CN104701359A - 垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其包括衬底、外延结构以及源、漏、栅极，所述外延结构包括依次形成在所述衬底正面的电流阻挡层、第二半导体层、第一半导体层和钝化层，所述第一半导体层和/或第二半导体层内分布有二维电子气沟道，所述源极与第一半导体层电连接，所述栅极设置在所述钝化层上，所述漏极设置在所述衬底背面，其中所述电流阻挡层采用高阻GaN层，且所述高阻GaN层中于位于栅极下方的区域内分布有Si离子注入形成的n型重掺杂电流导通通孔。本发明器件具有高耐压、低漏电等优点。本发明还公开了所述HEMT器件的制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件，特别涉及一种垂直结构AlGaN/GaN HEMT外延生长及其制作方法，其可应用于制作低导通电阻、高频率、高击穿电压的高电子迁移率晶体管，属于微电子技术领域。
背景技术
随着无线通讯技术、航空航天技术以及混合动力汽车的飞速发展，作为第一代半导体Si和GaAs器件发展功率型器件越来越无法满足高频率、高功率以及恶略环境下工作等问题越来越明显，特别对于二者禁带宽度比较低、临界击穿电压比较低等在追求更高功率和频率上很难再提高。新兴的第三代半导体材料GaN禁带宽度宽、击穿电场高、电子饱和速率高，以及满足在更高温度、更好的抗化学腐蚀和辐射越来越成为关注的焦点。
目前垂直结构AlGaN/GaN HEMT发展中对于电流阻挡层和导通通孔Aperture一直是垂直结构HEMT发展的难点。现在对于垂直结构HEMT的电流阻挡层一般有三种方案：
1)Mg掺杂形成P-GaN作为电流阻挡层与光刻刻蚀形成小孔进行二次外延。该方法采用首先生长P-GaN，生长完成以后光刻刻蚀形成一个小孔进行二次外延利用具有一定n型掺杂浓度的GaN填充小孔，这样对于二次外延生长带来了很大问题。具体参见如下文献：A VerticalInsulated Gate AlGaN/GaN Heterojunction Field-Effect Transistor，Japanese Journal of AppliedPhysics，Vol.46,No.21,2007,pp.L503–L505。AlGaN/GaN current aperture vertical electrontransistors with regrown channels,JOURNAL OF APPLIED PHYSICS VOLUME 95,NUMBER4。
2)Mg离子注入形成P-GaN作为电流阻挡层。该方法在生长的本征GaN通过Mg离子注入形成P-GaN，同时导通通孔上方利用掩膜不进行Mg离子注入实现一个P-GaN作为电流阻挡层提高势垒高度，同时未被离子注入的GaN作为一个导通通孔使电流沿着导通通孔传输。具体参见Enhancement and Depletion Mode AlGaN/GaNCAVET With Mg-Ion-Implanted GaNasCurrent Blocking Layer，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,VOL.29,NO.6,JUNE 2008。
3)Al离子注入形成类似绝缘层作为电流阻挡层。该方法通过在本征GaN层通过Al离子注入使GaN晶格损伤形成类似绝缘层，电流导通通孔利用掩膜不进行Al离子注入，会使未被Al离子注入的小孔电阻率较低，电流会优先选择这里通过。具体参见Current status and scope ofgalliumnitride-based vertical transistors for high-power electronics application,Semicond.Sci.Technol.28(2013)074014(8pp)。
但是无论采用Mg离子注入或者掺杂，均一方面会引入晶格损伤特别是对于作为电流阻挡层导致很大的漏电，另一方面Mg具有很强的记忆效应在二次外延过程中有很大的扩散作用，而Al离子注入引入的晶格损伤引起的漏电以及电流崩塌效应特别严重，这种电流崩坍原因主要是由于Al注入引入的缺陷导致的，且Al注入带来的晶格损伤必须在很高的温度下才能修复，温度大概1350℃，对于工业用于比较复杂而且相对昂贵。这些缺陷一直是制约着垂直结构目前发展的瓶颈。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种新型的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件及其制作方法，从而克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
