CN105118830A - 一种集成sbd的增强型hemt - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体的说涉及一种集成SBD的增强型HEMT。本发明中源极为肖特基接触而非一般器件的欧姆接触，且源极分为两部分，一部分由源极金属形成，用以提供较高的电压阻断能力，另一部分由金属形成，用以提供更好的电流输运能力并且减低栅介质之下宽禁带半导体形成反型层所要求的栅极电压，并且提高稳定性，同时降低实现难度，另外当源极电压为正，漏极电压为负时器件构成一个SBD，具有整流能力，当器件在感性负载电路中应用时，在关断瞬间使感性负载中反向电流从集成的SBD通路得到泄放，保护了器件和整个电路安全，提高了器件和电路稳定性。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体的说涉及一种集成SBD(肖特基二极管)的增强型HEMT(高电子迁移率晶体管)。
背景技术
III-V族化合物半导体氮化镓(GaN)作为化合物半导体的典型代表，已经成为最具前景的第三代半导体之一。GaN具有许多优良的电学特性，如：具有高电子迁移率、高的二维电子气(2DEG)浓度等。另外，氮化镓(GaN)材料化学性质稳定、耐高温、抗腐蚀，在高频、大功率、抗辐射应用领域具有先天优势，因此在最近十几年得到迅速发展。
在实现器件增强型功能方面，P型帽层结构、凹槽栅结构、F离子注入技术等技术正在被研究者研究。除此之外，最近，文献Yuan,L.,Chen,H.,&Chen,K.J.(2011).“Normallyoffalgan/ganmetal–2degtunnel-junctionfield-effecttransistors.”IEEEElectronDeviceLetters,32,303–305报道了一种金属-2DEG隧穿结结构和利用这种具有反向阻断能力的隧穿结形成的增强型HEMT器件。但是这种HEMT器件工艺精度要求高，很难在一般工艺线上实现。
另外，公开号为CN102881716A的中国专利公开了一种利用肖特基接触源极的反向阻断能力形成的隧穿增强型HEMT.然而此器件的肖特基源极金属在实际中为形成更好的电流输运能力往往选用功函数较低的金属或合金，这样极大降低了器件的耐压能力。加之此器件单纯的HEMT用途也阻碍了其更广泛的应用。目前诸多增强型实现方法各有缺陷，因此新的增强型实现方法是相关研究的热点。
除此之外，仍有许多问题阻碍GaN器件、电路的发展，如难以实现更加优良性能的增强型器件、简单集成化器件发展缓慢、器件功能单一且性能各有侧重但很难均衡等等。与此同时，Si材料器件的研究已经在相关方面有了一些突破。如专利CN102931216-A公开了一种在Si材料IGBT中集成SBD的新器件，美国专利US5360984-A公开了一种Si材料IGBT功率整流器中集成纵向二极管的新器件。在Si材料中的研究拓展了器件应用范围，整合了诸多单一器件的优点，这种思路对GaN器件的研究方向有启发作用。
因此，如何利用III-N化合物三元固溶体和GaN形成的异质结结构设计性能更优良、同时在单器件中实现简单集成电路功能是目前的一个热门研究方向。国际上的研究者对相关研究投入了极大兴趣，如文献Bahat-TreidelE,LossyR,WurflJ,etal.AlGaN/GaNHEMTWithIntegratedRecessedSchottky-DrainProtectionDiode[J].ElectronDeviceLettersIEEE,2009,30(9):901-903.报道了一种集成保护二极管的HEMT器件。最近，国际会议27thInternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevices&IC's中的文献IntegratedReverse-DiodesforGaN-HEMTStructures报道了一种集成反向SBD的GaNHEMT器件。
