CN109148565A - 一种结型场效应管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结型场效应管及其制备方法，该方法包括：衬底、衬底上自下而上排布的n型缓冲层、n+型SiC通道层，且n+型SiC通道层表面的两端分别设置有P型源极接触层，且两端的P型源极接触层之间设置有n型再生长沟道层，该n型再生长沟道层的两端部分覆盖在相邻的P型源极接触层上，该P型源极接触层上设置有源极接触电极，n型再生长沟道层上设置有栅极欧姆接触电极，衬底的底面设置有漏级电极。相对于现有技术，在结型场效应管中使用SiC，使得结型场效应管具备导通电阻小、开关损耗小、击穿电压大、且高温稳定性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种结型场效应管及其制备方法。
背景技术
在电力电子行业的发展过程中，半导体技术起到了决定性作用，半导体场效应晶体管最近一段时间以来受到国内外的高度重视和深入研究。
然而，目前常用的硅金属氧化物半导体场效应管存在导通电阻大，开关损耗大，击穿电压小，高温稳定性差等问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种结型场效应管及其制备方法，旨在解决现有技术中半导体场效应管存在导通电阻大、开关损耗大、击穿电压小，高温稳定性差等问题。
为实现上述目的，本发明第一方面提供一种结型场效应管，包括：衬底，衬底上自下而上排布的n型缓冲层、n+型SiC通道层，且所述n+型SiC通道层表面的两端分别设置有P型源极接触层，且两端的P型源极接触层之间设置有n型再生长沟道层，所述n型再生长沟道层的两端部分覆盖在相邻的P型源极接触层上；
所述P型源极接触层上设置有源极接触电极，所述n型再生长沟道层上设置有栅极欧姆接触电极，所述衬底的底面设置有漏极电极。
优选地，所述n型缓冲层为n型SiC缓冲层，或者为n型AlN缓冲层，或者为n型GaN缓冲层。
优选地，所述P型源极接触层为P型SiC源极接触层，或者为P型AlN源极接触层，或者为P型GaN源极接触层。
优选地，所述n型再生长沟道层为采用同质外延生长的n型SiC再生长沟道层，或者为采用异质外延生长的n型GaN再生长沟道层。
优选地，所述n型缓冲层、n+型SiC通道层、P型源极接触层及n型再生长沟道层的厚度依次为100nm-200nm、300～700nm、400nm及550nm，且载流子浓度依次为2x1017cm-3、1x1018cm-3～1x1019cm-3、2x1017cm-3及3x1018cm-3，其中，n型缓冲层的厚度优选为150nm、n+型SiC通道层的厚度优选为500nm，n+型SiC通道层的载流子浓度优选为2x1018cm-3。
优选地，所述n型缓冲层在生长时，使用三氯氧磷作为n型掺杂剂的磷原料，所述P型源极接触层在生长时，使用环戊二烯基镁作为P型掺杂剂的镁原料，所述n型再生长沟道层在生长时，使用三氯氧磷作为n型掺杂剂的磷原料。
优选地，源极接触电极包括依次叠加的12nm的Ti层和260nm的Al层，所述栅极欧姆接触电极包括依次叠加的10nm的Ni层和130nm的Au层，所述漏级电极为240nm的Al层。
优选地，所述衬底为SiC衬底或者蓝宝石衬底。
本发明实施例第二方面还提供一种结型场效应管的制备方法，用于制备第一方面中的结型场效应管，所述方法包括：
采用垂直热壁化学气相沉积法在衬底上自下而上依次生长n型缓冲层、n+型SiC通道层及P型源极接触层；
通过反应离子蚀刻在所述P型源极接触层的中部形成开口，并通过同质外延生长方式在开口处生长n型再生长沟道层，所述n型再生长沟道层部分叠加在相邻的P型源极接触层上；
在所述P型源极接触层上设置源极接触电极，在所述n型再生长沟道层上设置栅极欧姆接触电极，在所述衬底的底面设置漏级电极。
优选地，所述栅极欧姆接触电极是利用溅射、蒸镀和后续蚀刻连续沉积方式形成的，所述源极接触电极是使用剥离工艺在600摄氏度烧结形成的，所述漏级电极是使用溅射、蒸镀方式形成的。
基于上述提供的技术内容可知，相对于现有技术，本申请的技术方案中使用到了SiC材料制备结型场效应管，由于SiC材料本身的特性，使得制备得到的结型场效应管具备导通电阻小、开关损耗小、击穿电压大，且高温稳定性好等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中结型场效应管的结构示意图；
图2为本发明实施例中结型场效应管的结构示意图；
图3为本发明实施例中结型场效应管的制备方法的流程示意图；
