CN106449747A - 一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体功率器件制备技术领域，特别涉及一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管。本发明主要是针对高效功率开关器件的主要性能指标(导通电阻、漏极开启电压、反向耐压、功耗)，提出了具有混合漏极的氮化镓新器件结构。本发明所提出的增强型AlGaN/GaN HEMT器件具有高反向阻断能力、低漏极开启电压、低导通电阻和低功耗等优点，尤其适用于双向开关中。
Description
技术领域
本发明属于半导体功率器件技术领域，特别涉及一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管。
背景技术
具有双向传导电流和阻断电压特性的双向开关广泛应用于电机驱动、航空器、交流电源装置、船舶电力推进和电动汽车之中。传统的双向开关是由两个反向串联的绝缘栅双极晶体管(IGBT)和两个功率二极管组成，结构类似于图1(a)，在这样的结构中，电流将流经两个会不同的器件，较长的电流通路将导致较大的导通压降，进而会使双向开关具有较高的功率损耗。为了减小双向开关的导通损耗，提高系统效率，近几年提出了基于逆阻型器件的双向开关，例如基于逆阻型绝缘栅双极晶体管(RB-IGBT)的双向开关，基于逆阻型器件的双向开关结构图类似于图1(b)，在这种新的双向开关中电流只经过一个器件，较短的电流通路使得双向开关具有较小的导通电压和和较低的导通损耗。
氮化镓是第三代宽禁带半导体的代表之一，正受到人们的广泛关注，其优越的性能主要表现在：高的临界击穿电场(～3.5×106V/cm)、高电子迁移率(～2000cm2/V·s)、高的二维电子气(2DEG)浓度(～1013cm-2)、高的高温工作能力。GaN材料的禁带宽度高达3.4eV，3倍于Si材料的禁带宽度，2.5倍于GaAs材料，半导体材料的本征载流子浓度随禁带宽度和温度的增加而呈指数增长，因此，在一定的温度范围内，其半导体材料禁带宽度越大，便拥有越小的本征载流子浓度，这可以使器件具有非常低的泄漏电流。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。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)(或异质结场效应晶体管HFET，调制掺杂场效应晶体管MODFET)在半导体领域已经取得广泛应用。该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，因此可以满足系统对半导体器件更大功率、更高频率、更小体积工作的要求。
近年来，为实现低功耗高能效的双向开关，研究人员提出了GaN逆导型HEMT器件(RC-MISHEMT)，但是从上面的分析可知，基于逆导型器件的双向开关具有较大的导通压降和导通损耗。为了进一步减小双向导通电压和导通损耗，提高开关转换效率，采用具有反向阻断能力的GaN高电子迁移率晶体管的开关器件是非常有必要的。因此，本发明提出了具有混合漏极的氮化镓逆阻型高电子迁移率晶体管的新器件结构，其结构如图2所示，该增强型AlGaN/GaN HEMT器件具有高反向阻断能力、低漏极开启电压、导通电阻和低功耗等优点，基于该逆阻型器件的双向开关相比于基于逆导型器件的双向开关具有较大的优势。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对高效功率开关器件的主要性能指标(导通电阻、漏极开启电压、反向耐压、功耗)，提出了具有混合漏极的氮化镓新器件结构。本发明所提出的增强型AlGaN/GaN HEMT器件具有高反向阻断能力、低漏极开启电压、低导通电阻和低功耗等优点，尤其适用于双向开关中。
本发明的技术方案是：一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2和MGaN层3，所述GaN层2和MGaN层3形成异质结；所述MGaN层3上层两端分别具有源极结构和漏极结构，在源极结构和漏极结构之间的MGaN层3上层具有栅极结构；所述栅极结构包括绝缘栅介质5和金属栅电极6，所述MGaN层3上层具有第一凹槽4，绝缘栅介质5位于第一凹槽4的底部和侧壁，且绝缘栅介质5沿MGaN层3上表面向两侧延伸至源极结构和漏极结构接触，所述金属栅电极6位于第一凹槽4中；所述源极结构为嵌入MGaN层3上层且形成欧姆接触的金属源电极7；所述漏极结构包括欧姆接触8与金属9，且金属9位于靠近栅极结构的一侧；所述金属9位于第二凹槽10中，且第二凹槽10的底部和侧壁具有绝缘栅介质5，所述欧姆接触8与金属9并列设置，且欧姆接触8的侧面与第二凹槽10的侧壁连接，所述欧姆接触8与金属9之间电气连接；所述MGaN层3中的M元素为除Ga之外的Ⅲ族元素。
进一步的，所述绝缘栅介质5采用的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO、HfO2或Sc2O3。