一种垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，包括衬底、外延结构以及源、漏、栅极，所述外延结构包括依次形成在所述衬底正面的电流阻挡层、第二半导体层、第一半导体层和钝化层，所述第一半导体层和/或第二半导体层内分布有二维电子气沟道，所述源极与第一半导体层电连接，所述栅极设置在所述钝化层上，所述漏极设置在所述衬底背面，其中所述电流阻挡层采用高阻GaN层，且所述高阻GaN层中于位于栅极下方的区域内分布有Si离子注入形成的n型重掺杂电流导通通孔。
进一步的，所述第一半导体层、第二半导体层之间还分布有AlN层。
进一步的，所述第一半导体层和/或第二半导体层与AlN层的界面处分布有所述二维电子气沟道。
优选的，所述AlN层的厚度为1-5nm。
进一步的，所述高阻GaN层采用C或者Fe掺杂而形成高阻，且掺杂浓度n≤2e16cm-3。
进一步的，所述电流阻挡层与第二半导体层之间还设有C掺杂GaN中和层。
优选的，所述C掺杂GaN中和层的厚度为1-10nm。
进一步的，所述衬底材料包括GaN或ZnO衬底，但不限于此。
优选的，所述高阻GaN层的厚度为＞100nm而≤10μm。
优选的，所述n型重掺杂电流导通通孔的孔径为＞10nm而＜100μm。
优选的，用以形成所述n型重掺杂电流导通通孔的Si离子注入能量为≥10KeV而＜1000KeV，注入剂量为1012-1016/cm2。
进一步的，所述钝化层的材质包括Al2O3、氮化硅或HfO2，但不限于此。
进一步的，所述第二半导体层采用本征GaN层。
优选的，所述本征GaN层的厚度≤200nm。
进一步的，所述第一半导体层采用本征AlGaN层。
进一步的，在本发明的AlGaN/GaN HEMT中，所述导通通孔孔径Lap，栅、源之间距离Lgs，以及栅极扩充距离Lgo的大小均是可变的。
所述垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件的制作方法包括：
在衬底正面一次外延生长电流阻挡层，并在电流阻挡层的选定区域通过Si离子注入而形成n型重掺杂电流导通通孔；
在所述电流阻挡层上二次外延形成C掺杂GaN中和层、本征GaN层、AlN层以及本征AlGaN层；
在所述衬底背面及本征AlGaN层上分别设置漏极和源极；
以及，在本征AlGaN层上形成钝化层，并在钝化层上设置栅极。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
(1)本发明采用新型的垂直结构，利用高阻GaN作为电流阻挡层，并采用Si离子注入到高阻GaN形成导通通孔，实现了栅控的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件；
(2)本发明采用不同剂量和能量的Si离子注入可以控制注入深度和掺杂浓度，更有效的实现导通通孔的低的电阻率，以达到栅控的开态与关断；
(3)本发明采用厚度为数百纳米到数微米的高阻GaN作为电流阻挡层的同时，还可以有效消除p掺杂的扩散对二维电子气浓度的影响，并可以增强垂直结构AlGaN/GaN HEMT的耐压特性，对现有垂直结构AlGaN\GaN HEMT耐压特性有很好地改观；
(4)本发明在电流阻挡层上方采用厚约1-10nm的C掺杂GaN中和层(亦可认为是C掺杂GaN层Si原子扩散阻挡层)，可以有效抑制在二次外延过程中Si原子扩散对二维电子气浓度的影响。
附图说明
图1是本发明一具体实施方案之中第一次外延后高阻GaN层的剖面图；
图2是本发明一具体实施方案之中通过Si离子注入实现电流导通通孔的剖面图；
图3是本发明一典型实施方案之中利用高阻GaN作为电流阻挡层通过Si离子注入实现电流导通通孔的一种垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件的剖面图；
