CN108807510B - 一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件技术领域，具体的说涉及一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管。本发明公开了一种基于具有变铝组分势垒层(Al0～0.50GaN)异质结的逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管，具体结构是在GaN层上方生长一层薄的变铝组分Al0～0.50GaN层作为势垒层，AlGaN势垒层中Al摩尔分量从0％到50％渐变。薄的变铝组分AlGaN层能够减小所提出器件漏极端肖特基电极到二维电子气的距离，增加沟道二维电子气浓度，并消除AlGaN/GaN异质结处导带差，进而能够降低所提出器件的补偿电压和导通压降。同时漏极端部分的金属‑绝缘体‑半导体结构(MIS)能够有效降低器件反向漏电流，增加器件反向耐压。
Description
技术领域
本发明属于半导体功率器件技术领域，特别涉及一种基于具有变铝组分势垒层(Al0～0.50GaN)异质结结构的逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管。
背景技术
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。
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。
为了进一步减小双向开关的导通电压和导通损耗，提高开关转换效率，采用具有低补偿电压，低导通压降和高反向阻断能力的GaN高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的开关器件是非常有必要的。
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、漏极补偿电压、反向耐压、功耗)，提出了具有变铝组分势垒层(Al0～0.50GaN)异质结的逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管结构。本发明所提出的具有变铝组分势垒层(Al0～0.50GaN)异质结的逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管具有低补偿电压、低导通压降、低反向漏电流、高反向耐压等优点，尤其适用于双向开关中。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
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、AlGaN层3、钝化层4和绝缘介质层5；所述AlGaN层3的Al摩尔组分从AlGaN层3底部到顶部逐渐增大，AlGaN层3与GaN层2形成异质结；所述AlGaN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AlGaN层3上层具有栅极结构；所述栅极结构包括通过刻蚀部分AlGaN层3形成的第一凹槽10、绝缘栅介质5和金属栅电极9，第一凹槽10的底部与侧面覆盖绝缘介质层5，金属栅电极9填充在第一凹槽10中，且金属栅电极9和第一凹槽10之间通过绝缘栅介质5隔离，金属栅电极9沿器件上表面向两端延伸；所述源极结构为嵌入AlGaN层3上表面一端且形成欧姆接触的金属源电极6；所述漏极结构包括肖特基结构和金属-绝缘层-半导体结构；所述肖特基结构为在AlGaN层3上表面另一端形成肖特基接触的第一金属7；所述金属-绝缘层-半导体结构包括一个通过刻蚀部分AlGaN层3形成的第二凹槽11、绝缘介质5和第二金属8，第二凹槽11与第一金属7相邻，且绝缘介质5沿第二凹槽11侧面延伸至并覆盖第二凹槽11的底部，在第二凹槽11中填充第二金属8，第二金属8还沿器件上表面向靠近栅极结构的一侧延伸，且第一金属7与第二金属8之间进行电气连接，两电极之间保持相同电位。
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，所述钝化层4采用的材料为HfO2、SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO或Sc2O3中的一种或多种组合。
进一步的，所述绝缘介质5采用的材料为HfO2、SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO或Sc2O3中的一种或多种组合。
进一步的，所述AlGaN层3中Al、Ga、N的组分分别为x、1-x、1，从AlGaN层3底部到顶部Al组分x由0到0.5渐变。
进一步的，AlGaN层3的厚度为5nm到12nm。
上述方案，在实际制作过程中，第一凹槽10可与第二凹槽11同时形成，也可以根据要求单独形成；第一凹槽10上金属栅电极9可与第二凹槽11上覆盖的第二金属8以及第一金属7同时淀积，也可以根据要求单独生长；衬底1和GaN层2之间可以存在其他的材料。
本发明的有益效果为，提出的薄的具有变铝组分势垒层(Al0～0.50GaN)异质结的逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管与传统结构相比，具有低的补偿电压、低的导通压降、低的反向漏电流、高的反向耐压等优点，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逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管器件工艺兼容。
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为本发明提出的，一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管结构示意图；
图3为本发明提出的，一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管的制造工艺流程中，在衬底表面外延GaN层结构示意图；
图4为本发明提出的，一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管的制造工艺流程中，在GaN层表面外延生长一层薄的变铝组分AlGaN势垒层结构示意图；
图5为本发明提出的，一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管的制造工艺流程中，在AlGaN势垒层表面生长钝化层的结构示意图；
图6为本发明提出的，一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管的制造工艺流程中，刻蚀钝化层和AlGaN势垒层并淀积欧姆接触源极电极的结构示意图；
图7为本发明提出的，一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管的制造工艺流程中，刻蚀栅极，漏极钝化层和栅极，漏极下方部分AlGaN势垒层的结构示意图；
图8为本发明提出的，一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管的制造工艺流程中，在钝化层和部分AlGaN势垒层上生长介质层的结构示意图；
