CN102810559A - 一种兼具反向导通的异质结构场效应晶体管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种兼具反向导通的异质结构场效应晶体管及其制作方法，其场效应晶体管，由下往上依次包括衬底、缓冲层、外延层、势垒层；外延层、势垒层形成异质结；异质结上的势垒层上设有欧姆接触源电极、栅极、源电极和欧姆接触漏电极。本发明与传统异质结构场效应晶体管相比，通过在表面多设计一个电极实现器件反向导通，工艺简单，成本低廉，与现有异质结构场效应晶体管工艺完全兼容。在功率电路中需要续流的情况下，使用本发明的兼具反向导通功能的异质结构场效应晶体管,可以不用并联反向导通二极管，因此节约大量芯片面积，减小测试与封装的成本，提高器件可靠性。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种兼具反向导通的异质结构场效应晶体管及其制作方法。
背景技术
随着微电子技术的发展，传统Si和GaAs半导体器件性能已接近其材料本身决定的理论极限。GaN与Si相比，具有宽禁带宽度、高临界击穿电场（高达3MV/cm）、高的饱和电子漂移速度和良好的热导率等优越的性能，更加适合制作高功率大容量、高开关速度的功率开关器件，成为下一代功率开关器件的理想材料。
GaN材料具有较强的极化效应，极化方向上生长的AlGaN/GaN异质结的界面由于极化效应形成高浓度和高电子迁移率的二维电子气（2DEG），使得AlGaN/GaN异质结构场效应晶体管（HFETs）具有极低的导通电阻，非常适合制作功率开关器件。由于GaN属于宽禁带半导体，其工作温度可达500℃以上。因此GaN器件有比较广的应用环境。在世界各国研究计划的启动和推动下，GaN等宽禁带半导体材料和器件的研制获得了飞速的发展，国际上多家半导体厂商相继推出高功率、高频、高温的宽禁带半导体产品，其应用领域正不断扩展。
目前，基于GaN的功率开关器件主要包括A1GaN／GaN HFET(HFET)、GaN MOSFET和MIS—HFET等结构。其中，AIGaN／GaN HFET具有工艺简单、技术成熟、优良的正向导通特性和高的工作频率等优点，成为GaN功率开关器件中最受关注的器件结构。如图1所示，是现有技术的AlGaN/GaN HFET器件结构示意图；其中，1—衬底、2—缓冲层、3—外延层、 4—势垒层、5—欧姆接触源电极、6—栅极、8—欧姆接触漏电极。 在传统的AlGaN/GaN HFET器件中外延层3为GaN 薄膜，势垒层4为AlGaN薄膜。
A1GaN／GaN HFET作为开关器件应用在电力电子电路中，常在开关器件两端反并联一个二极管，其作用一般包括在开关器件关断后为主电路电流提供续流回路(续流二极管)、防止可能出现的反向电压对开关器件造成损坏等。现有A1GaN／GaN HFET是具有正向导通特性，无法实现反向二极管导通特性。因而在实际应用中必须反并联一个二极管，从而增加系统成本。
发明内容
本发明目的是在异质结构场效应晶体管具有正向导通特性的基础上，为其增加反向二极管导通特性，可以使得在异质结构场效应晶体管需要反向导通的一些应用中不再并联反向二极管，提供一种节约芯片面积，减少测试与封装成本，提高反向导通性能，提高系统可靠性，降低功耗的一种兼具反向导通的异质结构场效应晶体管及其制作方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种兼具反向导通的异质结构场效应晶体管，由下往上依次包括衬底、缓冲层、外延层和势垒层；所述外延层和势垒层形成异质结；所述异质结的势垒层上设有欧姆接触源电极、栅极和欧姆接触漏电极；所述异质结的势垒层上还设有源电极。
