CN107170808A - 一种逆阻型氮化镓器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体的说是涉及一种逆阻型氮化镓器件。本发明针对常规的逆阻型AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管与传统硅CMOS工艺不兼容以及器件制备温度高等问题，提出了一种无欧姆接触的逆阻型氮化镓器件。本发明所提出的逆阻型氮化镓器件具有与传统硅工艺兼容、可低温制备等优点。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体的说是涉及一种逆阻型氮化镓器件。
背景技术
电力电子技术是现代科学、工业和国防的重要支撑技术，其中功率半导体器件既是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的强大动力，功率半导体器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性作用。其中，以功率MOS场效应管(MOSFET)和绝缘栅晶体管(IGBT)为代表的新型功率半导体器件占据了主导地位，在4C电子产品、工业控制、国防装备等领域发挥着重要作用。然而，以硅材料为基础的功率MOSFET器件越来越显示出其不足和局限性。宽禁带半导体材料具有更优的材料特性，有望解决当今功率半导体器件发展所面临的“硅极限”问题。
宽禁带半导体材料GaN具有宽带隙、高电子饱和漂移速度、高热导率、高临界击穿电场等突出优点，极大地提高了GaN电力电子器件耐压容量、工作频率和电流密度，大大降低了器件导通损耗，使器件可以在大功率和高温等恶劣条件下工作。特别是硅基氮化镓技术结合了GaN材料的性能优势和硅技术的成本优势，已成为国际功率半导体领域战略制高点，受到世界各国政府高度重视。与传统的Si基电力电子器件相比，目前已实用化的宽禁带半导体电力电子器件可将功耗降低一半，从而减少甚至取消冷却系统，大幅度降低电力变换器的体积和重量。
宽禁带半导体电力电子器件具有非常广泛的军用和民用价值，如坦克、舰艇、飞机、火炮等军事设备的功率电子系统领域、以及民用电力电子设备、家用电器、列车牵引设备、高压直流输电设备，也正在应用到PC、混合动力车辆、电动汽车，太阳能发电等系统。在这些新型电力电子系统中，GaN电力电子器件是最核心的关键技术之一，可大大降低电能的消耗，因此也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源”器件。
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。但是常规的AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管不具备反向阻断能力，当漏极电压反向时，会出现较大的反向电流。这种情况在实际工作中可能会导致器件或者系统的损坏。为解决这些问题，近年来人们提出了几种逆阻型AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管。但是常规的逆阻型AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管都存在欧姆接触，需要金等重金属以及在高温条件下制备，使得器件与传统的硅工艺不兼容。并且在高温欧姆退火过程中，器件表面将会被氧化，这会导致表面态的产生。这些表面陷阱会俘获电子，使得器件在动态开关过程中会产生较大动态电阻。
发明内容
本发明的目的，是针对常规的逆阻型AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管与传统硅CMOS工艺不兼容以及器件制备温度高等问题，提出了一种无欧姆接触的逆阻型氮化镓器件。本发明所提出的逆阻型氮化镓器件具有与传统硅工艺兼容、可低温制备等优点。
