CN107195674B - 具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构，源极通过金属材料与石墨烯掩埋散热层连接；器件采用纵向栅极结构，将传统的HEMT器件中长的横向沟道开启模式转变成短的纵向沟道开启模式，栅极由长的横向电流控制沟道转变为短的纵向电流控制沟道，器件利用短的栅极侧壁沟道来实现开关控制，从而有效减小器件的导通电阻；可以实现高密度的元胞结构，提高器件的有效利用面积和单位面积功率密度；同时利用石墨烯优越的热导率迅速将器件有源区产生的热量导走，可以有助于实现大功率GaN HEMT器件，增长器件的高温可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构，属于半导体器件技术领域。
背景技术
功率开关器件作为DC/AC、AC/DC、DC/DC以及AC/AC等电能变换器的核心部件，在现代电子设备中具有重要应用需求，是实现相关系统集成控制和保证系统安全性、可靠性、稳定性和高效性的关键核心器件。GaN作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，与传统的半导体材料Si相比，具有禁带宽度宽、击穿电场大、电子饱和漂移速度高、介电常数小以及良好的化学稳定性等特点。GaN材料异质结构(典型如AlGaN/GaN)界面存在大密度的界面极化电荷，可以诱导出高密度的二维电子气(2DEG)(＞1013cm-2)。由于沟道材料无故意掺杂，电子在沟道内能够保持很高的迁移率(＞1000cm2V-1s-1)。因此，GaN材料适合制作高电子迁移率晶体管(HEMT)，它的导通电阻只有SiC器件的1/2～1/3，比Si器件低三个数量级以上，因此具有更低的开关损耗和更优的频率特性，非常适于研制更高耐压、更大电流、更高频率、更小体积和更恶劣环境的应用，在通讯电源、航空航天、船舶舰载电源等领域具有十分广阔的应用前景。
以GaN为代表的III-V族材料异质结构(典型如AlGaN/GaN)界面由于存在高密度带正电的极化电荷，通过极化电场可以诱导材料中的电子并使之束缚在异质结构界面处，形成在二维平面运动的2DEG导电沟道。为了实现GaN材料HEMT器件的常关型操作，目前常规的方法都是基于削弱或者抵消异质结构界面处极化电荷所形成强电场的原理，主要有栅极势垒层刻蚀形成凹槽栅、氟离子注入势垒层形成氟化栅、以及栅极生长p型盖帽层三种方案。
如图1所示，凹槽栅方案器件结构通过切断2DEG沟道而达到常关型操作，方法直接简单，但是对于大面积器件栅极刻蚀深度均匀性难以保证，另外具有刻蚀损伤表面的区域尺寸较大(2～3μm)，器件的导通电阻一般较大。
如图2所示，氟离子注入势垒层形成氟化栅结构常关型GaN基HEMT器件结构，在栅极区域AlGaN势垒层通过氟离子注入而带负电从而排斥AlGaN/GaN界面处的2DEG，可以使器件实现常关型操作，引入氟离子杂质的AlGaN/GaN界面沟道将作为器件开启的导电沟道。氟离子注入势垒层方案不破坏2DEG沟道界面，但是由于氟离子的热稳定性问题，器件在使用过程的可靠性是潜在隐患，另外对于大面积器件，其阈值电压均匀性不好。
如图3所示，栅极势垒层上方生长p型GaN(或者InGaN)盖帽层常关型器件结构，则利用内建电场来耗尽2DEG沟道电子，器件沟道导电性能较好，但高浓度p型掺杂较难控制，外延片各个位置的浓度均匀性不完全一致，因此器件阈值电压较小且均匀性同样不好。另外由于栅电极距离2DEG沟道过远，器件的开关速率受到影响。以上三种设计方案的栅极结构通过常规光学光刻来实现，栅极长度较大，一般在2～3μm范围，其典型特征是栅极横向电流沟道开关控制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点，提供一种优化的具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构，具体技术方案为：
