CN109888002A - 具有超级结栅结构的常关型氮化镓场效应管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有超级结栅结构的常关型氮化镓场效应管及制造方法，该常关型氮化镓场效应管包括半导体基底、氮化镓衬底、氮化镓沟道层、氮化镓铝势垒层、钝化层、第一栅介质层、第二栅介质层、控制栅、源极和漏极，第一栅介质层和所述第二栅介质层形成超级结接触。本发明的有益效果是：本发明的常关型氮化镓场效应管的栅极包含一个超级结。具体的栅结构包含第一栅介质层和第二栅介质层。其中第一栅介质层可将沟道中的电子耗尽，实现常关型接触。第二栅介质层在第一栅介质层之上，和第一栅介质层形成超级结接触。该超级结可以增大p型栅的耐压，并减小栅极漏电。更重要的是，该超级结具有雪崩击穿或者齐纳击穿能力，显著提高栅极可靠性。

Description

具有超级结栅结构的常关型氮化镓场效应管及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及具有超级结栅结构的常关型氮化镓场效应管及其制造方法。

背景技术

氮化镓具有卓越的材料特性优势，比如宽禁带(3.4eV)，高击穿电场，高电子饱和速度和高电子迀移率。由于这些材料特性，基于氮化镓材料的电力电子器件比如氮化镓高电子迀移率晶体管相对于传统的硅器件具有更为优良的性能，包括耐高温、高频率、高速度等优点。由于氮化镓铝势垒层的自发极化，在氮化镓铝和氮化镓的界面处，有一层高浓度的二维电子气形成。该层二维电子气作为沟道可以实现氮化镓器件的低导通电阻特性，但却导致了氮化镓器件的常开型操作。出于对失效安全和简化驱动电路设计的需求，常关型器件在电路应用中的需求更为迫切。

目前公知的常关型器件实现方法包括F离子注入，和一个常关型硅基器件共源共栅连接，p型层，栅极势垒层减薄等方法。其中在栅区域用p型氮化镓或氮化镓铝耗尽二维电子气(如图1所示)的做法具有栅区域沟道电阻迁移率高，工艺简单，阈值均匀性高等优点，部分结构已被产业化。但p型栅结构的栅极漏电较大，这会导致电力转换效率降低。此外，栅压摆幅有限，且栅极击穿电压较低(通常10V栅压下栅极击穿时间在几千秒)。这对栅极驱动的设计提出了很高的要求，限制了氮化镓器件的广泛应用。栅极的可靠性更是亟待进一步提高。

发明内容

本发明提供了一种具有超级结栅结构的常关型氮化镓场效应管，包括半导体基底、氮化镓衬底、氮化镓沟道层、氮化镓铝势垒层、钝化层、第一栅介质层、第二栅介质层、控制栅、源极和漏极，所述氮化镓衬底位于所述半导体基底上方，所述氮化镓沟道层位于所述氮化镓衬底上方，所述氮化镓铝势垒层位于所述氮化镓沟道层上方，所述氮化镓铝势垒层上方设有所述第一栅介质层，所述第一栅介质层上方设有第二栅介质层，所述第一栅介质层和所述第二栅介质层形成栅区域，所述第一栅介质层与所述氮化镓铝势垒层形成异质结接触，所述第一栅介质层和所述第二栅介质层形成超级结接触，所述第二栅介质层上方设有所述控制栅，且所述控制栅覆盖所述第二栅介质层，所述控制栅与所述第二栅介质层形成欧姆接触或肖特基接触，所述控制栅两侧分别设有所述源极和所述漏极，所述源极和所述漏极位于所述氮化镓沟道层上方；所述钝化层位于所述氮化镓铝势垒层上方，且所述钝化层位于所述源极和所述漏极之间。

作为本发明的进一步改进，第一栅介质层为p型栅介质层，第二栅介质层为n型栅介质层。

作为本发明的进一步改进，所述半导体基底为硅、蓝宝石或者碳化硅衬底中的一种。

作为本发明的进一步改进，所述p型栅介质层为掺杂Mg的铝镓氮、氮化镓、氮化镓铝、氮化铝的一种或几种。

作为本发明的进一步改进，所述n型栅介质层为掺杂Si的氮化镓，氮化镓铝，氮化铝中的一种或几种。

作为本发明的进一步改进，所述控制栅为多晶硅控制栅或者金属控制栅的一种。

作为本发明的进一步改进，所述钝化层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮氧化铝的一种或几种。

