CN103311288A

CN103311288A - 基于iii族氮化物材料的凹槽栅极结构的igbt

Info

Publication number: CN103311288A
Application number: CN2013101711114A
Authority: CN
Inventors: 房玉龙; 冯志红; 尹甲运; 王元刚; 盛百城; 敦少博; 吕元杰; 宋旭波; 邢东
Original assignee: CETC 13 Research Institute
Current assignee: CETC 13 Research Institute
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2013-09-18

Abstract

本发明公开了一种基于III族氮化物材料的凹槽栅极结构的IGBT，属于半导体器件。本发明自上而下依次包括盖帽层、势垒层、沟道层、阻挡层、耐压层、集电层、发射极、集电极和凹槽栅极；将凹槽栅极延伸到盖帽层及其以下的部分称为栅根；栅根的深度不小于盖帽层、势垒层、沟道层和阻挡层的深度之和；阻挡层为In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1）。本发明在原有的IGBT中应用特殊结构的凹槽栅极，使得发射区载流子可以沿凹槽栅极的侧壁穿过阻挡层进入耐压区；阻挡层采用大禁带宽度的In_xAl_yGa_1-x-yN，可抬高阻挡层势垒，起到天然阻挡层的作用，因而无需在材料外延生长过程中进行阻挡层挖槽，解决了盖帽层、势垒层、沟道层需要二次外延的问题。

Description

基于III族氮化物材料的凹槽栅极结构的IGBT

技术领域

本发明涉及半导体器件领域。

背景技术

III族氮化物材料具有大禁带宽度、高电子饱和速度、良好的抗辐射能力和高温性能等特点。相较于电力电子器件常用的Si材料，特别适合于高耐压应用。相较于同为宽禁带半导体材料的SiC，III族氮化物材料异质结结构可以提供较高的载流子浓度，器件应用中较易实现低导通电阻。综上两点，III族氮化物成为目前电力电子器件的理想材料之一。目前常用的基于III族氮化物材料的微电子器件主要包括异质结场效应管（HFET）、金属半导体场效应晶体管（MESFET）、金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）等，这些器件均为多子器件，高电压和低导通电阻无法同时兼顾。而绝缘栅型场效应管（IGBT）在工作时发射结可以沿导电沟道向耐压区注入非平衡载流子，其浓度远大于平衡时载流子浓度，因而在耐压区会导致强烈的电导调制现象，因而获得低导通电阻特性，可以兼顾高耐电压和低导通电压两个特性。

利用III族氮化物材料制作绝缘栅型场效应管（IGBT）时，需要对III族氮化物材料进行掺杂。对于III族氮化物材料而言，一般掺杂方式有两种：注入掺杂和外延掺杂。对于外延掺杂，p型掺杂效率较低，且对于特定区域掺杂时，需要二次甚至多次外延生长，生长工艺复杂且容易导致设备沾污；对于注入掺杂，掺杂工艺十分困难，不利于实现。因而目前利用III族氮化物材料制作IGBT器件的制备难度比较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种基于III族氮化物材料的凹槽栅极结构的IGBT，本发明可以解决III族氮化物材料IGBT器件中的掺杂问题，减少工艺流程、降低器件成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于III族氮化物材料的凹槽栅极结构的IGBT，自上而下依次包括盖帽层、势垒层、沟道层、阻挡层、耐压层和集电层，还包括发射极、集电极和凹槽栅极；所述发射极位于盖帽层之上，所述集电极位于集电层之下；将所述凹槽栅极延伸到盖帽层及其以下的部分称为栅根；所述栅根的深度不小于盖帽层、势垒层、沟道层和阻挡层的深度之和；所述阻挡层为In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1）。

所述阻挡层的厚度大于等于1nm，并且小于等于10um。

所述阻挡层的掺杂方式为Fe掺杂或C掺杂。

所述集电层为In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1），p型掺杂浓度为1E+17cm^-3到1E+21cm^-3之间，厚度在1nm到10μm之间。

