CN110690273B - 横向GaN基增强型结型场效应管器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种横向GaN基增强型结型场效应管器件及其制备方法。该器件利用刻槽+外延再生长或离子注入在n‑GaN基底上获得多片式垂直条状结构p‑GaN，与n‑GaN基底形成多个薄的p‑n结横向n型沟道，再通过沟道厚度以及p型和n型掺杂浓度的控制，使n型沟道在零偏下处于p‑n结内建电场的完全耗尽状态，即器件处于关断状态，需要施加正向偏压才能使沟道处于导通状态，即器件具有正的阈值电压。同时，多沟道保证了器件的大电流输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种增强型结型场效应晶体管(JFET)，尤其是一种横向GaN基增强型结型场效应管。
背景技术
功率半导体器件作为功率转换、控制电路、功率管理等电力电子系统的核心器件，广泛应用于电力传输、交通运输、消费电子等重要领域。GaN基场效应晶体管因具有工作频率高、导通电阻低、功率密度高、耐击穿电压高等优势，因而具有广阔的应用前景。AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)因生长工艺相对容易实现而发展较快，而GaN基结型场效应晶体管(JFET)需要利用再生长或离子注入工艺来实现p-n结，制备工艺较为复杂，因此其发展也相对滞后。但JFET器件具有输入阻抗高、噪声小、极限频率高、功耗小、抗辐照能力强等特点，在可变电阻和功放领域具有重要应用。JFET一般是耗尽型的器件，栅极只能外加反向电压才能正常工作，而对于电力电子方面的应用，往往要求功率半导体器件为增强型器件，否则会增加驱动电路的设计难度，并增大功率半导体器件的关态损耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种横向GaN基增强型结型场效应管器件，实现了增强型的GaN基结型场效应晶体管。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种横向GaN基增强型结型场效应管器件，其结构包括：
一衬底层；
一生长于衬底层上的半绝缘GaN层；
一生长于半绝缘GaN层上的n-GaN沟道层，所述n-GaN沟道层内设多个平行的沟道，深至半绝缘GaN层；
还包括填充在n-GaN沟道层的沟道中的条形p-GaN，p-GaN与n-GaN沟道层形成多片夹心式的p-n结；
源电极和漏电极，分别设置在n-GaN沟道层顶表面的两端；
栅电极，覆盖p-GaN的顶表面，并在一端联结，形成叉指结构的栅电极。
优选的，所述衬底层为蓝宝石衬底、Si衬底或SiC衬底。
优选的，所述半绝缘GaN层高度为2-5μm。
优选的，所述n-GaN沟道层沟道宽度为300-500nm。
优选的，n-GaN沟道层中，n-GaN的沟道厚度为50-200nm，沟道长度15-30μm，硅掺杂浓度为1*1018cm-3；p-GaN表面与n-GaN沟道层表面齐平或略高于n-GaN沟道层表面，p-GaN的宽度为50-100nm，长度与n-GaN沟道层的沟道长度相同，掺杂浓度为1*1018-1*1019cm-3，控制沟道宽度，使其沟道在零偏下处于耗尽状态。即器件为增强型模式。略高于n-GaN沟道层表面是指高度差在50nm以内。
优选的，所述源电极和漏电极为Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为30/150/50/150nm，栅电极为Ni/Au多层金属，厚度为50/100nm。
本发明还公开了上述的横向GaN基增强型结型场效应管器件的制备方法，其步骤包括：
(1)MOCVD法在衬底表面沉积半绝缘GaN层和n-GaN沟道层；
(2)用ICP刻蚀的方法，在n-GaN基底上刻蚀出多片凹槽，形成条形沟，条形沟深度到半绝缘GaN层；
(3)采用掩模选区工艺，使用MOCVD或者MBE系统再生长p-GaN，使凹槽中填满p-GaN，使p-GaN表面与n-GaN沟道层表面齐平或略高于n-GaN沟道层表面，形成多片夹心式p-n结；