本发明的技术方案是：一种逆阻型氮化镓器件，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M为除Ga之外的Ⅲ族元素；其特征在于，所述氮化镓器件具有肖特基源极结构、肖特基漏极结构和绝缘栅极结构；所述肖特基源极结构位于GaN层2上表面一端，肖特基源极结构由底部嵌入GaN层2上表面的源极肖特基接触电极4形成，源极肖特基接触电极4的侧面与MGaN层3接触；所述肖特基漏极结构位于GaN层2上表面另一端，肖特基漏极结构由底面与MGaN层3接触的漏极肖特基接触电极5形成；所述绝缘栅极结构位于与源极肖特基接触电极4相邻的MGaN层3上表面，绝缘栅极结构由绝缘栅介质7和位于绝缘栅介质7上金属栅电极8构成，且金属栅电极8的底部嵌入MGaN层3上层，金属栅电极8与源极肖特基接触电极4之间通过绝缘栅介质7隔离，所述绝缘栅介质7和金属栅电极8沿源极肖特基接触电极4的上表面向远离肖特基漏极结构的方向延伸，所述绝缘栅介质7还沿MGaN层3上表面延伸至与漏极肖特基接触电极5接触，金属栅电极8沿绝缘栅介质7的上表面向漏极肖特基接触电极5的方向延伸。
本发明总的技术方案，与传统结构的主要区别是，源极和漏极都是肖特基接触结构而非传统的欧姆接触结构，同时在肖特基源极结构附近的引入一个栅极结构以控制源极肖特基接触的能带结构来器件的实现开启与关断。由于本发明中只存在肖特基接触，不需要利用金等重元素金属，可以与传统的CMOS工艺兼容。同时，本发明不需要高温退火工艺，器件可以在较低的温度下制备，可以避免器件表面被氧化等问题。
进一步的，所述漏极肖特基接触电极5的底部嵌入MGaN层3上层，且绝缘栅介质7沿漏极肖特基接触电极5侧面延伸至部分漏极肖特基接触电极5的底部，使漏极肖特基接触电极5嵌入MGaN层3上层部分的侧面和部分底面与MGaN层3通过绝缘栅介质7隔离。
进一步的，所述漏极肖特基接触电极5底部不与绝缘栅介质7接触的部分，向下延伸至嵌入GaN层2上层。
进一步的，所述衬底1采用的材料为硅、蓝宝石、碳化硅和氮化镓中的一种。
进一步的，所述绝缘栅介质7采用的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO和Sc2O3中的一种。
本发明的有益效果是：针对常规的逆阻型AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管存在的与传统硅CMOS工艺不兼容以及器件制备温度高等问题，本发明提出了一种无欧姆接触的逆阻型氮化镓器件，该器件由于不存在欧姆接触，能与传统硅工艺兼容、可低温制备。
附图说明
图1为本发明的器件结构示意图；
图2为本发明的器件工作原理示意图；
图3为本发明的器件导通特性曲线示意图；
图4为本发明的器件双向阻断特性曲线示意图；
图5为本发明的器件制造工艺流程中外延片示意图；
图6为本发明的器件制造工艺流程中在源极接触和漏极接触处过刻势垒层至GaN层的结构示意图；
图7为本发明的器件制造工艺流程中生长源极肖特基金属后结构示意图；
图8为本发明的器件制造工艺流程中刻蚀MGaN形成绝缘栅浅凹槽后结构示意图；
图9为本发明的器件制造工艺流程中生长绝缘层后结构示意图；
图10为本发明的器件制造工艺流程中生长绝缘栅金属和漏极肖特基金属后结构示意图。
图11为本发明的一种变形器件结构示意图；
图12为本发明的另一种变形器件结构示意图。
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1所示，为本发明的逆阻型氮化镓器件，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2和AlGaN层3，所述GaN层2和MGaN层3形成异质结；所述氮化镓器件具有肖特基源极结构、肖特基漏极结构和绝缘栅极结构；所述肖特基源极结构位于GaN层2上表面一端，肖特基源极结构由底部嵌入GaN层2上表面的源极肖特基接触电极4形成，源极肖特基接触电极4的侧面与AlGaN层3接触；所述肖特基漏极结构位于GaN层2上