图9为本发明提出的，一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管的制造工艺流程中，在栅极和漏极分别淀积栅金属和漏极金属的结构示意图；
图10为常规逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管结构示意图；
图11为本发明提出的，一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管在势垒层厚度为10nm时，与常规逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管势垒层在25nm和10nm时的二维电子气浓度曲线；
图12为本发明提出的，一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管在不同栅极电压下的输出特性曲线；
图13为本发明提出的，一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管的正反向耐压曲线。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明提出的是一种薄的具有变铝组分势垒层(Al0～0.50GaN)异质结的逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管，它与常规逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管不同。在本发明提出的逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管中，AlGaN层的Al摩尔组分从AlGaN层底部到顶部渐变，如图2所示。
本发明的工作原理为：
提出一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管由于采用了薄的变铝组分势垒层(Al0～0.50GaN)异质结结构，能够减小肖特基漏极电极到二维电子气的距离，有效增加AlGaN/GaN异质结处的二维电子气浓度，并消除AlGaN/GaN异质结处导带差。进而能够降低漏极肖特基结的补偿电压和导通压降。同时漏极部分的金属-绝缘体-半导体结构(MIS)能够有效降低器件反向漏电流，增加器件反向耐压。
图3-图9为本发明，一种逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管的制造工艺示意图。图3所示为硅基氮化镓外延片；图4所示为在GaN层上生长一层变铝组分AlGaN势垒层；图5所示为在AlGaN势垒层上生长一层钝化层；图6刻蚀钝化层和AlGaN势垒层并淀积欧姆接触源极电极结构示意图；图7所示刻蚀栅极，漏极钝化层和栅极，漏极下方部分AlGaN势垒层的结构示意图；图8所示为在钝化层和部分AlGaN势垒层上生长介质层的结构示意图；图9所示为在栅极和漏极分别淀积栅金属和漏极金属的结构示意图；图10为常规逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管结构示意图；
图11为本发明提出的，一种薄的变铝组分Al0～0.50GaN/GaN异质结结构的逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管，与常规逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管，在势垒层下方在垂直于势垒层方向上的二维电子气浓度曲线。其中10nm厚Al组分渐变AlGaN势垒层结构的新型器件的二维电子气浓度明显高于10nm厚Al组分为0.23AlGaN势垒层结构的传统逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管，并且浓度接近于25nm厚Al组分0.23AlGaN势垒层结构的传统逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管。说明新型器件结构的势垒层能够在减薄势垒层的同时增加二维电子气浓度。
图12所示为本发明提出的，一种薄的变铝组分Al0～0.50GaN/GaN异质结结构的逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管的输出特性曲线。
图13所示为本发明提出的，一种薄的变铝组分Al0～0.50GaN/GaN异质结结构的逆阻型氮化镓高电子迁移率晶体管的耐压特性曲线。上述结果说明本发明提出的一种氮化镓横向MIS-肖特基混合阳极二极管的有效性和可实施性。
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)、AlGaN层(3)、钝化层(4)和绝缘栅介质(5)；所述AlGaN层(3)的Al摩尔组分从AlGaN层(3)底部到顶部逐渐增大，AlGaN层(3)与GaN层(2)形成异质结；所述AlGaN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AlGaN层(3)上层具有栅极结构；所述栅极结构包括通过刻蚀部分AlGaN层(3)形成的第一凹槽(10)、绝缘栅介质(5)和金属栅电极(9)，第一凹槽(10)的底部与侧面覆盖绝缘栅介质(5)，金属栅电极(9)填充在第一凹槽(10)中，且金属栅电极(9)和第一凹槽(10)之间通过绝缘栅介质(5)隔离，金属栅电极(9)沿器件上表面向两端延伸；所述源极结构为嵌入AlGaN层(3)上表面一端且形成欧姆接触的金属源电极(6)；所述漏极结构包括肖特基结构和金属-绝缘层-半导体结构；所述肖特基结构为在AlGaN层(3)上表面另一端形成肖特基接触的第一金属(7)；所述金属-绝缘层-半导体结构包括一个通过刻蚀部分AlGaN层(3)形成的第二凹槽(11)、绝缘栅介质(5)和第二金属(8)，第二凹槽(11)与第一金属(7)相邻，且绝缘栅介质(5)沿第二凹槽(11)侧面延伸至并覆盖第二凹槽(11)的底部，在第二凹槽(11)中填充第二金属(8)，第二金属(8)还沿器件上表面向靠近栅极结构的一侧延伸，且第一金属(7)与第二金属(8)之间进行电气连接，两电极之间保持相同电位；所述AlGaN层(3)中Al、Ga、N的组分分别为x、1-x、1，从AlGaN层(3)底部到顶部Al组分x由0到0.5渐变。
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，AlGaN层(3)的厚度为5nm到12nm。
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| Reverse-blocking AlGaN/GaN normally-off MIS-HEMT with double-recessed gated Schottky drain;Jiacheng Lei et al;《2018 IEEE 30th International symposium on Power Semiconductor Devices and ICs(ISPSD)》;20180625;第276-279页 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108807510A (zh) | 2018-11-13 |
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