(4)用电子束蒸镀的方法在n-GaN沟道层顶表面两端制作Ti/Al/Ni/Au源漏金属电极，在p-GaN顶表面制作叉指结构的Ni/Au栅金属。
优选的，步骤(1)中生长半绝缘GaN的方法：三甲基镓和NH3分别作为Ga源和N源，载气为H2或者N2，生长温度为1000-1100℃，生长时间2-5h，n-GaN沟道层的生长方法：温度950-1050℃，硅掺杂浓度为1*1018cm-3，生长时间15-20min；
步骤(2)中沟道深度到半绝缘GaN层并过刻50-100nm，以保证n-GaN被完全去除；
步骤(4)中用电子束蒸镀的方法在n-GaN沟道层顶表面两端制作Ti/Al/Ni/Au30/150/50/150nm多层金属作为源电极和漏电极，在p-GaN顶表面制作叉指结构的Ni/Au 50/100nm栅金属电极，并在快速热退火炉中850℃30s。
本发明还公开了上述的横向GaN基增强型结型场效应管器件的另一种制备方法，其步骤包括：
(1)MOCVD法在衬底表面沉积半绝缘GaN层和n-GaN沟道层；
(2)采用Mg离子注入的方法，在n-GaN沟道层中注入出多片垂直条状结构的p-GaN，形成多片夹心式p-n结；
(3)用电子束蒸镀的方法在n-GaN沟道层顶表面两端制作Ti/Al/Ni/Au源漏金属电极，在p-GaN顶表面制作叉指结构的Ni/Au栅金属。
优选的，步骤(1)中生长半绝缘GaN的方法：三甲基镓和NH3分别作为Ga源和N源，载气为H2或者N2，生长温度为1000-1100℃，生长时间2-5h，n-GaN沟道层的生长方法：温度950-1050℃，硅掺杂浓度为1*1018cm-3，生长时间15-20min；
步骤(2)中注入离子的能量为100-120KeV，注入剂量为1*1018cm-3-1*1019cm-3，在800-1200度退火30s-60s；
步骤(3)中用电子束蒸镀的方法在n-GaN沟道层顶表面两端制作Ti/Al/Ni/Au30/150/50/150nm多层金属作为源电极和漏电极，在p-GaN顶表面制作叉指结构的Ni/Au 50/100nm栅金属电极，并在快速热退火炉中850℃30s。
本发明利用刻槽+外延再生长或离子注入在n-GaN基底上获得多片式垂直叉指结构p-GaN，与n-GaN基底形成多个薄的p-n结横向n型沟道，再通过沟道厚度以及p型和n型掺杂浓度的控制，使n型沟道在零偏下处于p-n结内建电场的完全耗尽状态，即器件处于关断状态，需要施加正向偏压才能使沟道处于导通状态，即器件具有正的阈值电压。同时，多沟道保证了器件的大电流输出。
本发明实现了增强型的GaN基结型场效应晶体管。而传统的结型场效应晶体管都是耗尽型的，零偏下处于导通状态，会增加功率半导体器件的关态损耗，并且使用时不安全。本发明的增强型器件不仅没有这些问题，还可以简化驱动电路。同时，多沟道保证了GaN基结型场效应晶体管具有大的输出电流。
附图说明
图1是实施例1步骤(1)中得到的n-GaN外延片结构示意图。
图2是实施例1步骤(2)中得到的n-GaN外延片结构示意图。
图3是实施例1步骤(3)中得到的横向GaN基增强型器件结构示意图。
图4是实施例1步骤(4)中得到的横向GaN基增强型器件结构示意图。
图5为图3中的横向GaN基增强型器件标注了各方向尺寸的示意图。
具体实施方式
以下是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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
实施例1
如图1-4所示，一种横向GaN基增强型结型场效应管器件的制备方法，其步骤包括：
(1)MOCVD法在蓝宝石衬底1表面沉积半绝缘GaN层2和n-GaN沟道层3，如图1所示；半绝缘GaN的生长方法：三甲基镓和NH3分别作为Ga源和N源，载气为H2或者N2，生长温度为1000-1100℃，生长时间3-5h。n-GaN沟道层的生长方法：温度950-1050℃，硅掺杂浓度为1*1018cm-3，生长时间15-20min；
(2)用ICP氯基等离子体刻蚀的方法，在n-GaN基底上刻蚀出多片凹槽4，，凹槽深度到半绝缘GaN层并过刻50-100nm，以保证n-GaN被完全去除，如图2所示；