图4是本发明一典型实施方案之中利用高阻GaN作为电流阻挡层通过Si离子注入实现电流导通通孔的一种垂直结构AlGaN/GaN HEMT的制作工艺流程图；
附图标记说明：漏极1、GaN衬底2、高阻GaN3、Si离子注入形成导通通孔4、C掺杂GaN5、本征GaN层6、AlN层7、二维电子气沟道8、本征AlGaN层9、钝化层10、源极11、栅极12。
具体实施方式
如前所述，鉴于现有技术存在的诸多不足，本发明利用高阻GaN作为电流阻挡层同时采用Si离子注入形成电流导通通孔而实现了一种新型的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件的制作方法，其可以替代传统的P-GaN提高势垒高度和Al离子注入形成类似绝缘层作为电流阻挡层的方法，并克服了其缺陷。
具体而言，在一较为具体的实施方案之中，本发明是这样实现的：
该垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件包括漏极、衬底、高阻GaN层、Si离子注入导通通孔、C掺杂GaN层、本征GaN层、AlN层、二维电子气沟道、本征AlGaN层、介质钝化层、源极、以及栅极等，其中，通过在GaN衬底上通过MOCVD一次外延生长高阻GaN作为电流阻挡层，在电流阻挡层小孔区域通过Si离子注入实现n型重掺杂形成电流导通通孔，所述的C掺杂GaN层是为了能够中和残留在表面的Si离子，从而防止其在二次外延过程中扩散到上面的外延层；C掺杂GaN层、本征GaN层、AlN层以及本征AlGaN层都是利用MOCVD二次外延形成的，AlN层一方面可以增加AlGaN/GaN界面处的极化效应，另一方面可以抑制Si原子在界面处的扩散，进而提高界面处的二维电子气浓度并在这结构上形成源极和漏极；以及，在沉积钝化层后制作栅极。
进一步的，所述垂直结构AlGaN/GaN HEMT的原理是：当器件处于导通状态下，电子从源极沿着二维电子气沟道传输，当电子传输到Si离子注入电流导通通孔(如下简称“导通通孔”)上方时，由于导通通孔电阻率较低电子从二维电子气沟道转向导通通孔传输，到达漏极，当栅压小于阈值电压时，栅极下方的二维电子气耗尽，电子传输被阻挡，这时器件处于关态而不导通。
进一步的，所述垂直结构AlGaN/GaN HEMT使电子从源极沿着垂直方向到达漏极，同时还必须满足栅极控制器件的开态与关断，籍以通过将电子传输限制在一个小孔(即“导通通孔”)中以及将栅极设置在导通通孔上方，从而控制孔上方的二维电子气的耗尽和传输。为此，必须有一个很好的电流阻挡层，能够保证电子沿着小孔传输而在其它区域无漏电现象，同时小孔的电导率必须大于二维电子气，如此才能使整个器件的开态与关断达到一个栅极控制，因此，在该器件中对于电流阻挡层和导通通孔有着严格的要求。
进一步的，与现有技术中采用p-GaN(包括Mg离子注入和Mg掺杂)提高电流阻挡层的势垒高度，或者通过Al离子注入形成类似绝缘层而对电流产生阻挡作用的方式相比，本发明采用高阻GaN作为电流阻挡层，既可以提高器件的耐压性能，且高阻GaN对于电流阻挡也具有很大的作用，同时采用Si离子注入还可使高阻GaN得到n型掺杂，使导通通孔范围内的n型掺杂浓度提高进而使电阻率下降，满足了电子传输，同时未被Si离子注入的区域可以作为性能良好的电流阻挡层。
进一步的，所述垂直结构AlGaN/GaN HEMT的器件结构中选择了C掺杂的GaN层作为中和层而中和二次外延表面的Si残留，防止其扩散到二次外延结构中而影响二维电子气浓度。
进一步的，所述垂直结构AlGaN/GaN HEMT的器件结构中，AlN层一方面可增加AlGaN/GaN极化，另一方面可抑制Si原子在界面处的扩散，进而提高AlGaN/GaN的二维电子气浓度。
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面将结合附图及实施例对本发明的内容做进一步说明。
参阅图1，在本发明的一较为具体的实施方案之中，首先在GaN衬底上通过MOCVD进行同质外延生长高阻GaN层2，并在几乎没有晶格适配和热失配的情况下，获得晶体质量好且对电流阻挡作用较强的高阻GaN层2。
参阅图2，在本发明的一较为具体的实施方案之中，系在高阻GaN层上通过NV-GSD-HE离子注入机引出Si离子束流，并通过调节Si离子注入的剂量和能量，使Si离子注入到利用光刻显现出来的小孔区域，对高阻GaN层进行n型掺杂获得一个电阻率较低的导通通孔4，作为电流在垂直方向传输的导通沟道。