表面另一端，肖特基漏极结构由底面与MGaN层3接触的漏极肖特基接触电极5形成，漏极肖特基接触电极5的底部嵌入AlGaN层3上层，且绝缘栅介质7沿漏极肖特基接触电极5侧面延伸至部分漏极肖特基接触电极5的底部，使漏极肖特基接触电极5嵌入AlGaN层3上层部分的侧面和部分底面与AlGaN层3通过绝缘栅介质7隔离，漏极肖特基接触电极5底部不与绝缘栅介质7接触的部分，向下延伸至嵌入GaN层2上层；所述绝缘栅极结构位于与源极肖特基接触电极4相邻的AlGaN层3上表面，绝缘栅极结构由绝缘栅介质7和位于绝缘栅介质7上金属栅电极8构成，且金属栅电极8的底部嵌入AlGaN层3上层，金属栅电极8与源极肖特基接触电极4之间通过绝缘栅介质7隔离，所述绝缘栅介质7和金属栅电极8沿源极肖特基接触电极4的上表面向远离肖特基漏极结构的方向延伸，所述绝缘栅介质7还沿AlGaN层3上表面延伸至与漏极肖特基接触电极5接触，金属栅电极8沿绝缘栅介质7的上表面向漏极肖特基接触电极5的方向延伸。
传统的逆阻型氮化镓场效应晶体管存在欧姆接触，需要金等重金属并在高温条件下制备，使得器件与传统的硅工艺不兼容。并且在高温欧姆退火过程中，器件表面将会被氧化，这会导致表面态的产生。这些表面陷阱会俘获电子，使得器件在动态开关过程中会产生较大动态电阻。本发明的源极和漏极都是肖特基接触结构而非传统的欧姆接触结构，同时在肖特基源极结构附近的AlGaN层上层引入一个栅极结构以控制肖特基接触的能带结构来实现器件的实现开启与关断。由于本发明的逆阻型氮化镓场效应晶体管不存在欧姆接触，不需要利用重金属，可以与CMOS工艺兼容。此外，导通电阻、泄露电流和导通压降均是可由栅极控制，通过控制栅极结构下方的AlGaN势垒层的厚度TG、栅极金属的功函数Wm和凹槽MIS结构的长度可以控制逆阻型氮化镓场效应晶体管的导通电阻和导通压降。逆阻型氮化镓场效应晶体管的阻断能力是由栅极结构和肖特基结构共同决定，栅极结构下方的AlGaN势垒层厚度较薄以及源极肖特基接触势垒较大时器件可以具有较好的反向阻断能力，但同时也会导致导通电阻和导通压降的增加。
在如图1所示的结构中，在AlGaN层表面生长SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO或Sc2O3作为钝化层，可以进一步降低漏电，提高性能。源极肖特基接触电极嵌入GaN层上层的凹槽深度为几百纳米。肖特基源极结构与绝缘栅结构用绝缘介质隔开，介质质量的好坏直接影响器件的性能。
本发明的基本工作原理是：
首先通过肖特基源极接触附近的绝缘栅结构控制肖特基接触的能带结构来改变器件的工作状态，实现器件的开启和关断。当栅极加上正电压时，肖特基附近的势垒厚度变薄(图2)，电子的隧穿几率增加，可以使得器件具有类似欧姆接触的电流特性；当在栅极负电压时，势垒厚度变厚，电子的隧穿几率降低，电子几乎无法通过势垒，器件可以实现阻断能力。同时本发明利用肖特基漏极实现器件的反向阻断。本发明同时利用肖特基结和绝缘栅结构来抑制器件的反向漏电。通过减薄绝缘栅下势垒层的厚度来增加栅压对栅下载流子的耗尽能力。本发明的逆阻型氮化镓器件的阻断机理可以解释如下，在电压较低时主要由源极或者漏极的肖特基接触的势垒来阻断电流；当电压增大时，相应肖特基附近的栅极下方或者漏极场板下方的载流子开始耗尽，当栅下载流子完全耗尽时，载流子无法通过栅沟道，此时由绝缘栅来组断电流。减薄绝缘栅下势垒层厚度可以增加器件的阻断能力。图3为逆阻型氮化镓器件的导通特性曲线示意图；图4是器件的双向阻断特性的曲线图。
本发明的器件与传统CMOS工艺兼容，可以利用传统的CMOS工艺线制备该器件，需要特别说明的是：
1、衬底1可以是硅、蓝宝石，碳化硅或者氮化镓。
2.、肖特基源极4的凹槽必须延伸至GaN层2，而肖特基漏极5的凹槽不必延伸至GaN层2。
3、衬底1和GaN层2之间可以存在其他的材料。
4、肖特基源极4及肖特基漏极5和GaN层2之间形成的肖特基接触而非传统的欧姆接触。