(3)采用掩模选区工艺，使用MOCVD或者MBE系统再生长p-GaN，使沟道中填满p-GaN，并外延出p-GaN条状结构5，p-GaN条状结构大概高出n-GaN沟道层表面10-50nm，形成多片夹心式p-n结，如图3所示；
(4)用电子束蒸镀的方法在n-GaN沟道层顶表面两端制作Ti/Al/Ni/Au30/150/50/150nm多层金属，并在快速热退火炉中850度退火30s，形成源合金电极6和漏合金电极7，在p-GaN顶表面制作叉指结构的Ni/Au 50/100nm栅金属电极8，制得如图4所示的横向GaN基增强型结型场效应管器件。
实施例2
本横向GaN基增强型结型场效应管器件的制备方法，其步骤与实施例1基本一直，区别在于p-GaN条状结构与n-GaN沟道层表面基本齐平。
实施例3
一种横向GaN基增强型结型场效应管器件的制备方法，其步骤包括：
(1)MOCVD法在SiC衬底表面沉积半绝缘GaN层和n-GaN沟道层，半绝缘GaN的生长方法：三甲基镓和NH3分别作为Ga源和N源，载气为H2或者N2，生长温度为1000-1100℃，生长时间3-5h。n-GaN沟道层的生长方法：温度950-1050℃，硅掺杂浓度为1*1018cm-3，生长时间15-20min；
(2)采用离子注入(离子的能量为100-120KeV，注入剂量为1*1018cm-3-1x1019 cm-3，在800-1200度退火30s-60s)的方法，在n-GaN沟道层中注入出多片平行结构的p-GaN，形成多片夹心式p-n结；
(3)用电子束蒸镀的方法在n-GaN沟道层顶表面两端制作Ti/Al/Ni/Au30/150/50/150nm多层金属，并在快速热退火炉中850度退火30s，形成源漏合金电极，在p-GaN顶表面制作叉指结构的Ni/Au 50/100nm栅金属。
实施例4
本横向GaN基增强型结型场效应管器件，其结构包括：
一蓝宝石衬底层；
一生长于衬底层上的半绝缘GaN层，厚度为2μm；
一生长于半绝缘GaN层上的n-GaN沟道层，其厚度(即n-GaN的沟道宽度)为300nm，所述n-GaN沟道层内设多个平行的凹槽，深至半绝缘GaN层，n-GaN的沟道厚度为50nm，沟道长度15μm。n-GaN硅掺杂浓度为1*1018cm-3；
还包括填充在n-GaN沟道层的凹槽中的p-GaN，p-GaN与n-GaN沟道层形成多片夹心式的p-n结，p-GaN表面略高出n-GaN沟道层表面10nm；p-GaN的宽度为50nm，长度为15μm，p-GaN的掺杂浓度为1*1019cm-3；
源电极和漏电极，分别设置在n-GaN沟道层顶表面的两端；所述源电极和漏电极为Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为30/150/50/150nm；
叉指结构的栅电极，覆盖p-GaN的顶表面。栅电极为Ni/Au多层金属，厚度为50/100nm。
实施例5
本横向GaN基增强型结型场效应管器件，其结构包括：
一SiC衬底层；
一生长于衬底层上的半绝缘GaN层，厚度为5μm；
一生长于半绝缘GaN层上的n-GaN沟道层，其厚度(即n-GaN沟道的宽度)为500nm，所述n-GaN沟道层内设多个平行的凹槽，深至半绝缘GaN层，n-GaN的沟道厚度为200nm，沟道长度30μm。n-GaN硅掺杂浓度为1*1018cm-3；
还包括填充在n-GaN沟道层的凹槽中的p-GaN，p-GaN与n-GaN沟道层形成多片夹心式的p-n结；p-GaN的宽度为100nm，长度为30μm，p-GaN与n-GaN沟道层表面齐平，p-GaN的掺杂浓度为1*1018cm-3；
源电极和漏电极，分别设置在n-GaN沟道层顶表面的两端；所述源电极和漏电极为Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为30/150/50/150nm；
叉指结构的栅电极，覆盖p-GaN的顶表面。栅电极为Ni/Au多层金属，厚度为50/100nm。
实施例6
本横向GaN基增强型结型场效应管器件，其结构包括：
一Si衬底层；