参阅图3，在本发明的一较为典型的实施方案中，利用高阻GaN层作为电流阻挡层(Currentblocking layer)CBL，通过Si离子注入形成导通通孔实现垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件结构，所述结构包括漏极1、衬底2、高阻GaN层3、Si离子注入导通通孔4、C掺杂GaN层5、本征GaN层6、AlN层7、二维电子气沟道8、本征AlGaN层9、介质钝化层10、源极11、以及栅极12等，在GaN衬底上通过MOCVD一次外延生长高阻GaN 2作为电流阻挡层，在电流阻挡层小孔区域通过Si离子注入实现n型重掺杂电流导通通孔4、C掺杂GaN层5、本征GaN层6、AlN层7以及本征AlGaN层9都是利用MOCVD二次外延形成的，其中，所述C掺杂GaN层5是为了能够中和残留在表面的Si离子，从而防止其在二次外延过程中扩散到上面的外延层，AlN层一方面可以增加AlGaN/GaN界面处的极化效应，另一方面可以抑制Si原子在界面处的扩散，进而提高界面处的二维电子气浓度并在这结构上形成源极和漏极，沉积钝化层后制作栅极。
实施例1请参阅图4所示为本发明器件的典型制作工艺的流程图，但本发明并不限于附图及如下实施例所阐述的内容，其仅仅是利用高阻GaN作为电流阻挡层通过Si离子注入实现导通通孔的垂直结构的典型的示例性实施例。
本实施例涉及一种利用高阻GaN作为CBL通过Si离子注入形成导通通孔实现垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其包括如下步骤：
(1)首先利用MOCVD外延生长几百纳米到几微米范围内的高阻GaN层2，从MOCVD腔室取出以后利用有机溶液进行清洗并用高纯氮气进行吹洗，见附图1。
(2)对清洗干净的高阻GaN外延片进行光刻显影，光刻胶采用AZ5214，曝光时间为6.5s，显影时间为50s-60s，形成一个Si离子注入窗口。
(3)对通过光刻形成离子注入窗口的外延片利用离子注入机引出Si束流调节Si离子的注入能量和剂量，完成Si离子注入，使Si能够在高阻GaN实现有效的掺杂，形成一个相对于高阻GaN电阻率低的小孔4，见图2。
(4)对完成Si离子注入外延片，首先进行有机清洗，在进行二次外延生长前放入200℃烘箱中烘2小时后除去表面水份以及杂质。
(5)在进行二次外延过程中，样品放入生长腔室，首先MOCVD升温到1160℃对Si离子注入进行退火使受损的晶格有一定的恢复，然后进行生长C掺杂GaN中和层5、本征GaN层6、AlN层7以及本征AlGaN层9。
(6)对外延生长完的垂直结构AlGaN/GaN外延片首先进行有机溶液清洗，用去离子水冲洗并用高纯氮气吹扫干净，然后利用LPCVD或者PECVD沉积SiNx等钝化层10。
(7)对沉积完SiNx钝化层10的垂直结构AlGaN/GaN HEMT外延片进行光刻和刻蚀，形成源极区11，放入电子束沉积台沉积欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au(20nm/130/nm/50nm/150nm)并并行剥离清洗。
(8)对利用电子束沉积源极欧姆接触后对衬底背面沉积漏极欧姆接触12，同样利用电子束沉积Ti/Al/Ni/Au(20nm/130/nm/50nm/150nm)及并行剥离清洗，沉积完以后对样品进行890℃30s欧姆接触退火。
(9)样品退火完以后，进行光刻和显影，利用光刻胶掩膜对有源区进行保护，F注入隔离形成器件隔离。
(10)台面隔离完成以后，进行清洗光刻形成栅极区1，同样利用电子束沉积Ni/Au(50/250nm)进行剥离，在氮气气氛下400℃10min退火形成肖特基接触完成整个器件的制作，见图3。
该垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件的工作原理是：当栅极电压大于阈值电压时，电子从源极11沿着AlGaN层9/GaN层6界面处的二维电子气沟道8传输，当传输到导通通孔4上方时，由于导通通孔的电阻率较低，电子会在垂直方向上沿着导通通孔传输，最后达到漏极1，由于导通通孔旁边为高阻GaN对电子有很强的电流阻挡作用，所以大部分电子会沿着导通通孔传输，这样垂直结构AlGaN/GaN HEMT处于开态状态下；当栅极电压小于阈值电压时，栅极下的二维电子气被耗尽，无法进行电子在二维电子气沟道的传输，也就无法使电子在导通通孔的垂直方向传输，这样垂直结构AlGaN/GaN HEMT处于关态状态下，通过调节导通通孔大小Lap、源栅之间距离Lgs以及栅极扩充距离Lgo大小可以实现不同栅控器件特性的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件。