所述衬底为GaN衬底、SiC衬底、Si衬底、GaAs衬底、GeSi衬底或蓝宝石衬底。
所述异质结为AlGaN/GaN异质结、AlGaAs/GaAs异质结、InAlGaAs/GaAS异质结、InP/InGaAs异质结、InP/GaAs异质结、InAlAs/InGaAs异质结、AlGaN/GaN异质结、InAlN/GaN异质结或InAlGaN/GaN异质结。
其中异质结的表达关系为：势垒层/外延层异质结；即比如AlGaN/GaN异质结表示为势垒层为AlGaN，外延层为GaN；AlGaAs/GaAs异质结表示为势垒层为AlGaAs，外延层为GaAs，其他按照相同方式理解。
所述欧姆接触源电极的金属材料为以下一种或多种的组合：钛、铝、镍、金、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆或钨；
所述源电极为肖特基接触源极，其金属材料为以下一种或多种的组合：钛、铝、镁、银、铅、铟、钯、钽、锆或钴。
所述源电极为P型材料形成PN结，或由PN结与肖特基接触结合形成JBS复合接触。
所述源电极通过金属引线与欧姆接触源电极连接；或源电极横跨栅极与欧姆接触源电极连接，欧姆接触源电极、源电极与栅极通过介质材料隔离。
所述栅极为常开栅极或常关栅极，栅极的结构基栅极、常开栅极、常关栅极、F离子注入常关栅、凹型栅、具有p型覆盖层的栅极或MIS型栅。
本发明的又一目的是提供一种兼具反向导通的异质结构场效应晶体管的制作方法，包括以下步骤：
1）在衬底表面上依次外延生长缓冲层、外延层、势垒层；
2）在势垒层上通过欧姆接触定义欧姆接触源电极、欧姆接触漏电极；
3）在势垒层上通过肖特基接触定义栅极、源电极；欧姆接触源电极与源电极连接。
其中步骤3）在势垒层上通过肖特基接触定义栅极、第二源极可以一起进行或单独进行，其中第二源极所选取的金属与栅极金属相同或不同，或具有不同功函数的金属形成的复合电极。
更进一步的，步骤1）所述衬底为GaN衬底、SiC衬底、Si衬底、GaAs衬底、GeSi衬底或蓝宝石衬底。
更进一步的，步骤1）所述外延生长法为金属有机化学气相沉积法或分子束外延法。
本发明异质结构场效应晶体管的工作原理：假设源极电压为0V，当栅极所加电压大于阈值电压时，给漏电极施加正电压，器件可以像传统型异质结构场效应晶体管一样首先在欧姆接触漏电极和欧姆接触源极之间实现正向导通，器件开启。当器件关断时栅极所加电压小于阈值电压，器件中栅极区域下方的二维电子气被耗尽，此时给漏极施加一个负电压，器件在源电极和欧姆接触漏电极之间导通能够实现导通二极管特性。这样就使得器件在正向和反向时都具有导通特性，形成兼具反向导通功能的异质结构场效应晶体管。
本发明就比现有的异质结构场效应晶体管增加了反向时的二极管导通特性。只需要在势垒层表面设计两个源极，没有增加任何复杂的工艺步骤就能实现。同时在使用中比传统的异质结构场效应晶体管并联二极管形式少了并联二极管，降低成本。可以根据需要容易获得增强型或者耗尽型的兼具反向导通功能的异质结构场效应晶体管。本发明的制作方法，步骤较少，工艺简单；易实现本发明的工作原理。
附图说明
图1是现有技术的AlGaN/GaN HFET器件结构示意图；
图2是本发明实施例一的异质结构场效应晶体管结构示意图；
图3是图2所示器件结构制作的第一步；
图4为图2所示器件结构制作的第二步；
图5为图2所示器件结构制作的第三步；
图6是本发明实施例二的结构示意图；