所述栅根的纵截面形状为矩形或者U型或者倒三角型或者倒梯形。

在所述耐压层与集电层之间还设有缓冲层。

所述耐压层为GaN，掺杂浓度为1E+17cm^-3到1E+20 cm^-3之间，厚度在1nm到10μm之间。

其特征在于所述盖帽层为GaN、AlN、Al_xGa_1-xN（0＜x＜1）、SiN、Al₂O₃中的一种。

所述势垒层为In_xAl_yGa_1-x-yN（0＜x＜1，0＜y≤1，0＜x+y≤1），厚度为1nm到50nm之间。

采用上述技术方案取得的技术进步为：本发明在原有的绝缘栅型场效应管中应用特殊结构的凹槽栅极，使得发射区载流子可以沿凹槽栅极的侧壁穿过阻挡层进入耐压区；阻挡层采用大禁带宽度的In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1），可抬高阻挡层势垒，起到天然阻挡层的作用，因而无需在材料外延生长过程中进行阻挡层挖槽，解决了盖帽层、势垒层、沟道层需要二次外延的问题。使用该方案仅需采用一次外延，工艺简单，可避免二次外延带来的设备沾污，减少工艺流程，节约了工艺成本。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

图4为本发明实施例4的结构示意图；

其中，1、盖帽层，2、势垒层，3、沟道层，4、阻挡层，5、耐压层，6、发射极，7、凹槽栅极，8、集电层，9、集电极，10、缓冲层。

具体实施方式

实施例1

由图1所示可知，基于III族氮化物材料的凹槽栅极结构的IGBT，自上而下依次包括盖帽层1、势垒层2、沟道层3、阻挡层4、耐压层5和集电层8，还包括发射极6、集电极9和凹槽栅极7；所述发射极6位于盖帽层1之上，所述集电极9位于集电层8之下；将所述凹槽栅极7延伸到盖帽层1及其以下的部分称为栅根；所述栅根的深度等于盖帽层1、势垒层2、沟道层3和阻挡层4的深度之和；所述栅根的纵截面形状为矩形；所述凹槽栅极7的顶部与发射极6的顶部高度相等；所述阻挡层4为In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1），掺杂方式为Fe掺杂，厚度在1nm到10μm之间。

在本实施例中，所述集电层8为In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1），p型掺杂浓度为1E+17cm^-3到1E+21cm^-3之间，厚度在1nm到10μm之间。

所述耐压层5为GaN，掺杂浓度为1E+17cm^-3到1E+20 cm^-3之间，厚度在1nm到10μm之间。

所述盖帽层1为GaN或AlN。所述势垒层2为In_xAl_yGa_1-x-yN（0＜x＜1，0＜y≤1，0＜x+y≤1），厚度为1nm到50nm之间。所述沟道层3为GaN。

所述凹槽栅极7的金属采用镍金合金，其栅介质可以为SiO₂、SiN、Al₂O₃、HfO₂中的一种。所述发射极6和集电极9采用钛铝镍金合金。

实施例2

如图2所示可知，与实施例1不同的是在所述耐压层5与集电层8之间还设有缓冲层10，缓冲层10材料为GaN。所述栅根的深度大于盖帽层1、势垒层2、沟道层3和阻挡层4的深度之和；所述凹槽栅极7的栅根的纵截面的形状为U形。所述凹槽栅极7的顶部与发射极6的顶部高度相等。所述阻挡层4为In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1），可以为InN，也可以为AlN，还可以为GaN，掺杂方式为C掺杂，厚度在1nm到10μm之间。所述盖帽层1为Al_xGa_1-xN（0＜x＜1）或SiN。

实施例3

如图3所示可知，与实施例1不同的是，所述栅根的深度大于盖帽层1、势垒层2、沟道层3和阻挡层4的深度之和；所述凹槽栅极7的栅根的纵截面的形状为倒梯形；凹槽栅极7的顶部高度低于发射极6的顶部高度。所述阻挡层4为In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1），掺杂方式为Fe掺杂或C掺杂，厚度在1nm到10μm之间。