这些探索刚刚起步，如何应对GaN器件发展中的阻碍，更大地挖掘材料性能，开发出新型器件是迫切需要的。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种集成SBD的增强型HEMT。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种集成SBD的增强型HEMT，如图1所示，包括衬底1、位于衬底上表面的缓冲层2和位于缓冲层2上表面的势垒层3，所述缓冲层2与势垒层3形成异质结；所述势垒层3上层一侧具有与其形成欧姆接触的漏极金属8，其另一侧具有凹槽栅结构，所述凹槽栅结构由栅介质5和位于栅介质5中的栅极金属4构成；所述栅介质5的横截面图为U型凹槽，其底部嵌入缓冲层2中；其特征在于，与栅介质5连接的势垒层3上层具有源极金属6，所述源极金属6与势垒层形成肖特基接触，所述栅介质5覆盖在源极金属6上表面；与源极金属6连接的势垒层3上表面具有金属7，所述金属7与势垒层3形成肖特基接触；所述源极金属6与金属7电气连接，所述源极金属6、金属7与漏极金属8和势垒层3形成集成SBD。
本发明总的技术方案，本发明中源极(S)为肖特基接触而非一般器件的欧姆接触，且源极分为两部分，一部分由源极金属6形成，用以提供更好的电流输运能力并且减低栅介质之下宽禁带半导体形成反型层所要求的栅极电压，并且提高稳定性，同时降低实现难度，另外当源极电压为正，漏极电压为负时器件构成一个SBD(等效电路如图3)，具有整流能力；另一部分由金属7形成，用以提供较高的电压阻断能力。当器件在感性负载电路中应用时，在关断瞬间使感性负载中反向电流从集成的SBD通路得到泄放，保护了器件和整个电路安全，提高了器件和电路稳定性。在本器件弥补了GaN器件和Si器件如集成反向续流二极管的IGBT之间的差距，在感性负载电路中能得到广泛应用。
进一步的，所述金属7的功函数大于漏极金属6的功函数，所述金属7为金或铂等功函数大于5eV的金属或合金，所述源极金属6为钛等功函数小于5eV的金属和合金。
上述方案中，在靠近漏极一侧采用功函数大于5eV的金属形成肖特基接触，使器件在阻断高电压时，能有效分散源极下的电场集中，承受大部分电压，减小反向泄露电流从而提高了本器件耐压能力。同时在泄放反向电流的工作状态中，双肖特基金属同时工作，增强了集成SBD对电流的泄放能力，进一步提高了器件和电路稳定性。
进一步的，所述缓冲层2采用的材料为GaN，所述势垒层3采用的材料为AlGaN。
进一步的，所述缓冲层2采用的材料为GaN，所述势垒层3采用的材料为III族元素In、Al与N元素形成三元合金。
进一步的，所述栅介质5采用的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO、HfO2或Sc2O3。
进一步的，所述金属7为金或铂等功函数大于5eV的金属或合金，所述源极金属6为钛等功函数小于5eV的金属和合金。
进一步的，所述源极金属6与GaN之间的AlGaN厚度为3-20nm。
本发明的有益效果为，使器件具有反向整流性能，当器件截止后若电路产生大反向电流则集成SBD可以对电流进行泄放，保护器件和电路，在感性负载电路等环境中能得到广泛应用，同时具有较高阻断电压的性能，能在高频、微波领域广泛应用。
附图说明
图1为本发明公布的器件结构示意图；
图2为一般耗尽型HEMT结构示意图；
图3为本发明公布的器件等效电路图；
图4为栅压为0V时栅附近电子分布图；
图5为栅压为6V时栅附近电子分布图；
图6为本发明公布的器件转移特性曲线仿真结果；
图7为本发明公布的器件输出特性曲线仿真结果；
图8为本发明公布的器件正向阻断电压击穿曲线仿真结果；
图9为本发明公布的器件正向耐压时源极附近电场强度分布；
图10为本发明公布的器件反向整流特性曲线仿真结果；
图11为本发明的器件制作工艺流程中在异质结材料上形成欧姆接触漏极和功函数大于5eV部分的肖特基接触源极后结构示意图；
图12本发明的器件制作工艺流程中利用自对准技术刻蚀一部分AlGaN层后结构示意图；
图13为在刻蚀后的AlGaN层表面形成两部分源极中相对较低功函数部分的肖特基接触源极后结构示意图；
图14为本发明的器件制作工艺流程中再次利用自对准技术刻蚀凹槽栅结构并形成栅介质后结构示意图；