具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构的制备方法，包括如下步骤：
1)放置衬底(衬底可采用SiC单晶片，AlN单晶片，蓝宝石基片或者硅片等)，在衬底片上生长一层AlN成核层；
2)在AlN层上淀积生长一层石墨烯掩埋散热层；
3)在石墨烯掩埋层上依次淀积生长AlN隔离层，GaN缓冲层和沟道层，AlGaN势垒层；
4)再依次进行GaN器件的制作工艺，包括以下步骤：常规的GaN HEMT器件工艺如MESA刻蚀等不做详述；
5)在制作器件栅极时，采用离子刻蚀技术如ICP等，先刻蚀出栅槽通孔一直刻到露出石墨烯掩埋层；然后先在通孔底部采用溅射等技术沉积一薄层的掩埋源极金属，源掩埋金属的厚度要高出AlN隔离层并与，金属材料选用孔填充能力较好的材料如钨等；然后在栅通孔里淀积一层栅介质层，可以采用溅射、ALD或者LPCVD方法生长，栅介质层的厚度为10-50nm，栅介质层可以是任意单层或者多层栅极介质层材料，包括二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)以及氧化铪(HfO2)等；介质层生长方法可以是ALD、LPCVD、PECVD、PLD(脉冲激光沉积)、MOCVD(金属有机物化学气相沉积)、电子束蒸发以及溅射等；
6)器件内部元胞结构都完成后，在整个器件有源区边缘刻蚀露出石墨烯层，并用金属与器件背面相连，并将连接用所述金属烧结到背板和热沉上。
进一步，步骤1)中所述AlN层厚度为1至100纳米之间。
进一步，步骤2)中所述石墨烯掩埋散热层厚度为1至100纳米之间。
进一步，步骤6)中用锡金焊膏或纳米银焊膏将连接用所述金属烧结到背板和热沉上。
本发明还公开了一种石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构器件，包括衬底和依次向上生长的AlN隔离层、GaN缓冲层、沟道层和AlGaN势垒层；所述衬底与所述AlN隔离层之间还依次生成有AlN层和石墨烯掩埋散热层；源极设置在所述石墨烯掩埋散热层上与石墨烯掩埋散热层连接，栅极与所述漏极之间设置有纵向沟道。
进一步，所述石墨烯掩埋散热层与源极通过金属连接。
进一步，所述石墨烯掩埋散热层与背板和热沉通过金属连接。
进一步，所述GaN HEMT器件由半导体材料GaN外延片或单晶片制成。
进一步，所述GaN HEMT器件的衬底由Si、SiC、AlN或者蓝宝石中的一种材料制成。
本发明石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT器件元胞结构，这种新型器件结构解决现有常关型HEMT器件不能同时兼具均匀而稳定的大阈值电压、低的器件导通电阻和高开关速率的技术问题，针对GaN基III-V族材料功率器件中的常关型类别，提出一种具有纵向栅极结构的常关型HEMT器件及其制备方法，以实现HEMT器件稳定大阈值电压常关型操作的同时有效降低器件的开启导通电阻，可以实现高密度的元胞结构，提高器件的有效利用面积和单位面积功率密度；同时利用石墨烯优越的热导率迅速将器件有源区产生的热量导走，可以有助于实现大功率GaN HEMT器件，增长器件的高温可靠性。
本发明石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT器件元胞结构，采用纵向栅极结构，将传统的HEMT器件中长的横向沟道开启模式转变成短的纵向沟道开启模式，栅极由长的横向电流控制沟道转变为短的纵向电流控制沟道，器件利用短的栅极侧壁沟道来实现开关控制，从而有效减小器件的导通电阻。通过直接切断栅极2DEG沟道，器件能够实现大阈值电压常关型操作，并且由于器件阈值电压不受栅极区域刻蚀深度的影响，相对于常规横向栅极结构，器件的阈值电压具有更好的重复性和均匀性。在切断2DEG沟道从而使器件具备大的常关型操作阈值电压前提下，本发明大大减小栅极开启沟道的长度，降低器件的栅极导通电阻。同时，由于器件的阈值电压与栅极势垒层刻蚀深度没有直接关系，器件栅极区域也没有F离子注入等其他有害加工处理，器件的阈值电压稳定性很好，制作大面积器件或者在大面积衬底上制作器件时，器件产品的性能均匀性很好。本发明提供的常关型HEMT器件同时具有稳定的高阈值电压和低导通电阻特点。