本发明的有益效果为，相对于传统结构，本发明的器件具有高反向阻断能力、低漏极开启电压、导通电阻和低功耗等优点，本发明尤其适用于矩阵变化器中，同时本发明的器件与传统AlGaN/GaN HEMT器件工艺兼容。
附图说明
图1为传统双向开关结构示意图，其中，(a)为串联型，(b)为并联型；
图2为本发明的器件结构示意图；
图3为本发明的器件工作原理示意图；
图4为本发明的器件工作原理示意图；
图5为本发明器件输出特性曲线示意图；
图6为本发明器件阻断特性曲线示意图；
图7为本发明器件的反向阻断电压(RBV)、导通电阻(RON)、漏极开启电压(VT)与混合漏极下方势垒层厚度(TMD)之间的关系曲线示意图；
图8为本发明器件制造工艺流程中衬底示意图；
图9为本发明器件制造工艺流程中源极欧姆接触和混合漏极中的欧姆接触后结构示意图；
图10为本发明器件制造工艺流程中刻蚀MGaN形成第一凹槽和第二凹槽后结构示意图；
图11为本发明器件制造工艺流程中淀积绝缘层后结构示意图；
图12为本发明器件制造工艺流程中淀积绝缘栅上的金属和混合漏极绝缘层上的金属后结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
如图2所示，本发明的一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2和MGaN层3，所述GaN层2和MGaN层3形成异质结；所述MGaN层3上层两端分别具有源极结构和漏极结构，在源极结构和漏极结构之间的MGaN层3上层具有栅极结构；所述栅极结构包括绝缘栅介质5和金属栅电极6，所述MGaN层3上层具有第一凹槽4，绝缘栅介质5位于第一凹槽4的底部和侧壁，且绝缘栅介质5沿MGaN层3上表面向两侧延伸至源极结构和漏极结构接触，所述金属栅电极6位于第一凹槽4中；所述源极结构为嵌入MGaN层3上层且形成欧姆接触的金属源电极7；所述漏极结构包括欧姆接触8与金属9，且金属9位于靠近栅极结构的一侧；所述金属9位于第二凹槽10中，且第二凹槽10的底部和侧壁具有绝缘栅介质5，所述欧姆接触8与金属9并列设置，且欧姆接触8的侧面与第二凹槽10的侧壁连接，所述欧姆接触8与金属9之间电气连接；所述MGaN层3中的M元素为除Ga之外的Ⅲ族元素。
传统的具有肖特基漏极的逆阻型器件由于异质结势垒和肖特基势垒的存在，使得器件具有较大的开启电压和较大的导通压降。本发明提出了一种新型的逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管((GaN RB-MISHEMT)如图2所示)，本发明在氮化镓高电子迁移率晶体管的漏极欧姆接触电极与栅极之间引入肖特基金属/绝缘介质/半导体凹槽MIS结构，该结构与漏极欧姆接触短接形成混合漏极。混合漏极的开启电压由混合漏极中凹槽MIS结构下方的二维电子气决定，这样可以使逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管在具有较小的反向泄漏电流IR和较低的漏极开启电压VT的同时，还可以实现较低的导通电阻RON。此外，导通电阻RON、漏电流IR和漏极开启电压VT均是可由混合漏极控制，它们会随着混合漏极中凹槽MIS结构下方的AlGaN势垒层的厚度TMD、凹槽MIS结构的金属的功函数Wm和凹槽MIS结构的长度LMD的变化而变化。逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管的反向阻断能力是由混合漏极中凹槽MIS结构下方的二维电子气沟道的开启电压决定的，为了使逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管具有更好的反向阻断能力，混合漏极中凹槽MIS结构下方的二维电子气需要完全耗尽。
需要特别指出的是，本发明的设计过程中尤其体现了以下细节：
1、混合漏极的MIS-Drain部分要尽可能的是下方的二维电子气完全耗尽，使得器件具有较好的反向阻断能力。
2、在AlGaN层表面淀积钝化层，进一步降低漏电，提高性能。
3、在混合漏极上淀积绝缘介质可以抑制反向泄漏电流，绝缘介质的质量在很大程度上影响器件的反向阻断能力。
本器件的基本工作原理是：
首先通过减薄栅极下方AlGaN层的厚度，使栅极下方异质结中二维电子气(2DEG)浓度降低直至耗尽，使得器件在栅极电压为负值时无法导通电流，保证器件具有正的的阈值电压。当器件栅极电压低于阈值电压时，由于栅极下方的沟道被夹断，无论在混合漏极上加正向电压还是负向电压，都不会出现从漏极流向源极的电流。当栅极电压大于阈值电压，而在混合漏极加上低于漏极开启电压的正向电压时，如图3所示，混合漏极中凹槽MIS结构下方的沟道没有开启，电流无法从混合漏极流向源极。当栅极电压大于阈值电压时，在混合漏极加上大于漏极开启电压的正向电压时，如图4所示，混合漏极中凹槽MIS结构下方的沟道开启，电流可以从混合漏极流向源极。当栅极电压大于阈值电压时，在混合漏极加上反向电压时，混合漏极中凹槽MIS结构下方的沟道被关断，电流无法从混合漏极流向源极，即实现了 反向阻断能力。图5为逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管的输出特性曲线；图6是器件的双向阻断特性的曲线图；7是器件反向阻断电压RBV、导通电阻RON、阈值电压VT与TMD之间的关系曲线。