图4至图6为本发明实施例中SiC结型场效应管的制备过程中结构变化的示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中，请参阅图1，为本发明实施例中结型场效应管的结构示意图，该结型场效应管包括衬底、衬底上自下而上排布的n型缓冲层、n+型SiC通道层，且该n+型SiC通道层表面的两端分别设置有P型源极接触层，且两端的P型源极接触层之间设置有n型再生长沟道层，该n型再生长沟道层的两端部分覆盖在相邻的P型源极接触层上，其中，P型源极接触层上设置有源极接触电极，n型再生长沟道层上设置有栅极欧姆接触电极，衬底的底面设置有漏级电极。
其中，n型缓冲层优选为n型SiC缓冲层，或者还可以是n型AlN缓冲层，或者还可以是n型GaN缓冲层。
其中，P型源极接触层优选为P型SiC源极接触层，或者还可以为P型AlN源极接触层，或者还可以是P型GaN源极接触层。
其中，n型再生长沟道层优选为采用同质外延生成的n型SiC再生长沟道层，或者还可以为采用异质外延生长的n型GaN再生长沟道层。
为了更好的理解本发明实施例中结型场效应管，介绍一种具体的应用场景，如下：以n型缓冲层为n型SiC缓冲层，n型再生长沟道层为采用同质外延生长的n型SiC再生长沟道层，P型源极接触层为P型SiC源极接触层为例，请参阅图2，为本发明实施例中一种可行的结型场效应管的结构示意图。
需要说明的是，本发明实施例中的SiC材料的特性使得使用SiC材料的结型场效应管具有导通电阻小、开关损耗小、击穿电压大、高温稳定性好等优点，其中，SiC材料的特性包含以下几点：第一、SiC的禁带宽度Eg大，且是Si的3倍，GaAs的2倍，因此本征温度高，使得SiC功率半导体器件的工作温度可以高达600摄氏度以上，在高温下仍然具有较好的稳定性，且SiC器件的高温工作能力也可以降低对系统热预算的要求。第二、SiC的击穿场强高，SiC的击穿场强Ec是Si的10倍，是GaAs的7倍，因此，SiC功率半导体器件的最高工作电压比Si的同类器件高的多，且由于功率半导体器件的导通电阻与击穿场强的立方成反比，因此，SiC功率半导体器件的导通电阻比Si的同类器件的导通电阻低的多，使得SiC功率半导体器件的开关损耗小。第三、SiC的热导率高、电子漂移速度高、SiC的热导率是Si的2.5倍，是GaAs的8倍，饱和电子漂移速度高，是Si及GaAs的2倍，因此，更适合高温条件下工作。基于上述三点特性，使得基于SiC材料的结型场效应管导通电阻小、开关损耗小、拥有更大的击穿电压，且由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性。本发明实施例中提及的结型场效应管即为上述的SiC功率半导体器件中的一种。
在本发明实施例中，n型缓冲层、n+型SiC通道层、P型源极接触层及n型再生长沟道层的厚度依次为100nm-200nm、300～700nm、400nm及550nm，且载流子浓度依次约为2x1017cm-3、1x1018cm-3～1x1019cm-3、2x1017cm-3及3x1018cm-3。其中，n型缓冲层的厚度优选为150nm、n+型SiC通道层的厚度优选为500nm，n+型SiC通道层的载流子浓度优选为2x1018cm-3。以图2所示的结构为例，其中，n型SiC缓冲层的厚度为150nm，载流子浓度约为2x1017cm-3，n+型SiC通道层的厚度为500nm，载流子浓度约为2x1018cm-3，P型SiC源极接触层的厚度为400，载流子浓度约为2x1017cm-3，n型SiC再生长沟道层的厚度为550nm，载流子浓度约为3x1018cm-3。
在本发明实施例中，上述n型缓冲层在生长时，可以使用三氯氧磷作为n型掺杂剂的磷原料，P型源极接触层在生长时，可以使用环戊二烯基镁作为P型掺杂剂的镁原料，n型再生长沟道层在生长时，使用三氯氧磷作为n型掺杂剂的磷原料。
其中，栅极欧姆接触电极是利用溅射、蒸镀和后续蚀刻连续沉积方式形成的，包含依次叠加的10nm的Ni层和130nm的Au层；源极接触电极是使用剥离工艺在600摄氏度烧结形成的，包括依次叠加的12nm的Ti层和260nm的Al层，漏级电极是使用溅射、蒸镀方式形成的，为240nm的Al层。
其中，上述衬底可以为SiC衬底或者蓝宝石衬底。
在本发明实施例中使用到了SiC材料制备结型场效应管，由于SiC材料本身的特性，使得制备得到的结型场效应管具备导通电阻小、开关损耗小、击穿电压大，且高温稳定性好等优点。
请参阅图3，为本发明实施例中结型场效应管的制备方法的流程示意图，包括：
步骤301、采用垂直热壁化学气相沉积法在衬底上自下而上依次生长n型缓冲层、n+型SiC通道层及P型源极接触层；
步骤302、通过反应离子蚀刻在所述P型源极接触层的中部形成开口，并通过同质外延生长方式在开口处生长n型再生长沟道层，所述n型再生长沟道层部分叠加在相邻的P型源极接触层上；
步骤303、在所述P型源极接触层上设置源极接触电极，在所述n型再生长沟道层上设置栅极欧姆接触电极，在所述衬底的底面设置漏级电极。
在本发明实施例中，为了更好的理解本发明实施例中的技术方案，以制备图2所示的结型场效应管为例描述本发明实施例中的场效应管的制备方法。
