CN109904216B - 具有AlGaN/GaN异质结的垂直型场效应晶体管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有AlGaN/GaN异质结的垂直型场效应晶体管及其制作方法。该器件具有两个特点：一是将AlGaN/GaN异质结形成的二维电子气用于形成器件的横向低阻导电通道；二是在器件漂移区中引入纵向低阻导电通道。器件关断时，由于二维电子气引入了新的电荷，改变了器件中的电场分布，提高了击穿电压，同时缓解了击穿电压与漂移区浓度之间的矛盾关系。器件导通时，由于新的导电通道改变了传统垂直型场效应晶体管的电流分布，使得在漂移区浓度较低的情况下也能实现较低的导通电阻。结合以上优势，在相同漂移区长度的情况下，本发明具有更高的耐压和更低的导通损耗。

Description

具有AlGaN/GaN异质结的垂直型场效应晶体管及其制作方法

技术领域

本发明涉及功率半导体器件领域，尤其涉及一种具有AlGaN/GaN异质结的垂直型场效应晶体管。

背景技术

功率半导体器件是指主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面的大功率电子器件。垂直双扩散金属氧化物半导体作为功率半导体器件领域的重要元器件，它的开关速度块，损耗耗小，输入阻抗高，驱动功率小，频率特性好，跨导高度线性。已经被广泛应用于功率集成电路与功率集成系统中。

作为第三代半导体材料核心之一的GaN材料，相比Si，GaAs和碳化硅(SiC)特殊之处在于其所具有极化效应。AlGaN/GaN异质结通过自发极化和压电极化效应在异质结界面处形成高密度二维电子气(two dimensional electron gas，2DEG)，这种二维电子气在异质结导电沟道中具有很高的迁移率。

目前，基于GaN材料的器件主要是横向HEMT器件，普通的AlGaN/GaN HEMTs器件由于栅极是肖特基接触，泄漏电流较大，位于器件表面的高电场峰也会带来的一系列热电子注入、逆压电效应等，对器件的性能带来不利影响，此外，横向器件相比于纵向器件仍然具有较小的电流密度，然而由于二维电子气密度受界面特性和晶向的影响，很难应用于传统纵向器件中。

发明内容

本发明提出一种新的具有AlGaN/GaN异质结垂直型场效应晶体管，旨在进一步提高垂直型场效应晶体管的击穿电压，降低其导通电阻，提高器件的性能。

本发明的技术方案如下：

具有AlGaN/GaN异质结的垂直型场效应晶体管，包括：

半导体材料的衬底，兼作漏区；

在衬底上外延生长形成的N型GaN外延层，作为漂移区；

分别在漂移区上部的左、右两端区域形成的两处P型基区；每一处P型基区中形成沟道以及N+型源区和P+沟道衬底接触，其中N+型源区与沟道邻接，P+沟道衬底接触相对于N+型源区位于沟道远端；

栅介质层，覆盖两处P型基区相应的沟道部分；

栅极，位于栅氧化层上表面；

源极，覆盖两处P+沟道衬底接触与相应N+型源区相接区域的上表面；

漏极，位于衬底下表面；

有别于现有技术的是：

所述漂移区分为：

在衬底上外延生长的轻掺杂漂移区；

在轻掺杂漂移区中部通过离子注入形成的重掺杂漂移区；

对应于器件中部，在重掺杂漂移区及其两侧邻接的轻掺杂漂移区部分的表面异质外延生长有ALGaN层，使得AlGaN/GaN异质结能够产生二维电子气(2DEG)，形成器件的横向低阻导电通道，并且在漂移区中引入纵向低阻导电通道；

ALGaN层表面设置有源介质层，满足覆盖2DEG的界面，源介质层设置有第三处源极，三处源极共接。

上述漂移区(包括重掺杂漂移区和轻掺杂漂移区)的掺杂浓度和厚度由器件的耐压要求决定，同时重掺杂漂移区的掺杂浓度以及深度还由器件的导通电阻决定。

进一步的，轻掺杂漂移区的掺杂浓度比重掺杂漂移区的掺杂浓度小1-3个数量级。

进一步的，重掺杂漂移区的掺杂浓度典型值为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁸cm^-3；轻掺杂漂移区的掺杂浓度典型值为1×10¹⁵cm^-3～1×10¹⁶cm^-3。

进一步的，P型基区的掺杂元素为Mg。

耐压为800V时，漂移区(N型氮化镓外延层)的厚度优选5微米。

上述栅介质层的厚度根据阈值电压确定，典型值为0.02～0.1μm；源介质层的厚度根据击穿电压(耐压要求)确定，典型值为0.5μm～1μm。

进一步的，P型基区及其N+型源区和P+沟道衬底接触以及沟道，是在N型GaN外延层上部采用离子注入形成的。

一种制作上述的具有AlGaN/GaN异质结的垂直型场效应晶体管的方法，包括以下步骤：

(1)取氮化镓材料作为衬底，同时作为漏区，在下表面形成金属化漏极；

(2)在衬底上形成N型GaN外延层作为轻掺杂漂移区；

(3)在外延层中间区域通过离子注入形成重掺杂漂移区；

(4)根据设计的耐压要求重复步骤(2)和(3)达到所要求的漂移区厚度；

(5)在漂移区上通过异质外延形成AlGaN层；

(6)在预定的左、右两端区域刻蚀去除AlGaN层，在掩膜的保护下，在N型GaN外延层上部的左、右两端区域采用离子注入形成P型基区及其N+型源区和P+沟道衬底接触，形成相应的沟道；

