CN107393890A - 一种石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构及制备方法，该元胞结构从下至上包括衬底、AlN隔离层、石墨烯掩埋散热层、AlN成核层，GaN缓冲层，n型重掺杂GaN层，n型GaN层，p型GaN电子阻挡层、非掺杂GaN层以及AlGaN势垒层；元胞结构的栅槽孔由元胞结构的顶部一直延伸至所述n型GaN层，所述栅槽孔的侧壁及底部均设置有栅介质层。本申请解决了现有常关型GaN MISFET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GaN MISFET器件元胞结构及其制备方法，以实现GaN MISFET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。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaNMISFET元胞结构及制备方法。
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包括衬底1、AlN成核层2、非掺杂GaN层3、AlGaN势垒4、栅介质层5、源极6、栅极以及漏极8；其通过切断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包括衬底1、AlN成核层2、非掺杂GaN层3、AlGaN势垒4、栅介质层5、源极6、栅极以及漏极8；常关型GaN基HEMT器件结构，在栅极区域AlGaN势垒层4内通过注入的方式注入氟离子9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包括衬底1、AlN成核层2、非掺杂GaN层3、AlGaN势垒4、栅介质层5、源极6、栅极以及漏极8；该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10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
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构，以解决现有常关型GaN MISFET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。本发明的另一目的在于提供一种石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构，所述元胞结构从下至上包括衬底、AlN隔离层、石墨烯掩埋散热层、AlN成核层，GaN缓冲层，n型重掺杂GaN层，n型GaN层，p型GaN电子阻挡层、非掺杂GaN层以及AlGaN势垒层；元胞结构的栅槽孔由元胞结构的顶部一直延伸至所述n型GaN层，所述栅槽孔的侧壁及底部均设置有栅介质层。
进一步，所述石墨烯掩埋散热层通过金属与元胞结构的背板和热沉连接。
进一步，所述衬底由Si、SiC、AlN或者蓝宝石中的任一种材料制成。
进一步，所述AlN隔离层的厚度为1-100纳米。
进一步，所述石墨烯掩埋散热层的厚度为1-100纳米。
一种石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)放置衬底，在衬底片上生长一层AlN隔离层；
2)在所述AlN隔离层上淀积生长一层石墨烯掩埋散热层；
3)在所述石墨烯掩埋层上依次淀积生长AlN成核层，GaN缓冲层，n型重掺杂GaN层，n型GaN层，p型GaN电子阻挡层、非掺杂GaN层以及AlGaN势垒层；
4)采用离子刻蚀技术刻蚀出栅槽孔，所述栅槽孔一直刻到所述n型GaN层；然后在栅通孔里淀积一层栅介质层；然后淀积金属栅极和制作漏极欧姆接及漏极电极；
5)器件正面元胞结构都完成后，在整个器件有源区边缘刻蚀露出n型高掺杂GaN层制作源极，并用金属通过欧姆接触与器件背面相连；之后通过连接用金属烧结到背板和热沉上。
进一步，步骤4)中所述的栅介质层的厚度为10-50nm。
进一步，步骤4)中所述的栅介质层采用溅射、ALD或者LPCVD方法生长。
进一步，步骤5)中所述连接用金属为Ti、Al、Ni、Au合金；或Ti、Al、Ti、Au合金；或Ti、Al、Mo、Au合金。
进一步，步骤5)中用锡金焊膏或纳米银焊膏将所述连接用金属烧结到背板和热沉上。
本发明具有以下有益技术效果：
本发明具有石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构，这种新型器件结构解决现有常关型GaN MISFET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GaN MISFET器件用元胞结构及其制备方法，以实现GaNMISFET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器件，增长器件的高温可靠性。
本发明具有石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构，采用纵向栅极结构，将传统的GaN MISFET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GaNMISFET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散热层和纵向沟道的GaN MISFET元胞结构的结构示意图；
图5本发明具有石墨烯掩埋散热层的多层外延层结构。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，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。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
如图4-5所示，本发明提供了一种石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构，该元胞结构从下至上包括衬底11、AlN隔离层12、石墨烯掩埋散热层13、AlN成核层14，GaN缓冲层15，n型重掺杂GaN层16，n型GaN层17，p型GaN电子阻挡层18、非掺杂GaN层19以及AlGaN势垒层20；元胞结构的栅槽孔由元胞结构的顶部一直延伸至n型GaN层17，栅槽孔的侧壁及底部均设置有栅介质层21。
石墨烯掩埋散热层13通过金属与元胞结构的背板和热沉26连接。在源极旁边蚀刻有到石墨烯层的通孔，石墨烯掩埋散热层13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。
衬底11由Si、SiC、AlN或者蓝宝石中的任一种材料制成。
AlN隔离层12的厚度为1-100纳米。
石墨烯掩埋散热层13的厚度为1-100纳米。
本发明还提供了一种石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构的制备方法，该方法包括如下步骤：
1)放置衬底11，在衬底片上生长一层AlN隔离层12；AlN隔离层12的厚度为1-100纳米。
2)在AlN隔离层12上淀积生长一层石墨烯掩埋散热层13；石墨烯掩埋散热层13的厚度为1-100纳米。
3)在石墨烯掩埋层13上依次淀积生长AlN成核层14，GaN缓冲层15，n型重掺杂GaN层16，n型GaN层17，p型GaN电子阻挡层18、非掺杂GaN层19以及AlGaN势垒层20；
4)采用离子刻蚀技术刻蚀出栅槽孔，栅槽孔一直刻到n型GaN层17；然后在栅通孔里淀积一层栅介质层21；栅介质层21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21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；然后淀积金属栅极22和制作漏极欧姆接及漏极电极23；漏极电极材料可选择Ti、Al、Ni、Au合金；或Ti、Al、Ti、Au合金；或Ti、Al、Mo、Au合金；栅极材料为Ni、Au合金；Pt、Al合金或Pd、Au合金等。
5)器件正面元胞结构都完成后，在整个器件有源区边缘刻蚀露出n型高掺杂GaN层制作源极24，并用金属通过欧姆接触与器件背面相连；之后通过连接用金属25烧结到背板和热沉26上。连接用金属25为Ti、Al、Ni、Au合金；或Ti、Al、Ti、Au合金；或Ti、Al、Mo、Au合金。
步骤5)中用锡金焊膏或纳米银焊膏将连接用金属25烧结到背板和热沉26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。
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隔离层。实际工艺制作中，步骤2)中的石墨烯层可以是直接在AlN隔离层上通过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隔离层上；还可以是直接在AlN隔离层上先用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。
上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构，其特征在于，所述元胞结构从下至上包括衬底、AlN隔离层、石墨烯掩埋散热层、AlN成核层，GaN缓冲层，n型重掺杂GaN层，n型GaN层，p型GaN电子阻挡层、非掺杂GaN层以及AlGaN势垒层；元胞结构的栅槽孔由元胞结构的顶部一直延伸至所述n型GaN层，所述栅槽孔的侧壁及底部均设置有栅介质层。
2.根据权利要求1所述的石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构，其特征在于，所述石墨烯掩埋散热层通过金属与元胞结构的背板和热沉连接。
3.根据权利要求1所述的石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构，其特征在于，所述衬底由Si、SiC、AlN或者蓝宝石中的任一种材料制成。
4.根据权利要求1所述的石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构，其特征在于，所述AlN隔离层的厚度为1-100纳米。
5.根据权利要求1所述的石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构，其特征在于，所述石墨烯掩埋散热层的厚度为1-100纳米。
6.一种权利要求1-5任一所述的石墨烯掩埋散热层和纵向沟道GaN MISFET元胞结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)放置衬底，在衬底片上生长一层AlN隔离层；
2)在所述AlN隔离层上淀积生长一层石墨烯掩埋散热层；
3)在所述石墨烯掩埋层上依次淀积生长AlN成核层，GaN缓冲层，n型重掺杂GaN层，n型GaN层，p型GaN电子阻挡层、非掺杂GaN层以及AlGaN势垒层；
4)采用离子刻蚀技术刻蚀出栅槽孔，所述栅槽孔一直刻到所述n型GaN层；然后在栅通孔里淀积一层栅介质层；然后淀积金属栅极和制作漏极欧姆接及漏极电极；
5)器件正面元胞结构都完成后，在整个器件有源区边缘刻蚀露出n型高掺杂GaN层制作源极，并用金属通过欧姆接触与器件背面相连；之后通过连接用金属烧结到背板和热沉上。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述的栅介质层的厚度为10-50nm。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述的栅介质层采用溅射、ALD或者LPCVD方法生长。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中所述连接用金属为Ti、Al、Ni、Au合金；或Ti、Al、Ti、Au合金；或Ti、Al、Mo、Au合金。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中用锡金焊膏或纳米银焊膏将所述连接用金属烧结到背板和热沉上。
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