图15为本发明的器件制作工艺流程中形成栅极金属后结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明根据MOS结构在栅极电压调制下使半导体层表面形成强反型层同时调制肖特基接触势垒厚度，使源极电子更易隧穿的原理，利用自对准工艺形成凹槽栅，以及不同功函数金属淀积技术，实现了一种增强型的集成肖特基势垒二极管(SBD)的AlGaN/GaNHEMT器件。
本发明的一种集成SBD的增强型HEMT，如图1所示，包括衬底1、位于衬底上表面的缓冲层2和位于缓冲层2上表面的势垒层3，所述缓冲层2与势垒层3形成异质结；所述势垒层3上层一侧具有与其形成欧姆接触的漏极金属8，其另一侧具有凹槽栅结构，所述凹槽栅结构由栅介质5和位于栅介质5中的栅极金属4构成；所述栅介质5的横截面图为U型凹槽，其底部嵌入缓冲层2中；其特征在于，与栅介质5连接的势垒层3上层具有源极金属6，所述源极金属6与势垒层形成肖特基接触，所述栅介质5覆盖在源极金属6上表面；与源极金属6连接的势垒层3上表面具有金属7，所述金属7与势垒层3形成肖特基接触；所述源极金属6与金属7电气连接，所述源极金属6、金属7与漏极金属8和势垒层3形成集成SBD。
本发明提供的一种集成SBD的增强型HEMT器件，与常规HEMT器件(如图2)不同的是：
1、本发明中源极(S)为肖特基接触而非一般器件的欧姆接触，且源极分为两部分，一部分由功函数大于5eV的金属如金形成，用以提供较高的电压阻断能力，另一部分由功函数较低的，一般小于5eV的金属如Ti或金属合金形成，用以提供更好的电流输运能力并且减低栅介质之下宽禁带半导体形成反型层所要求的栅极电压，并且提高稳定性，同时降低实现难度，另外当源极电压为正，漏极电压为负时器件构成一个SBD，具有整流能力，器件等效电路如图3所示，当器件在感性负载电路中应用时，在关断瞬间使感性负载中反向电流从集成的SBD通路得到泄放，保护了器件和整个电路安全，提高了器件和电路稳定性，因此在本器件弥补了GaN器件和Si器件如集成反向续流二极管的IGBT之间的差距，在感性负载电路中能得到广泛应用。
2、栅极(G)不再位于源极和漏极(D)之间而是通过凹槽栅技术在紧挨源极一侧形成凹槽MOS结构，在栅极正向偏压时，之下的半导体形成强反型层使肖特基结和2DEG之间导通，同时正栅压降低了肖特基结势垒宽度，有效降低反型层中的电子通过隧穿效应注入源极金属所需要的能量，在漏极正电压的推动下，反型层中的电子注入肖特基金属中，实现器件正向开启，极大提高电流输运能力。
3、本器件由于在靠近漏极一侧采用功函数大于5eV的金属形成肖特基接触，使器件在阻断高电压时，能有效分散源极下的电场集中，降低器件反向泄漏电流，极大提高器件耐压能力。同时在泄放反向电流的工作状态中，双肖特基金属同时工作，增强了集成SBD对电流的泄放能力，进一步提高了器件和电路稳定性。
在本发明中，GaN异质结以AlGaN/GaN为例，异质结界面由于极化效应形成高浓度2DEG，这种2DEG是器件电流输运通道，一般HEMT器件由于源极漏极均为欧姆接触，2DEG沟道常开，因此是耗尽型器件。本发明设计了凹槽栅极结构，并利用肖特基接触的反向阻断能力形成增强型器件，通过升高栅极电压，栅介质下的半导体形成强反型，并使两部分源极中相对较低功函数的金属形成的肖特基接触势垒降低，实现电流导通，如图4、图5所示，其中图4是栅极未加电压时栅附近电子分布、图5是栅极电压为6V时栅附近电子分布。
利用仿真软件Sentaurus对器件进行建模并对器件电特性进行仿真。在本仿真中，漏极长1um，源极由1um功函数小于5eV的金属合金和1um金属Au共同形成的肖特基接触形成，两部分源极电气连接，源漏之间6um。AlGaN势垒层厚24nm，GaN层厚3.5um，对此两层进行有效掺杂浓度为5×1015cm-3的n型掺杂。为了更合理地模拟实际器件，仿真中对AlGaN层和GaN层引入了1016cm-3数量级的受主型陷阱。考虑到软件限制，为了增加仿真收敛性和仿真简易度，在仿真中只保留了部分凹槽栅结构。由于本发明的工作原理主要地和此保留部分的栅结构有关，因此这种近似是科学的。
从图4、图5可以看出，器件在MOS栅结构的电压调制下实现了沟道的强反型转换，进一步实现了器件的常关型性能。