(7)在两侧沟道表面形成栅介质层，并淀积金属形成栅极；

(8)在中间AlGaN/GaN上面形成源介质层；

(9)在器件表面淀积钝化层，并在对应于源极的位置刻蚀接触孔；

(10)在接触孔内淀积金属并刻蚀去除周边其余的钝化层，形成源极，并将三处源极共接。

本发明技术方案的有益效果如下：

本发明为器件构造了新的导电通道，在特定位置将异质结结构作为部分漂移区，一是将AlGaN/GaN异质结形成的二维电子气用于形成器件的横向低阻导电通道，二是在器件漂移区中引入纵向低阻导电通道。器件关断时，由于2DEG引入了新的电荷，改变了器件中的电场分布，提高了击穿电压，在器件导通时，2DEG和重掺杂的漂移区改变了电流分布，大幅度降低了器件的导通损耗。

基于AlGaN/GaN异质结的垂直型场效应晶体管，在相同漂移区长度的情况下，具有更高的耐压和更低的导通损耗，具有更好的性能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，器件结构沿图中虚线对称。

其中，1-P+沟道衬底接触(P+型体区)；2-N+型源区；3-栅介质层；4-AlGaN层；5-源极；6-源介质层；7-栅极；8-源极；9-基区；10-轻掺杂漂移区；11-N+型漏区；12-漏极；13-重掺杂漂移区。

具体实施方式

下面结合附图以具有AlGaN/GaN异质结的N沟道垂直型场效应晶体管为例介绍本发明。

如图1所示，该实施例的器件结构中，漂移区分为两部分：在衬底上外延生长的轻掺杂漂移区10和在轻掺杂漂移区中部通过离子注入形成的重掺杂漂移区13。对应于器件中部，在重掺杂漂移区13及其两侧邻接的轻掺杂漂移区10部分的表面异质外延生长有ALGaN层4；ALGaN层表面设置有源介质层(6)，覆盖2DEG的界面；三处源极共接。AlGaN/GaN异质结形成的二维电子气用于形成器件的横向低阻导电通道，并且在器件漂移区中引入纵向低阻导电通道，改善了器件的击穿电压与导通损耗的矛盾关系。

轻掺杂漂移区的厚度由器件的耐压要求决定，重掺杂漂移区的浓度以及深度由器件的导通电阻决定。

轻掺杂漂移区的掺杂浓度根据设计的击穿电压确定，典型掺杂浓度范围为1×10¹⁵cm^-3～1×10¹⁶cm^-3。

重掺杂漂移区的掺杂浓度根据设计的击穿电压确定，典型掺杂浓度范围为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁸cm^-3。

N型氮化镓外延层的厚度根据设计的击穿电压确定，例如：耐压为800V时，N型氮化镓外延层的厚度大约为5微米。

栅介质层的厚度根据阈值电压确定，典型值为0.02～0.1μm，源介质层的厚度根据击穿电压确定，典型值为0.5μm～1μm。

该具有AlGaN/GaN异质结的N沟道垂直型场效应晶体管的制作方法如下：

(1)取宽带隙GaN半导体材料衬底，同时作为漏区；

(2)在N+型衬底上表面形成的宽带隙GaN半导体材的N型外延层，在中间区域通过离子注入形成重掺杂漂移区，外延注入的数由所设计的击穿电压确定，例如耐压800V时候，漂移区的长度典型值为5μm，需要2～3次数外延注入；

(3)在N+型衬底下表面形成金属化漏极；

(4)在GaN外延层上通过异质外延形成AlGaN层；

(5)在指定区域刻除AlGaN层，在掩膜的保护下，在GaN外延层上部的左、右两端区域采用离子注入形成P型基区及其N+型源区和P+沟道衬底接触，形成相应的沟道；

(6)在两侧沟道表面形成栅介质层，并淀积金属形成栅极；

(7)在中间AlGaN/GaN表面形成源介质层；

(8)在器件表面淀积钝化层，并在对应于源极的位置刻蚀接触孔；

(9)在接触孔内淀积金属并刻蚀(去除周边其余的钝化层)形成源极，并将三处源极共接。

本发明一方面将AlGaN/GaN异质结形成的二维电子气用于形成器件的横向低阻导电通道，另一方面在器件漂移区中引入纵向低阻导电通道。器件关断时，由于二维电子气引入了新的电荷，改变了器件中的电场分布，提高了击穿电压，同时缓解了击穿电压与漂移区浓度之间的矛盾关系。器件导通时，由于新的导电通道改变了传统垂直型场效应晶体管的电流分布，使得在漂移区浓度较低的情况下也能实现较低的导通电阻。结合以上优势，在相同漂移区长度的情况下，本发明具有更高的耐压和更低的导通损耗。