图7是本发明实施例三的结构示意图；
图8是本发明实施例四的结构示意图；
图9是本发明实施例五的结构示意图。
具体实施方式
实施例一
图2是本发明所提供的一种兼具反向导通的AlGaN/GaN HFET器件结构示意图；由下往上依次包括衬底1、缓冲层2、外延层3、势垒层4；所述外延层3、势垒层4形成异质结；所述异质结上的势垒层4上设有欧姆接触源电极5、栅极6、源电极7和欧姆接触漏电极8。在本实施例中外延层3为GaN 薄膜，势垒层4为AlGaN薄膜，AlGaN薄膜和GaN薄膜形成AlGaN/GaN异质结；栅极6为肖特基栅极，源电极7为肖特基源电极；其中肖特基源电极与欧姆接触源电极5连接。
图3至图5是实现图2所示结构的实施方法，具体的实施步骤为：
1）如图3所示，通过化学气相沉积或分子束外延法在衬底1上依次生长一层缓冲层2、外延层3 GaN薄膜、势垒层4 AlGaN薄膜，GaN薄膜和AlGaN薄膜形成GaN/AlGaN异质结结构。
2）如图4所示，在AlGaN薄膜表面定义欧姆接触源电极5和欧姆接触漏电极8区域，蒸镀Ti/Al/Ni/Au合金作为欧姆接触源电极5和欧姆接触漏电极8金属，并通过退火形成欧姆接触。
3）如图5所示，在AlGaN薄膜表面定义栅极6和肖特基源电极区域，蒸镀Ni/Au作为栅极6的肖特基金属和肖特基源电极的肖特基金属，肖特基金属与欧姆接触源电极5相连。这一步也可以分为两个步骤制作，既分别定义与制作栅极6金属和肖特基源电极金属。
实施例二
图6中：1—衬底、2—缓冲层、3—外延层、 4—势垒层、5—欧姆接触源电极、6—栅极、7—源电极、8—欧姆接触漏电极、11—第一源电极，12—第二源电极；在本实施例中外延层3为GaAs 薄膜，势垒层4为AlGaAs薄膜，则外延层3和势垒层4组成的异质结为AlGaAs/GaAs异质结；图4所示的实施例的实施方法与图2所示实施例的实施方法类似，区别在于在制作图2中的源电极7分为两个部分第一源电极11与第二源电极12，第一源电极11与第二源电极12通过两个步骤制备。第一源电极11与第二源电极12是不同功函数的金属形成的复合肖特基源电极，第一源电极11、第二源电极12分别与欧姆接触源电极5相连接。
实施例三
图7中：1—衬底、2—缓冲层、3—外延层、 4—势垒层、5—欧姆接触源电极、6—栅极、7—源电极、8—欧姆接触漏电极、9—介质材料，10—栅极金属；在本实施例中外延层3为InGaAs 薄膜，势垒层4为InAlAs薄膜，则外延层3和势垒层4组成的异质结为InAlAs/InGaAs异质结；源电极7为肖特基源电极。图5所示的实施例的实施方法与图2所示实施例的实施方法类似，区别在于在栅极6改为MIS栅极，可以通过分布外延或者刻蚀的方法，在势垒层形成凹槽结构，然后沉积介质材料，然后制作MIS栅极。
实施例四
图8中：1—衬底、2—缓冲层、3—外延层、 4—势垒层、5—欧姆接触源电极、6—栅极、7—源电极、8—欧姆接触漏电极、9—介质材料；在本实施例中外延层3为GaN 薄膜，势垒层4为InAlN薄膜，则外延层3和势垒层4组成的异质结为InAlN/GaN异质结；源电极7为肖特基源电极。图6所示的实施例的实施方法与图2所示实施例的实施方法类似，区别在于栅极6金属通过介质材料或空气与欧姆接触源电极5及源电极7金属隔离，可以在制备栅极6金属后沉积介质材料或牺牲层，通过刻蚀去除欧姆接触源电极5和源电极7区域的介质材料。最后将源电极7制作肖特基接触源电极，最后可以选择全部保留或者部分去除或者全部去除栅极6金属与肖特基接触源电极金属之间的隔离材料。
实施例五