5、绝缘栅介质7采用的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO或Sc2O3中的一种。
6、金属栅电极8必须在源极肖特基接触电极附近。
7、增加绝缘栅凹槽6深度可以增加器件的阻断能力。
8、延长肖特基漏极5在器件表面的金属长度形成漏极场板可以提高器件的反向阻断能力。
9、延长金属栅电极8在器件表面的金属长度形成栅极场板可以提高器件的正向阻断能力。
10、肖特基源极4、肖特基漏极5以及金属栅电极8可以不包含金等重金属。
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5-图10所示，主要包括：
图5为具有异质结结构的外延片，图6在源极接触和漏极接触处过刻势垒层至GaN层，图7生长肖特基源极金属，图8和图9为刻蚀绝缘栅浅凹槽并生长绝缘栅介质，图10生长绝缘栅极金属和肖特基漏极金属。
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，栅源之间的介质厚度为10nm，GaN层厚度3μm，Al0.26Ga0.74N势垒层厚度为25nm，栅极金属功函数为4.5eV。源极和漏极的肖特基势垒为1.0eV。
通过逆阻型氮化镓器件的导通特性曲线(图3)可以看出，在栅压为10V，器件最大电流为0.9A/mm。图4是逆阻型氮化镓器件的双向阻断特性曲线，在栅压为0V，漏极电压为±500V时，泄漏电流均为1μA/mm；说明该器件具有双向阻断能力。通过以上仿真，验证了本发明在电学特性上的优越性能。
Claims (5)
1.一种逆阻型氮化镓器件，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M为除Ga之外的Ⅲ族元素；其特征在于，所述氮化镓器件具有肖特基源极结构、肖特基漏极结构和绝缘栅极结构；所述肖特基源极结构位于GaN层(2)上表面一端，肖特基源极结构由底部嵌入GaN层(2)上表面的源极肖特基接触电极(4)形成，源极肖特基接触电极(4)的侧面与MGaN层(3)接触；所述肖特基漏极结构位于GaN层(2)上表面另一端，肖特基漏极结构由底面与MGaN层(3)接触的漏极肖特基接触电极(5)形成；所述绝缘栅极结构位于与源极肖特基接触电极(4)相邻的MGaN层(3)上表面，绝缘栅极结构由绝缘栅介质(7)和位于绝缘栅介质(7)上金属栅电极(8)构成，且金属栅电极(8)的底部嵌入MGaN层(3)上层，金属栅电极(8)与源极肖特基接触电极(4)之间通过绝缘栅介质(7)隔离，所述绝缘栅介质(7)和金属栅电极(8)沿源极肖特基接触电极(4)的上表面向远离肖特基漏极结构的方向延伸，所述绝缘栅介质(7)还沿MGaN层(3)上表面延伸至与漏极肖特基接触电极(5)接触，金属栅电极(8)沿绝缘栅介质(7)的上表面向漏极肖特基接触电极(5)的方向延伸。
2.根据权利要求1所述的一种逆阻型氮化镓器件，其特征在于，所述漏极肖特基接触电极(5)的底部嵌入MGaN层(3)上层，且绝缘栅介质(7)沿漏极肖特基接触电极(5)侧面延伸至部分漏极肖特基接触电极(5)的底部，使漏极肖特基接触电极(5)嵌入MGaN层(3)上层部分的侧面和部分底面与MGaN层(3)通过绝缘栅介质(7)隔离。
3.根据权利要求2所述的一种逆阻型氮化镓器件，其特征在于，所述漏极肖特基接触电极(5)底部不与绝缘栅介质(7)接触的部分，向下延伸至嵌入GaN层(2)上层。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种逆阻型氮化镓器件，其特征在于，所述衬底(1)采用的材料为硅、蓝宝石、碳化硅和氮化镓中的一种。
5.根据权利要求4所述的一种逆阻型氮化镓器件，其特征在于，所述绝缘栅介质(7)采用的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO和Sc2O3中的一种。
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