附图说明
图1为现有技术中凹槽栅器件结构的结构示意图；
图2为现有技术中氟离子注入势垒层形成的氟化栅结构的结构示意图；
图3为现有技术中p型GaN(或者InGaN)盖帽层栅极结构的结构示意图；
图4本发明具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构的结构示意图。
具体实施方式
下面利用实施例对本发明进行更全面的说明。本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。
如图4所示，本实施例中的GaN HEMT器件采用了石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaNHEMT元胞结构，包括衬底和依次向上生长的AlN层和石墨烯掩埋散热层、AlN隔离层、GaN缓冲层、沟道层和AlGaN势垒层。在源极旁边蚀刻有到石墨烯层的通孔，石墨烯掩埋散热层与器件的源极通过穿过上述通孔的金属连接，起到源接地的作用，并利用石墨烯的高导热率将器件沟道区产生的热量迅速导走，使得整个器件有源区温升更均匀，避免出现局域高热点导致的器件高温可靠性问题；同时石墨烯掩埋散热层起到源极背场板作用，可以协助提高器件耐压。在整个器件有源区边缘刻蚀以露出石墨烯层，并用金属将石墨烯掩埋散热层与器件背面相连，石墨烯掩埋散热层与背板和热沉通过金属连接；
本实施例中的石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构器件的制备方法，包括如下步骤：
1)放置衬底，在衬底片上生长一层AlN层；AlN层厚度应该控制在1至100纳米之间。
2)在AlN层上淀积生长一层石墨烯掩埋散热层；石墨烯掩埋散热层厚度最好控制在1至100纳米之间。
3)在石墨烯掩埋层上依次淀积生长AlN隔离层，GaN缓冲层和沟道层，AlGaN势垒层；
4)再进行GaN器件的制作工艺，包括以下步骤：常规的GaN HEMT器件工艺如MESA刻蚀等不做详述；
5)在制作器件栅极时，采用离子刻蚀技术如ICP等，先刻蚀出栅槽通孔一直刻到露出石墨烯掩埋层；然后先在通孔底部采用溅射等技术沉积一薄层(10nm-200nm)的掩埋源极金属，源掩埋金属的厚度要高出AlN隔离层并与GaN沟道区域形成欧姆接触，金属材料选用孔填充能力较好的材料如钛、镍、钨等；然后在栅通孔里淀积一层栅介质层，可以采用ALD或者LPCVD方法生长，栅介质层的厚度为10-50nm，栅介质层可以是任意单层或者多层栅极介质层材料，包括二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)以及氧化铪(HfO2)等；
6)器件内部元胞结构都完成后，在整个器件有源区边缘刻蚀露出石墨烯层，并用金属与器件背面相连，并将连接用所述金属烧结到背板和热沉上。
石墨烯和AlN间晶格失配度为4.5％，以AlN为材料可以制成很好的缓冲层。实际工艺制作中，步骤2)中的石墨烯层可以是直接在AlN缓冲层上通过CVD等方法淀积生长石墨烯层；或者是在铜箔等金属膜上生长石墨烯层后通过电化学分层分离石墨烯并转移到AlN缓冲层上；还可以是直接在AlN缓冲层上先用ALD或溅射等方法淀积一薄层的铜诱导层后，再在铜膜上生长石墨烯层。
步骤6)中最好选用锡金焊膏或纳米银焊膏将连接用的金属烧结到背板和热沉上，有利于整个器件的热沉降，减小整个器件的热阻，实现高功率的GaN HEMT功率器件。也可以用其他方式将连接用的金属烧结到背板和热沉上。
本实施例中的石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构器件，制作该器件的半导体材料为GaN外延片或单晶片，衬底可以是Si，AlN，SiC或者蓝宝石等。