本发明的器件与传统AlGaN/GaN HEMT器件工艺兼容，需要特别说明的是：
(1)第二凹槽10可与第一凹槽4同时形成，也可以根据要求单独形成；
(2)第一凹槽4上的绝缘介质与第二凹槽10上的绝缘介质必须同时生长；
(3)第二凹槽10上覆盖的金属可与第一凹槽4上覆盖的金属同时淀积，也可以根据要求单独生长；
(4)所述绝缘栅介质的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO、HfO2或Sc2O3；
(5)刻蚀GaN异质结中凹槽采用的工艺为干法刻蚀或湿法刻蚀；
(6)覆盖于第一凹槽4和第二凹槽10上的绝缘介质5可以采用ALD或PEVCD或LPCVD工艺淀积；
(7)AlGaN层3表面的SiN钝化层4采用ALD或PEVCD工艺淀积，表面钝化层可以使用SiN、SiO2等材料叠层；
(8)欧姆接触的金属源电极7与混合漏极中的欧姆接触8是采用光刻技术在势垒层3的表面沉积欧姆金属并经高温退火而形成。
在本发明中，可采用以下两种方案来制备绝缘介质材料。
(a)采用原子层淀积(ALD)制备Al2O3、HfO2、TiO2等介质材料。ALD所生长的薄膜是自限制的，能精确地控制薄膜的厚度和化学组分，而且淀积的薄膜具有很好的均匀性和保形性。应考虑采用复合叠层的办法来实现，比如HfO2/Al2O3等。
(b)采用MOCVD设备制备Ga2O3、Al2O3、AlGaO或AlGaO/Al2O3等各种单层、混合层以及各种叠层结构，以制备高性能绝缘栅介质。采用MOCVD方法具有介质材料成膜状态致密、厚度控制精准、易于形成混合膜和多层膜重复性好等优点，特别是对界面态控制的可控空间较大。
本发明的制造工艺流程如图8-图12所示，主要包括：
(a)制备衬底和势垒层形成异质结(b)生长钝化层并刻蚀凹槽(c)钝化开孔和制作欧姆接触金属(d)栅极和MIS-D开孔并淀积绝缘介质(e)介质开孔并淀积栅金属和MIS-D金属。
采用器件仿真软件Sentaurus对本发明所提结构进行了初步仿真分析。在本仿真分析中栅极长度为1μm，栅源之间的距离为2μm，栅漏之间的距离为10μm，栅宽为10000μm，GaN缓冲层厚度3μm，Al0.26Ga0.74N势垒层厚度为25nm，栅极金属功函数为5.15eV。
通过输出特性曲线(图4)可以看出，在栅压为10V，电流为5A时器件的导通电阻RON为1.31mΩ·cm2；同时我们可以看出，RB-MISHEMT具有0.38V的补偿电压，这是因为混合漏极下方的二维电子气被耗尽。
图5是GaN RB-MISHEMT器件的双向阻断特性曲线，在栅压为0V，漏极电压为950V时，正向漏电流为1μA；在漏极电压为-900V时，反向漏电流为10μA；说明该器件具有双向阻断能力。
图6是GaN RB-MISHEMT器件的反向阻断电压(RBV)、导通电阻(RON)、阈值电压(VT)与混合漏极下方势垒层厚度(TMD)之间的关系曲线。可以看出，器件的反向阻断电压、导通电阻、阈值电压均随着混合漏极下方势垒层厚度的减小而增大。
通过以上仿真，验证了本发明在电学特性上的优秀性能。
Claims (2)
1.一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管，包括从下至上依次层叠设置的衬底(1)、GaN层(2)和MGaN层(3)，所述GaN层(2)和MGaN层(3)形成异质结；所述MGaN层(3)上层两端分别具有源极结构和漏极结构，在源极结构和漏极结构之间的MGaN层(3)上层具有栅极结构；所述栅极结构包括绝缘栅介质(5)和金属栅电极(6)，所述MGaN层(3)上层具有第一凹槽(4)，绝缘栅介质(5)位于第一凹槽(4)的底部和侧壁，且绝缘栅介质(5)沿MGaN层(3)上表面向两侧延伸至源极结构和漏极结构接触，所述金属栅电极(6)位于第一凹槽(4)中；所述源极结构为嵌入MGaN层(3)上层且形成欧姆接触的金属源电极(7)；所述漏极结构包括欧姆接触(8)与金属(9)，且金属(9)位于靠近栅极结构的一侧；所述金属(9)位于第二凹槽(10)中，且第二凹槽(10)的底部和侧壁具有绝缘栅介质(5)，所述欧姆接触(8)与金属(9)并列设置，且欧姆接触(8)的侧面与第二凹槽(10)的侧壁连接，所述欧姆接触(8)与金属(9)之间电气连接；所述MGaN层(3)中的M元素为除Ga之外的Ⅲ族元素。
2.根据权利要求1所述的逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述绝缘栅介质的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO、HfO2或Sc2O3。
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