本发明还提供了一种常关型氮化镓场效应管的制造方法，包括如下步骤：

第一步：在半导体基底上方依次形成氮化镓衬底、氮化镓沟道层、氮化镓铝势垒层、第一栅介质层、第二栅介质层第一栅介质层和第二栅介质层形成超级结接触，然后进行光刻并依次刻蚀栅区域之外的第二栅介质层和第一栅介质层；

第二步：在氮化镓铝势垒层和第二栅介质层上沉积钝化层；

第三步：进行光刻和刻蚀，在氮化镓沟道层上方形成源极和漏极，源极和漏极分别位于氮化镓铝势垒层两侧；

第四步：通过光刻和刻蚀，去除第二栅介质层上的钝化层；

第五步：在第二栅介质层上覆盖控制栅。

作为本发明的进一步改进，第一栅介质层为p型栅介质层，第二栅介质层为n型栅介质层。

作为本发明的进一步改进，所述控制栅为导电薄膜。

本发明的有益效果是：本发明的常关型氮化镓场效应管的栅极包含一个超级结。具体的栅结构包含第一栅介质层和第二栅介质层。其中第一栅介质层可将沟道中的电子耗尽，实现常关型接触。第二栅介质层在第一栅介质层之上，和第一栅介质层形成超级结接触。该超级结可以增大p型栅的耐压，并减小栅极漏电。更重要的是，该超级结具有雪崩击穿或者齐纳击穿能力，可以显著提高栅极可靠性。

附图说明

图1是背景技术中的一种具有p型栅结构的常关型氮化镓高电子迁移率场效应管示意图；

图2是本发明具有超级结栅结构的常关型氮化镓场效应管的一个实施例的剖面结构图；

图3-图6是本发明制造方法的工艺流程图。

具体实施方式

如图2所示，本发明公开了一种具有超级结栅结构的常关型氮化镓场效应管，包括半导体基底11、氮化镓衬底12、氮化镓沟道层14、氮化镓铝势垒层15、钝化层16、第一栅介质层201、第二栅介质层301、控制栅104、源极101和漏极102，所述氮化镓衬底12位于所述半导体基底11上方，所述氮化镓沟道层14位于所述氮化镓衬底12上方，所述氮化镓铝势垒层15位于所述氮化镓沟道层14上方，所述氮化镓铝势垒层15上方设有所述第一栅介质层201，所述第一栅介质层201上方设有第二栅介质层301，所述第一栅介质层201和所述第二栅介质层301形成栅区域，所述第一栅介质层201与所述氮化镓铝势垒层15形成异质结接触，所述第一栅介质层201和所述第二栅介质层301形成超级结接触，所述第二栅介质层301上方设有所述控制栅104，且所述控制栅104覆盖所述第二栅介质层301，所述控制栅104与所述第二栅介质层301形成欧姆接触或肖特基接触，所述控制栅104两侧分别设有所述源极101和所述漏极102，所述源极101和所述漏极102位于所述氮化镓沟道层14上方；所述钝化层16位于所述氮化镓铝势垒层15上方，且所述钝化层16位于所述源极101和所述漏极102之间。

第一栅介质层201为p型栅介质层，第二栅介质层301为n型栅介质层。

所述半导体基底11为硅、蓝宝石或者碳化硅衬底中的一种。

所述p型栅介质层为掺杂Mg的铝镓氮、氮化镓、氮化镓铝、氮化铝的一种或几种。Mg的掺杂浓度可以在不同区域不一样。

所述n型栅介质层为掺杂Si的氮化镓，氮化镓铝，氮化铝中的一种或几种。Si的掺杂浓度可以在不同区域不一样。

所述控制栅104为多晶硅控制栅或者金属控制栅的一种。

所述钝化层16为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮氧化铝的一种或几种。钝化层16为半导体器件中通用的结构，用于减小电流崩塌。

控制栅104通过金属和pn超级结的p型层相连，形成欧姆接触或者肖特基接触；超级结的n型作为栅极驱动。

本发明还公开了一种具有超级结栅结构的常关型氮化镓场效应管的制造方法，包括如下步骤：

第一步：如图3所示，在半导体基底11上方依次形成氮化镓衬底12、氮化镓沟道层14、氮化镓铝势垒层15、第一栅介质层201、第二栅介质层301，第一栅介质层201和第二栅介质层301形成超级结接触，然后进行光刻并依次刻蚀栅区域之外的第二栅介质层301和第一栅介质层201；