石墨烯材料导热系数可高达5300W/m·K，其常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，远高于一般的衬底材料和金属。石墨烯和AlN间晶格失配度为4.5％，以AlN作为缓冲层，可以在石墨烯上通过MOCVD等工艺生长出质量很好的GaN薄膜。
如表1所示，石墨烯与常见金属的热导率对比表格。
＊取决与碳含量，纯度，制备的技术，是单层还是多层等因素。
本发明主要解决现有常关型HEMT器件不能同时兼具均匀而稳定的大阈值电压、低的器件导通电阻和高开关速率的技术问题，针对GaN基III-V族材料功率器件中的常关型类别，提出一种具有纵向栅极结构的常关型HEMT器件及其制备方法，以实现HEMT器件稳定大阈值电压常关型操作的同时有效降低器件的开启导通电阻，可以实现高密度的元胞结构，提高器件的有效利用面积和单位面积功率密度。同时，结构中采用高导热导电性的石墨烯掩埋层作为源极引出，可以大大的提高器件的热耗散能力，改善自热效应，使器件单元中的热量通过高导热性石墨烯层迅速沉降到热沉基板，提高器件的高温可靠性。
上述示例只是用于说明本发明，除此之外，还有多种不同的实施方式，而这些实施方式都是本领域技术人员在领悟本发明思想后能够想到的，故，在此不再一一列举。
Claims (7)
1. 具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）放置衬底，在衬底片上生长一层AlN成核层；
2）在AlN层上淀积生长一层石墨烯掩埋散热层；
3）在石墨烯掩埋层上依次淀积生长AlN隔离层，GaN缓冲层和沟道层，AlGaN势垒层；
4）再依次进行GaN器件的制作工艺；
5）在制作器件栅极时，采用离子刻蚀技术如ICP，先刻蚀出栅槽通孔一直刻到露出石墨烯掩埋层；然后先在通孔底部沉积一层厚度10nm-200nm的掩埋源极金属，源掩埋金属的厚度要高出AlN隔离层并与GaN沟道区域形成欧姆接触，金属材料选用孔填充能力较好的材料；然后在栅通孔里淀积一层栅介质层，栅介质层的厚度为10-50nm，栅介质层是单层或者多层栅极介质层材料；
6）器件内部元胞结构都完成后，在整个器件有源区边缘刻蚀露出石墨烯层，并用金属与器件背面相连，并将连接用所述金属烧结到背板和热沉上。
2. 如权利要求1所述的具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述AlN层厚度为1至100纳米之间。
3. 如权利要求1所述的具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述石墨烯掩埋散热层厚度在1至100纳米之间。
4. 如权利要求1所述的具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构的制备方法，其特征在于，步骤5)中所述栅介质层的厚度为10-50纳米。
5. 如权利要求1所述的具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构的制备方法，其特征在于，步骤5)中所述金属材料采用溅射、ALD或者CVD中一种方法生长。
6. 如权利要求1所述的具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构的制备方法，其特征在于，步骤5)中所述金属材料为钛、镍、金或钨中的一种。
7. 如权利要求1所述的具有石墨烯掩埋源极和纵向栅极的GaN HEMT元胞结构的制备方法，其特征在于，所述栅极介质层材料为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3以及氧化铪HfO2中的一种，介质层生长方法采用ALD、LPCVD、PECVD、PLD脉冲激光沉积、MOCVD金属有机物化学气相沉积、电子束蒸发以及溅射中一种方法生长。
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