如图4所示，使用SiC衬底，该SiC衬底的双面抛光，利用垂直热壁化学气相沉积法(CVD)在衬底上按照自下而上的顺序依次生长150nm的n型SiC缓冲层，且载流子浓度为2x1017cm-3，生长500nm的n+型SiC通道层，且载流子浓度为2x1018cm-3，生长400nm的P型SiC源极接触层，且载流子浓度为2x1017cm-3，得到如图4所示的垂直SiC基平面图。
接着，如图5所示，通过反应离子蚀刻在P型SiC源极接触层形成开口，进一步的，如图6所示，通过同质外延生长在该开口处形成550nm的n型SiC再生长沟道层，最后，如图2所示，在n型SiC再生长沟道层上利用溅射、蒸镀和后续刻蚀连续沉积方式形成栅极欧姆接触电极，且是先形成10nm的Ni层，然后再在Ni层上形成130nm的Au层。且在两端的P型SiC层上分别使用剥离脱离工艺在600摄氏度烧结形成源极接触电极，具体是先形成12nm的Ti层，然后再在Ti层上形成260nm的Al层。此外，还需要在SiC衬底的底面利用溅射、蒸镀等方式形成漏级电极，该漏级电极为240nm的Al层。
在本发明实施例中，通过使用SiC材料制备结型场效应管，由于SiC材料本身的特性，使得制备得到的结型场效应管具备导通电阻小、开关损耗小、击穿电压大，且高温稳定性好等优点。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的一种结型场效应管及其制备方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种结型场效应管，其特征在于，包括：衬底，衬底上自下而上排布的n型缓冲层、n+型SiC通道层，且所述n+型SiC通道层表面的两端分别设置有P型源极接触层，且两端的P型源极接触层之间设置有n型再生长沟道层，所述n型再生长沟道层的两端部分覆盖在相邻的P型源极接触层上；
所述P型源极接触层上设置有源极接触电极，所述n型再生长沟道层上设置有栅极欧姆接触电极，所述衬底的底面设置有漏极电极。
2.根据权利要求1所述的结型场效应管，其特征在于，所述n型缓冲层为n型SiC缓冲层，或者为n型AlN缓冲层，或者为n型GaN缓冲层。
3.根据权利要求1所述的结型场效应管，其特征在于，所述P型源极接触层为P型SiC源极接触层，或者为P型AlN源极接触层，或者为P型GaN源极接触层。
4.根据权利要求1所述的结型场效应管，其特征在于，所述n型再生长沟道层为采用同质外延生长的n型SiC再生长沟道层，或者为采用异质外延生长的n型GaN再生长沟道层。
5.根据权利要求1所述的结型场效应管，其特征在于，所述n型缓冲层、n+型SiC通道层、P型源极接触层及n型再生长沟道层的厚度依次为100nm-200nm、300～700nm、400nm及550nm，且载流子浓度依次为2x1017cm-3、1x1018cm-3～1x1019cm-3、2x1017cm-3及3x1018cm-3，其中，n型缓冲层的厚度优选为150nm、n+型SiC通道层的厚度优选为500nm，n+型SiC通道层的载流子浓度优选为2x1018cm-3。
6.根据权利要求1所述的结型场效应管，其特征在于，所述n型缓冲层在生长时，使用三氯氧磷作为n型掺杂剂的磷原料，所述P型源极接触层在生长时，使用环戊二烯基镁作为P型掺杂剂的镁原料，所述n型再生长沟道层在生长时，使用三氯氧磷作为n型掺杂剂的磷原料。
7.根据权利要求1所述的结型场效应管，其特征在于，源极接触电极包括依次叠加的12nm的Ti层和260nm的Al层，所述栅极欧姆接触电极包括依次叠加的10nm的Ni层和130nm的Au层，所述漏级电极为240nm的Al层。
8.根据权利要求1所述的结型场效应管，其特征在于，所述衬底为SiC衬底或者蓝宝石衬底。
9.一种权利要求1至8中任意一项所述的结型场效应管的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
采用垂直热壁化学气相沉积法在衬底上自下而上依次生长n型缓冲层、n+型SiC通道层及P型源极接触层；
通过反应离子蚀刻在所述P型源极接触层的中部形成开口，并通过同质外延生长方式在开口处生长n型再生长沟道层，所述n型再生长沟道层部分叠加在相邻的P型源极接触层上；
在所述P型源极接触层上设置源极接触电极，在所述n型再生长沟道层上设置栅极欧姆接触电极，在所述衬底的底面设置漏级电极。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述栅极欧姆接触电极是利用溅射、蒸镀和后续蚀刻连续沉积方式形成的，所述源极接触电极是使用剥离工艺在600摄氏度烧结形成的，所述漏级电极是使用溅射、蒸镀方式形成的。
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