经ISE TCAD仿真表明，本发明提出的新型器件的性能较之于传统垂直型宽禁带场效应晶体管明显提升，当两种器件具有相等的击穿电压时，新型器件的导通电阻下降了30％以上。

本发明中的垂直型场效应晶体管当然也可以为P型沟道，其结构与N沟道垂直型场效应晶体管等同，也应当视为属于本申请权利要求的保护范围，在此不再赘述。

本发明所述的半导体材料也包括能形成二维电子气的其他半导体材料，如砷化镓等，应视为氮化镓的等同方案，即仍然属于本申请权利要求的保护范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换的方案也落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.具有AlGaN/GaN异质结的垂直型场效应晶体管，包括：

半导体材料的衬底，兼作漏区；

在衬底上外延生长形成的N型GaN外延层，作为漂移区；

分别在漂移区上部的左、右两端区域形成的两处P型基区（9）；每一处P型基区（9）中形成沟道以及N+型源区（2）和P+沟道衬底接触（1），其中N+型源区（2）与沟道邻接，P+沟道衬底接触（1）相对于N+型源区（2）位于沟道远端；

栅介质层（3），覆盖两处P型基区（9）相应的沟道部分；

栅极（7），位于栅氧化层上表面；

源极（8），覆盖两处P+沟道衬底接触（1）与相应N+型源区（2）相接区域的上表面；

漏极（12），位于衬底下表面；

其特征在于：

所述漂移区分为：

在衬底上外延生长的轻掺杂漂移区（10）；

在轻掺杂漂移区（10）中部通过离子注入形成的重掺杂漂移区（13）；

对应于器件中部，在重掺杂漂移区（13）及其两侧邻接的轻掺杂漂移区（10）部分的表面异质外延生长有ALGaN层（4），使得AlGaN/GaN异质结能够产生二维电子气，形成器件的横向低阻导电通道，并且在漂移区中引入纵向低阻导电通道；

ALGaN层表面设置有源介质层（6），满足覆盖二维电子气的界面，源介质层（6）设置有第三处源极（5），三处源极共接。

2.根据权利要求1所述的具有AlGaN/GaN异质结的垂直型场效应晶体管，其特征在于：轻掺杂漂移区的掺杂浓度比重掺杂漂移区的掺杂浓度小1-3个数量级。

3.根据权利要求2所述的具有AlGaN/GaN异质结的垂直型场效应晶体管，其特征在于：重掺杂漂移区（13）的掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3~1×10¹⁸cm^-3；轻掺杂漂移区（10）的掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3~1×10¹⁶cm^-3。

4.根据权利要求1所述的具有AlGaN/GaN异质结的垂直型场效应晶体管，其特征在于：P型基区的掺杂元素为Mg。

5.根据权利要求1所述的具有AlGaN/GaN异质结的垂直型场效应晶体管，其特征在于：耐压为800V时，漂移区的厚度为5微米。

6.根据权利要求1所述的具有AlGaN/GaN异质结的垂直型场效应晶体管，其特征在于：栅介质层的厚度根据阈值电压确定，为0.02~0.1μm；源介质层的厚度根据击穿电压确定，为0.5μm~1μm。

7.根据权利要求1所述的具有AlGaN/GaN异质结的垂直型场效应晶体管，其特征在于：P型基区及其N+型源区和P+沟道衬底接触以及沟道，是在N型GaN外延层上部采用离子注入形成的。

8.一种制作权利要求1所述的具有AlGaN/GaN异质结的垂直型场效应晶体管的方法，包括以下步骤：

（1）取氮化镓材料作为衬底，同时作为漏区，在下表面形成金属化漏极；

（2）在衬底上形成N型GaN外延层作为轻掺杂漂移区；

（3）在外延层中间区域通过离子注入形成重掺杂漂移区；

（4）根据设计的耐压要求重复步骤（2）和（3）达到所要求的漂移区厚度；

（5）在漂移区上通过异质外延形成AlGaN层；

（6）在预定的左、右两端区域刻蚀去除AlGaN层，在掩膜的保护下，在N型GaN外延层上部的左、右两端区域采用离子注入形成P型基区及其N+型源区和P+沟道衬底接触，形成相应的沟道；

（7）在两侧沟道表面形成栅介质层，并淀积金属形成栅极；

（8）在中间AlGaN/GaN上面形成源介质层；

（9）在器件表面淀积钝化层，并在对应于源极的位置刻蚀接触孔；

（10）在接触孔内淀积金属并刻蚀去除周边其余的钝化层，形成源极，并将三处源极共接。

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