图9中：1—衬底、2—缓冲层、3—外延层、 4—势垒层、5—欧姆接触源电极、6—栅极、7—源电极、8—欧姆接触漏电极、9—介质材料、13—肖特基接触源电极金属。在本实施例中外延层3为GaN薄膜，势垒层4为InAlGaN薄膜，则外延层3和势垒层4组成的异质结为InAlGaN/GaN异质结。图7所示的实施例的实施方法与图2所示实施例的实施方法类似，区别在于肖特基源电极为肖特基接触与MIS结构的复合结构，而此实施例中，肖特基接触源电极金属13可以选用一种金属或多种金属的组合。
Claims (10)
1.一种兼具反向导通的异质结构场效应晶体管，由下往上依次包括衬底（1）、缓冲层（2）、外延层（3）和势垒层（4）；所述外延层（3）和势垒层（4）形成异质结；所述异质结的势垒层（4）上设有欧姆接触源电极（5）、栅极（6）和欧姆接触漏电极（8）；其特征在于所述异质结的势垒层（4）上还设有源电极（7）。
2.根据权利要求书1所述的兼具反向导通的异质结构场效应晶体管，其特征在于所述衬底（1）为GaN衬底、SiC衬底、Si衬底、GaAs衬底、GeSi衬底或蓝宝石衬底。
3.根据权利要求书1所述的兼具反向导通的异质结构场效应晶体管，其特征在于所述异质结为AlGaN/GaN异质结、AlGaAs/GaAs异质结、InAlGaAs/GaAS异质结、InP/InGaAs异质结、InP/GaAs异质结、InAlAs/InGaAs异质结、AlGaN/GaN异质结、InAlN/GaN异质结或InAlGaN/GaN异质结。
4.根据权利要求书1所述的兼具反向导通的异质结构场效应晶体管，其特征在于所述欧姆接触源电极（5）的金属材料为以下一种或多种的组合：钛、铝、镍、金、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆或钨；
所述源电极（7）为肖特基接触源极，其金属材料为以下一种或多种的组合：钛、铝、镁、银、铅、铟、钯、钽、锆或钴。
5.根据权利要求书1所述的兼具反向导通的异质结构场效应晶体管，其特征在于所述源电极（7）可以为P型材料形成PN结，或由PN结与肖特基接触结合形成JBS复合接触。
6.根据权利要求书4或5所述的兼具反向导通的异质结构场效应晶体管，其特征在于所述源电极（7）通过金属布线与欧姆接触源电极（5）连接；或源电极（7）横跨栅极（6）与欧姆接触源电极（5）连接，欧姆接触源电极（5）、源电极（7）与栅极（6）通过介质材料隔离。
7.根据权利要求书1所述的兼具反向导通的异质结构场效应晶体管，其特征在于所述栅极（6）为常开栅极或常关栅极，栅极（6）的结构为肖特基栅极、F离子注入常关栅、凹型栅、具有p型覆盖层的栅极或MIS型栅。
8.一种兼具反向导通的异质结构场效应晶体管的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
1）在衬底（1）表面上依次外延生长缓冲层（2）、外延层（3）、势垒层（4）；
2）在势垒层（4）上通过欧姆接触定义欧姆接触源电极（5）、欧姆接触漏电极（8）；
3）在势垒层（4）上通过肖特基接触定义栅极（6）、源电极（7）；欧姆接触源电极（5）与源电极（7）连接。
9.根据权利要求8所述制作方法，其特征在于步骤1）所述衬底（1）为GaN衬底、SiC衬底、Si衬底、GaAs衬底、GeSi衬底或蓝宝石衬底。
10.根据权利要求8所述制作方法，其特征在于步骤1）所述外延生长法为金属有机化学气相沉积法或分子束外延法。
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