时间不做限定。

图2是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管的截面示意图。

根据本公开的实施例的另一方面提供的一种氮化镓基晶体管，如图2所示，氮化镓基晶体管包括势垒层、帽层和源极、漏极和栅极。帽层设置在势垒层上。源极、漏极和栅极设置在帽层上。帽层用于提高氮化镓基晶体管的肖特基势垒高度以降低栅极的漏电，钝化层覆盖在帽层和源极、漏极和栅极的远离势垒层的表面上，其中，钝化层是根据上述任一实施例所述的氮化镓基晶体管的钝化方法制成的。

根据本公开的实施例，氮化镓基晶体管还包括衬底、缓冲层、沟道层和间隔层。缓冲层形成在衬底上，缓冲层用于缓解氮化镓材料与衬底之间的晶格失配和热失配，通过调控薄膜应力和位错的形成和湮灭，实现高质量的外延薄膜，同时通过掺杂或能带设计形成高阻薄膜，用于抑制氮化镓基晶体管的横向漏电。沟道层形成在缓冲层上，采用非故意掺杂，沟道层用于提供电流横向流通的通道。间隔层形成在沟道层上，间隔层用于减少异质结处的合金散射作用，提升氮化镓基晶体管的迁移率。

根据本公开的实施例，衬底可以选用硅、蓝宝石、碳化硅、氮化镓，本公开的实施例对衬底选用的材料不做限定。

根据本公开可替换的实施例，缓冲层包括氮化铝成核层，厚度为0nm～500nm，还包括铝镓氮缓冲层，厚度为1μm～10μm。本公开的实施例对缓冲层选用的材料的厚度不做限定，对铝组分不做限定。

根据本公开的实施例，沟道层可以选用铝元素、镓元素、铟元素与氮元素组合的二元、三元或四元合金，厚度为1nm～1000nm，优选为100nm，本公开的实施例对沟道层选用的材料的厚度不做限定。

根据本公开的实施例，间隔层可以选用AlN材料，厚度为0.1nm～5nm，优选为1nm，本公开的实施例对间隔层选用的材料的厚度不做限定。

根据本公开的实施例，势垒层形成于间隔层上，势垒层用于与沟道层形成异质结，通过极化效应在异质结界面处形成二维电子气。

根据本公开的实施例，势垒层可以选用铝元素、镓元素、铟元素与氮元素组合的二元、三元或四元合金，势垒层厚度为1nm～100nm，优选为15nm。势垒层合金可以选用两种形式，形式1为选用三族元素固定组分的势垒层，例如Al组分30％的AlGaN合金(写作Al

根据本公开的实施例，帽层采用铝元素、镓元素、铟元素与氮元素组合的二元、三元或四元合金，厚度为0.1nm～5nm。

根据本公开的实施例，帽层厚度优选为2nm，但本公开的实施例对帽层选用的材料的厚度不做限定。

这样的实施方式中，帽层形成于势垒层上，能够实现提高氮化镓基晶体管的肖特基势垒高度以降低栅极的漏电。

根据本公开的实施例，源极和漏极选用Ti/Al/Ni/Au金属堆叠层，但本公开的实施例对源极和漏极的具体形状、面积和金属厚度不做限定。栅极选用Ni/Au金属堆叠层，但本公开的实施例对栅极的材料、形态和厚度不做限定。

在一种示意性的实施例中，源极和漏极选用矩形，长和宽范围为0.5μm～1000μm，优选为150μm；栅极长度为0.5μm～100μm，优选为4μm，宽度为0.5μm～1000μm，优选为100μm。源极和漏极间距为1μm～50μm，优选为12μm。

根据本公开的实施例，钝化层覆盖在帽层和源极、漏极和栅极的远离势垒层的表面上，以抑制氮化镓基晶体管的表面态，同时保护氮化镓基晶体管不受外界环境的玷污、水分等损害的影响。

根据本公开的实施例，钝化层厚度范围为1nm～1000nm，优选为500nm。但本公开的实施例对钝化层的具体成分、浓度及厚度不做限定。

图3是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管钝化后与原始氮化镓基晶体管的转移曲线对比图。

根据本公开的实施例，如图3所示，横坐标V

图4是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管钝化后与原始氮化镓基晶体管的栅极泄漏电流曲线对比图。

根据本公开的实施例，如图4所示，横坐标V

图5是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管钝化后与原始氮化镓基晶体管的电流崩塌效应测试对比曲线图。

根据本公开的实施例，如图5所示，V

图6是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管钝化后的高温转移曲线图。

根据本公开的实施例，如图6所示，横坐标表征为V

图7是根据本公开的一种示意性实施例的氮化镓基晶体管钝化后与原始氮化镓基晶体管的老化测试的对比曲线图。

根据本公开的实施例，如图7所示，(a)图横坐标表征为V

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。