图6、图7分别是器件转移特性仿真结果曲线、器件输出特性仿真结果曲线。由图可以看出器件在适当的正向电压下能实现优秀的增强型HEMT器件性能，器件电流输运能力很强，且具有较高跨导。
图8是器件正向阻断电压仿真结果曲线的半对数坐标图。由图中可看出，按1uA/mm漏电为击穿节点算，本发明耐压能力达到300V左右。
图9是本发明公布的器件正向耐压时源极附近电场强度分布，可见本器件在正向耐压时，源极功函数大于5eV的金属部分能承受大部分电压，有效地使两部分源极中相对较低功函数金属部分承受的电压减小，减小了漏电，提高了本器件耐压能力。特别地，考虑到仿真收敛性问题以及真实器件的实现结构，并为了简化仿真难度，在本仿真中添加了钝化层。
图10是本发明公布的器件反向整流特性曲线仿真结果。由图可以看出，当栅极电压、漏极电压均为0V时，在源极正电压不断升高的过程中，器件实现整流能力。
仿真结果表明，本发明所公开的HEMT器件不仅具有优秀的增强型器件性能，还具有能承受很高的阻断电压的性能。另外，本器件设计并实现了HEMT器件源漏极之间集成SBD，使器件在反向电压作用下能够实现正常的SBD整流性能，因此可以应用于感性负载电路等多种特定场合。
本发明的器件的一种制造方法为：
1.首先形成异质结以及在其上形成欧姆接触漏极和功函数大于5eV金属部分的肖特基接触源极，如图11所示；
2.利用自对准技术刻蚀一部分AlGaN层，如图12所示；
3.在刻蚀后的AlGaN层表面形成两部分源极中相对较低功函数部分的肖特基接触源极并保证两部分源极金属相连，如图13所示；
4.再次利用自对准技术刻蚀凹槽栅结构并在其后形成栅介质，如图14所示；
5.形成栅极金属，如图15所示。
Claims (8)
1.一种集成SBD的增强型HEMT，包括衬底(1)、位于衬底上表面的缓冲层(2)和位于缓冲层(2)上表面的势垒层(3)，所述缓冲层(2)与势垒层(3)形成异质结；所述势垒层(3)上层一侧具有与其形成欧姆接触的漏极金属(8)，其另一侧具有凹槽栅结构，所述凹槽栅结构由栅介质(5)和位于栅介质(5)中的栅极金属(4)构成；所述栅介质(5)的横截面为U型，其底部嵌入缓冲层(2)中；其特征在于，与栅介质(5)连接的势垒层(3)上层具有源极金属(6)，所述源极金属(6)与势垒层形成肖特基接触，所述栅介质(5)覆盖在源极金属(6)上表面；与源极金属(6)连接的势垒层(3)上表面具有金属(7)，所述金属(7)与势垒层(3)形成肖特基接触；所述源极金属(6)与金属(7)电气连接，所述源极金属(6)、金属(7)与漏极金属(8)和势垒层(3)形成SBD。
2.根据权利要求1所述的一种集成SBD的增强型HEMT，其特征在于，所述金属(7)的功函数大于漏极金属(6)的功函数。
3.根据权利要求2所述的一种集成SBD的增强型HEMT，其特征在于，所述金属(7)为功函数大于5eV的金属或合金，所述漏极金属(6)为功函数小于5eV的金属或合金。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种集成SBD的增强型HEMT，其特征在于，所述缓冲层(2)采用的材料为GaN，所述势垒层(3)采用的材料为AlGaN。
5.根据权利要求1～3任意一项所述的一种集成SBD的增强型HEMT，其特征在于，所述缓冲层(2)采用的材料为GaN，所述势垒层(3)采用的材料为III族元素In、Al与N元素形成三元合金。
6.根据权利要求4所述的一种集成SBD的增强型HEMT，其特征在于，所述栅介质(5)采用的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO、HfO2或Sc2O3。
7.根据权利要求6所述的一种集成SBD的增强型HEMT，其特征在于，所述源极金属(6)与GaN之间的AlGaN厚度为3-20nm。
8.根据权利要求7所述的一种集成SBD的增强型HEMT，其特征在于，所述金属(7)为金或铂，所述源极金属(6)为钛。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |