CN107910364B - 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，特别涉及一种逆阻型氮化镓器件。本发明提供了一种无欧姆接触的逆阻型氮化镓器件，避免了高温欧姆退火工艺带来的一系列负面影响。通过绝缘栅控制栅极下方沟道二维电子气的耗尽实现器件的开启和关断，以及基于低功函数金属与InAlN/GaN之间无需通过高温退火即可直接形成类似欧姆接触的原理，采用具有低功函数金属的肖特基源极接触，并通过高功函数金属形成肖特基漏极来实现器件的反向阻断能力。由于本发明中不存在欧姆接触，不需要利用重金属，该器件可以与传统的CMOS工艺兼容，同时可以在较低的温度条件制备该器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体地说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)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。为解决这些问题，本发明提出了一种无欧姆接触的逆阻型氮化镓场效应晶体管(如图1所示)。本发明的势垒层为III族元素In、Al、N形成的三元化合物，InAlN/GaN异质结产生的极化强度大于AlGaN/GaN，实现了更大浓度的二维电子气，更利于肖特基源极实现类欧姆接触的电学特性；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，同时在肖特基源极采用了功函数低于5eV的金属或合金，提升了器件的正向电流输运能力，在肖特基漏极才用了功函数大于5eV的金属或合金，增强了器件的反向阻断能力。由于本发明中不存在欧姆接触，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。
发明内容
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，本发明提出了一种具有无欧姆接触的逆阻型器件。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。
为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种逆阻型氮化镓器件，如图1所示，包括衬底1、位于衬底上表面的GaN缓冲层2和位于缓冲层上表面的InAlN势垒层3，所述GaN缓冲层2和InAlN势垒层3形成异质结；所述InAlN势垒层3两侧具有与其形成肖特基接触的源极金属4和漏极金属5；所述漏极金属5的功函数大于所述源极金属4的功函数；在靠近源极4一侧有嵌入势垒层3的凹槽栅结构8；所述凹槽栅结构8由栅介质6、栅极金属7构成。
本技术方案中，源极金属4和漏极金属5为肖特基接触而非一般器件的欧姆接触，由于无需高温退火处理，实现了低温制备和传统硅工艺的兼容。同时避免高温退火处理使器件表面氧化、产生表面陷阱。
进一步，所述源极金属4为钛等功函数小于5eV的金属或合金，所述漏极金属5为镍等功函数大于5eV的金属或合金。
上述方案中，在靠近漏极一侧采用场板结构，使得器件在阻断高电压时，能有效分散漏极下的电场集中，承受大部分电压，减小反向泄漏从而增强本器件的反向耐压能力；在靠近源极一侧采用功函数小于5eV的金属形成肖特基接触，提升器件正向电流输运能力。
进一步，所述衬底1采用的材料为Si、蓝宝石、SiC或者GaN。
进一步，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、N形成的三元化合物。
进一步，所述栅介质6采用的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO、Sc2O3或HfO2。
本发明的有益效果为，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为本发明的器件制造工艺流程中外延片示意图；
图3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4为本发明的器件制造工艺流程中生长漏极肖特基金属后结构示意图；
图5为本发明的器件制造工艺流程中刻蚀InAlN势垒层形成绝缘栅凹槽以及形成绝缘栅介质后结构示意图；
图6为本发明的器件制造工艺流程中形成绝缘栅金属和形成肖特基漏极场板后结构示意图；
图7为本发明器件的等效电路图；
图8为本发明采用不同金属形成的肖特基接触的漏电流与偏压的I-V曲线图；
图9为本发明采用不同金属形成类欧姆接触的I-V曲线图；
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明为无欧姆金属结构的逆阻型氮化镓器件，源极和漏极均为肖特基金属结构，由于无需高温退火处理实现了传统硅COMS工艺的兼容和低温制备；源极一侧使用功函数低于5eV的金属或合金提升了器件的正向电流输运能力。
本发明的一种逆阻型氮化镓器件，包括衬底1、位于衬底上表面的GaN缓冲层2和位于缓冲层上表面的InAlN势垒层3，所述GaN缓冲层2和InAlN势垒层3形成异质结；所述InAlN势垒层3两侧具有与其形成肖特基接触的源极金属4和漏极金属5；所述漏极金属5的功函数大于所述源极金属4的功函数；在靠近源极4一侧有嵌入势垒层3的凹槽栅结构8；所述凹槽栅结构8由栅介质6、栅极金属7构成。
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。为解决这些问题，本发明提出了一种无欧姆接触的逆阻型氮化镓场效应晶体管(如图1所示)。本发明器件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。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。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。
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、在势垒层表面生长SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO、Sc2O3或HfO2作为钝化层，可以进一步降低漏电，提高性能。
2、肖特基源极金属4的功函数小于肖特基漏极5的功函数。肖特基源极材料采用功函数低于5eV的金属或合金；肖特基漏极材料采用功函数大于5eV的金属或合金，提升器件的反向阻断能力。
3、凹槽绝缘栅结构控制沟道二维电子气浓度，凹槽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。
4、势垒层3材料采用了III族元素In、Al、N的三元化合物，InAlN与GaN形成异质结的极化强度大于AlGaN与GaN形成的异质结，使得肖特基接触源极更容易实现类欧姆接触的电学特性。
5、延长肖特基漏极金属5在绝缘栅介质6的金属长度形成漏极场板可进一步提升器件的反向阻断能力。
本器件的基本工作原理是：
首先利用绝缘栅集来控制沟道二维电子气的浓度，从而实现对沟道电流的开启和阻断。由于源极金属采用了低功函数的金属或合金、势垒层材料采用了极化强度大于AlGaN的InAlN(与GaN界面形成异质结二维电子气浓度大于AlGaN)，可以使得器件具有类似欧姆接触的电流特性，故当栅极和漏极都加上较大正电压时，器件能够正向导通；当栅极加上较大正电压，漏极加负压的时候，由于漏极肖特基势垒较高，是的器件无法反向导通。即实现了反向阻断；当在栅极负电压时，栅极下方沟道二维电子气被耗尽，沟道电流被阻断，器件可以实现双向阻断。
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.根据所述的逆阻型氮化镓器件，其特征在于，衬底1可以是硅、蓝宝石，碳化硅或者氮化镓。
2.根据所述的逆阻型氮化镓器件，其特征在于，势垒层3是III族元素In、Al、N形成的三元化合物。
3.根据所述的逆阻型氮化镓器件，其特征在于，衬底1和缓冲层2之间可以存在其他的材料。
4.根据所述的逆阻型氮化镓器件，其特征在于，漏极金属5采用功函数大于5eV的金属或合金，源极金属4采用功函数低于5eV的金属或合金。
5.根据所述的逆阻型氮化镓器件，其特征在于，源极金属4及漏极金属5和势垒层3之间形成的是肖特基接触而非传统的欧姆接触。
6.根据所述的逆阻型氮化镓器件，其特征在于，所述绝缘栅介质6采用的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO、Sc2O3或HfO2中的一种。
7.根据所述的逆阻型氮化镓器件，其特征在于，延长肖特基漏极金属5在绝缘栅介质6的金属长度形成漏极场板可以提高器件的反向阻断能力。
8.根据所述的逆阻型氮化镓器件，其特征在于，源极金属4、漏极金属5以及金属栅电极6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。
本发明的器件的一种工艺实现方案为：
1、首先形成InAlN/GaN异质结，如图2所示；
2、在异质结上表面形成功函数小于5eV金属部分的肖特基接触源极，如图3所示；
3、在异质结上表面形成功函数小于5eV金属部分的肖特基接触源极，如图4所示；
4、利用自对准技术刻蚀一部分InAlN层，形成栅极凹槽结构并形成栅介质，如图5所示；
5、在栅极凹槽上方形成栅极金属并延伸肖特基漏极金属到绝缘介质上方形成场板，如图6所示。
Claims (4)
1.一种逆阻型氮化镓器件，包括衬底(1)、位于衬底上表面的GaN缓冲层(2)和位于GaN缓冲层(2)上表面的InAlN势垒层(3)，所述GaN缓冲层(2)和InAlN势垒层(3)形成异质结；所述InAlN势垒层(3)两侧上表面具有与其形成肖特基接触的源极金属(4)和漏极金属(5)；所述漏极金属(5)的功函数大于所述源极金属(4)的功函数；所述漏极金属(5)采用功函数大于5eV的金属或合金，源极金属(4)采用功函数小于5eV的金属或合金；漏极金属(5)在绝缘栅介质(6)上向凹槽栅结构(8)方向延长形成漏极场板；在靠近源极(4)一侧有嵌入势垒层(3)的凹槽栅结构(8)；所述凹槽栅结构(8)由栅介质(6)、栅极金属(7)构成。
2.根据权利要求1所述的逆阻型氮化镓器件，其特征在于，所述衬底(1)采用的材料是硅、蓝宝石、碳化硅或氮化镓中的一种。
3.根据权利要求2所述的逆阻型氮化镓器件，其特征在于，所述势垒层(3)为III族元素In、Al、N形成的三元化合物。
4.根据权利要求3所述的逆阻型氮化镓器件，其特征在于，所述绝缘栅介质(6)采用的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO、Sc2O3或HfO2中的一种。
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