藉由本发明的器件设计，可以有效抑制水平结构AlGaN/GaN HEMT所存在的电流崩坍等问题，同时通过Si离子注入和高阻GaN作为电流阻挡层有效提高了垂直结构AlGaN/GaNHEMT器件特性以及高耐压的需求，很好的克服了现有垂直结构Mg注入或者Al注入带来的晶格损伤以及Mg掺杂刻蚀后形成小孔二次外延难等问题。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1. 一种垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，包括衬底、外延结构以及源、漏、栅极，所述外延结构包括依次形成在所述衬底正面的电流阻挡层、第二半导体层、第一半导体层和钝化层，所述第一半导体层和/或第二半导体层内分布有二维电子气沟道，所述源极与第一半导体层电连接，所述栅极设置在所述钝化层上，所述漏极设置在所述衬底背面，其特征在于所述电流阻挡层采用高阻GaN层，且所述高阻GaN层中于位于栅极下方的区域内分布有Si离子注入形成的n型重掺杂电流导通通孔。
2. 根据权利要求1所述的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于所述第一半导体层、第二半导体层之间还分布有厚度为1-5nm的AlN层，且第一半导体层和/或第二半导体层与AlN层的界面处分布有所述二维电子气沟道。
3. 根据权利要求1所述的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于所述高阻GaN层采用C或者Fe掺杂而形成高阻，且掺杂浓度n≤2e16 cm-3。
4. 根据权利要求1所述的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于所述电流阻挡层与第二半导体层之间还设有C掺杂GaN中和层，所述C掺杂GaN中和层的厚度为1-10nm。
5. 根据权利要求1或3所述的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于所述高阻GaN层的厚度为＞100nm而≤10μm。
6. 根据权利要求1所述的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于所述n型重掺杂电流导通通孔的孔径为＞10nm而＜100μm。
7. 根据权利要求1或6所述的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于用以形成所述n型重掺杂电流导通通孔的Si离子注入能量为≥10KeV而＜1000KeV，注入剂量为1012-1016/cm2。
8. 根据权利要求1所述的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于所述衬底材料包括GaN或ZnO衬底，所述钝化层的材质包括Al2O3、氮化硅或HfO2。
9. 根据权利要求1所述的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于所述第二半导体层采用本征GaN层，且所述本征GaN层的厚度≤200nm，所述第一半导体层采用本征AlGaN层。
10. 权利要求1-9中任一项所述垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件的制作方法，其特征在于包括：
在衬底正面一次外延生长电流阻挡层，并在电流阻挡层的选定区域通过Si离子注入而形成n型重掺杂电流导通通孔；
在所述电流阻挡层上二次外延形成C掺杂GaN中和层、本征GaN层、AlN层以及本征AlGaN层；
在所述衬底背面及本征AlGaN层上分别设置漏极和源极；
以及，在本征AlGaN层上形成钝化层，并在钝化层上设置栅极。
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