在本实施例中，所述集电层8为In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1），可以为InN，也可以为AlN，还可以为GaN，p型掺杂浓度为1E+17cm^-3到1E+21cm^-3之间，厚度在1nm到10μm之间。所述耐压层5为GaN，掺杂浓度为1E+17cm^-3到1E+20 cm^-3之间，厚度在1nm到10μm之间。所述盖帽层1为SiN或Al₂O₃。

实施例4

如图4所示，与实施例2不同的是，所述栅根的深度大于盖帽层1、势垒层2、沟道层3和阻挡层4的深度之和；所述凹槽栅极7的栅根的纵截面的形状为倒三角形；凹槽栅极7的顶部高度高于发射极6的顶部高度。所述阻挡层4为In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1），掺杂方式为Fe掺杂或C掺杂，厚度在1nm到10μm之间。在本实施例中，所述集电层8为In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1），p型掺杂浓度为1E+17cm^-3到1E+21cm^-3之间，厚度在1nm到10μm之间。所述耐压层5为GaN，掺杂浓度为1E+17cm^-3到1E+20 cm^-3之间，厚度在1nm到10μm之间。所述盖帽层1为Al₂O₃或Al_xGa_1-xN（0＜x＜1）中的一种。

本发明在原有的绝缘栅型场效应管中应用特殊结构的凹槽栅极，使得发射区载流子可以沿凹槽栅极的侧壁穿过阻挡层进入耐压区；阻挡层采用大禁带宽度的In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1），可抬高阻挡层势垒，起到天然阻挡层的作用，因而无需在材料外延生长过程中进行阻挡层挖槽，解决了盖帽层、势垒层、沟道层需要二次外延的问题。使用该方案仅需采用一次外延，工艺简单，可避免二次外延带来的设备沾污，减少工艺流程,节约了工艺成本。

Claims

1.一种基于III族氮化物材料的凹槽栅极结构的IGBT，其特征在于自上而下依次包括盖帽层（1）、势垒层（2）、沟道层（3）、阻挡层（4）、耐压层（5）和集电层（8），还包括发射极（6）、集电极（9）和凹槽栅极（7）；所述发射极（6）位于盖帽层（1）之上，所述集电极（9）位于集电层（8）之下；将所述凹槽栅极（7）延伸到盖帽层（1）及其以下的部分称为栅根；所述栅根的深度不小于盖帽层（1）、势垒层（2）、沟道层（3）和阻挡层（4）的深度之和；所述阻挡层（4）为In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1）。

2.根据权利要求1所述的基于III族氮化物材料的凹槽栅极结构的IGBT，其特征在于所述阻挡层（4）的厚度大于等于1nm，并且小于等于10um。

3.根据权利要求1所述的基于III族氮化物材料的凹槽栅极结构的IGBT，其特征在于所述阻挡层（4）的掺杂方式为Fe掺杂或C掺杂。

4.根据权利要求1所述的基于III族氮化物材料的凹槽栅极结构的IGBT，其特征在于所述集电层（8）为In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1），p型掺杂浓度为1E+17cm^-3到1E+21cm^-3之间，厚度在1nm到10μm之间。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于III族氮化物材料的凹槽栅极结构的IGBT，其特征在于所述栅根的纵截面形状为矩形或者U型或者倒三角型或者倒梯形。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的基于III族氮化物材料的凹槽栅极结构的IGBT，其特征在于在所述耐压层（5）与集电层（8）之间还设有缓冲层（10）。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的基于III族氮化物材料的凹槽栅极结构的IGBT，其特征在于所述耐压层（5）为GaN，掺杂浓度为1E+17cm^-3到1E+20 cm^-3之间，厚度在1nm到10μm之间。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的基于III族氮化物材料的凹槽栅极结构的IGBT，其特征在于所述盖帽层（1）为GaN、AlN、Al_xGa_1-xN（0＜x＜1）、SiN、Al₂O₃中的一种。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的基于III族氮化物材料的凹槽栅极结构的IGBT，其特征在于所述势垒层（2）为In_xAl_yGa_1-x-yN（0＜x＜1，0＜y≤1，0＜x+y≤1），厚度为1nm到50nm之间。