第二步：如图4所示，在氮化镓铝势垒层15和第二栅介质层301上沉积钝化层16；

第三步：如图5所示，进行光刻和刻蚀，在氮化镓沟道层14上方形成源极101和漏极102，源极101和漏极102分别位于氮化镓铝势垒层15两侧；

第四步：如图6所示，通过光刻和刻蚀，去除第二栅介质层301上的钝化层16；

第五步：在第二栅介质层301上覆盖控制栅104。

第一栅介质层201为p型栅介质层，第二栅介质层301为n型栅介质层。

所述控制栅104为导电薄膜。

本发明的有益效果：本发明的常关型氮化镓场效应管的栅极包含一个超级结。具体的栅结构包含第一栅介质层201和第二栅介质层301。其中第一栅介质层201可将沟道中的电子耗尽，实现常关型接触。第二栅介质层301在第一栅介质层201之上，和第一栅介质层201形成超级结接触。该超级结可以增大p型栅的耐压，并减小栅极漏电。更重要的是，该超级结具有雪崩击穿或者齐纳击穿能力，可以显著提高栅极可靠性。本发明的氮化镓超级结栅功率器件能够实现器件的常关型操作，且栅极可靠性得到增强，使栅压摆幅范围更大，减小对栅驱动设计限制，更好地应用于功率转换器电路。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有超级结栅结构的常关型氮化镓场效应管，其特征在于：包括半导体基底(11)、氮化镓衬底(12)、氮化镓沟道层(14)、氮化镓铝势垒层(15)、钝化层(16)、第一栅介质层(201)、第二栅介质层(301)、控制栅(104)、源极(101)和漏极(102)，所述氮化镓衬底(12)位于所述半导体基底(11)上方，所述氮化镓沟道层(14)位于所述氮化镓衬底(12)上方，所述氮化镓铝势垒层(15)位于所述氮化镓沟道层(14)上方，所述氮化镓铝势垒层(15)上方设有所述第一栅介质层(201)，所述第一栅介质层(201)上方设有第二栅介质层(301)，所述第一栅介质层(201)和所述第二栅介质层(301)形成栅区域，所述第一栅介质层(201)与所述氮化镓铝势垒层(15)形成异质结接触，所述第一栅介质层(201)和所述第二栅介质层(301)形成超级结接触，所述第二栅介质层(301)上方设有所述控制栅(104)，且所述控制栅(104)覆盖所述第二栅介质层(301)，所述控制栅(104)与所述第二栅介质层(301)形成欧姆接触或肖特基接触，所述控制栅(104)两侧分别设有所述源极(101)和所述漏极(102)，所述源极(101)和所述漏极(102)位于所述氮化镓沟道层(14)上方；所述钝化层(16)位于所述氮化镓铝势垒层(15)上方，且所述钝化层(16)位于所述源极(101)和所述漏极(102)之间。

2.根据权利要求1所述的常关型氮化镓场效应管，其特征在于：第一栅介质层(201)为p型栅介质层，第二栅介质层(301)为n型栅介质层。

3.根据权利要求1所述的常关型氮化镓场效应管，其特征在于：所述半导体基底(11)为硅、蓝宝石或者碳化硅衬底中的一种。

4.根据权利要求2所述的常关型氮化镓场效应管，其特征在于：所述p型栅介质层为掺杂Mg的铝镓氮、氮化镓、氮化镓铝、氮化铝的一种或几种。

5.根据权利要求2所述的常关型氮化镓场效应管，其特征在于：所述n型栅介质层为掺杂Si的氮化镓，氮化镓铝，氮化铝中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的常关型氮化镓场效应管，其特征在于：所述控制栅(104)为多晶硅控制栅或者金属控制栅的一种。

7.根据权利要求1所述的常关型氮化镓场效应管，其特征在于：所述钝化层(16)为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮氧化铝的一种或几种。

8.一种权利要求1-7任一项所述常关型氮化镓场效应管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：在半导体基底(11)上方依次形成氮化镓衬底(12)、氮化镓沟道层(14)、氮化镓铝势垒层(15)、第一栅介质层(201)、第二栅介质层(301)，第一栅介质层(201)和第二栅介质层(301)形成超级结接触，然后进行光刻并依次刻蚀栅区域之外的第二栅介质层(301)和第一栅介质层(201)；

第二步：在氮化镓铝势垒层(15)和第二栅介质层(301)上沉积钝化层(16)；

第三步：进行光刻和刻蚀，在氮化镓沟道层(14)上方形成源极(101)和漏极(102)，源极(101)和漏极(102)分别位于氮化镓铝势垒层(15)两侧；

第四步：通过光刻和刻蚀，去除第二栅介质层(301)上的钝化层(16)；

第五步：在第二栅介质层(301)上覆盖控制栅(104)。

9.根据权利要求8所述制造方法，其特征在于，第一栅介质层(201)为p型栅介质层，第二栅介质层(301)为n型栅介质层。

10.根据权利要求8所述制造方法，其特征在于，所述控制栅(104)为导电薄膜。