一生长于衬底层上的半绝缘GaN层，厚度为4μm；
一生长于半绝缘GaN层上的n-GaN沟道层，其厚度(即n-GaN沟道的宽度)为400nm，所述n-GaN沟道层内设多个平行的凹槽，深至半绝缘GaN层，n-GaN的沟道厚度为100nm，沟道长度25μm。n-GaN硅掺杂浓度为1*1018cm-3；
还包括填充在n-GaN沟道层的凹槽中的p-GaN，p-GaN与n-GaN沟道层形成多片夹心式的p-n结，p-GaN表面略高出n-GaN沟道层表面50nm；p-GaN的宽度为80nm，长度为25μm，p-GaN的掺杂浓度为1*1019cm-3；
源电极和漏电极，分别设置在n-GaN沟道层顶表面的两端；所述源电极和漏电极为Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为30/150/50/150nm；
叉指结构的栅电极，覆盖p-GaN的顶表面。栅电极为Ni/Au多层金属，厚度为50/100nm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种横向GaN基增强型结型场效应管器件，其结构包括：
一衬底层；
一生长于衬底层上的半绝缘GaN层；
一生长于半绝缘GaN层上的n-GaN沟道层，所述n-GaN沟道层内设多个平行的条形凹槽，深至半绝缘GaN层；
还包括填充在n-GaN沟道层的条形凹槽中的条形p-GaN，p-GaN与n-GaN沟道层形成多片夹心式的p-n结；
源电极和漏电极，分别设置在n-GaN沟道层顶表面的两端；
栅电极，覆盖p-GaN的顶表面，并在一端联结，形成叉指结构的栅电极；
其中，n-GaN沟道层中，n-GaN的沟道厚度为50-200nm，沟道长度15-30μm，硅掺杂浓度为1*1018cm-3；p-GaN表面与n-GaN沟道层表面齐平或略高于n-GaN沟道层表面，p-GaN的宽度为50-100nm，长度与n-GaN沟道层的沟道长度相同，掺杂浓度为1*1018-1*1019cm-3，控制沟道宽度，使其沟道在零偏下处于耗尽状态。
2.根据权利要求1所述的横向GaN基增强型结型场效应管器件，其特征在于：所述衬底层为蓝宝石衬底、Si衬底或SiC衬底。
3.根据权利要求1所述的横向GaN基增强型结型场效应管器件，其特征在于：所述半绝缘GaN层高度为2-5μm。
4.根据权利要求1所述的横向GaN基增强型结型场效应管器件，其特征在于：所述n-GaN沟道层的沟道宽度为300-500nm。
5.根据权利要求4所述的横向GaN基增强型结型场效应管器件，其特征在于：所述源电极和漏电极为Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为30/150/50/150nm，栅电极为Ni/Au多层金属，厚度为50/100nm。
6.权利要求1-5中任一项所述的横向GaN基增强型结型场效应管器件的制备方法，其步骤包括：
(1)MOCVD法在衬底表面沉积半绝缘GaN层和n-GaN沟道层；
(2)用ICP刻蚀的方法，在n-GaN基底上刻蚀出多片凹槽，深度至半绝缘GaN层；
(3)采用掩模选区工艺，使用MOCVD或者MBE系统再生长p-GaN，使凹槽中填满p-GaN，使p-GaN表面与n-GaN沟道层表面齐平或略高于n-GaN沟道层表面，形成多片夹心式p-n结；
(4)用电子束蒸镀的方法在n-GaN沟道层顶表面两端制作源电极和漏电极，在p-GaN顶表面制作叉指结构的栅电极。
7.根据权利要求6所述的横向GaN基增强型结型场效应管器件的制备方法，其特征在于：步骤(1)中生长半绝缘GaN的方法：三甲基镓和NH3分别作为Ga源和N源，载气为H2或者N2，生长温度为1000-1100℃，生长时间2-5h，n-GaN沟道层的生长方法：温度950-1050℃，硅掺杂浓度为1*1018cm-3，生长时间15-20min；
步骤(2)中沟道深度到半绝缘GaN层并过刻50-100nm，以保证n-GaN被完全去除；
步骤(4)中用电子束蒸镀的方法在n-GaN沟道层顶表面两端制作Ti/Al/Ni/Au30/150/50/150nm多层金属作为源电极和漏电极，在p-GaN顶表面制作叉指结构的Ni/Au 50/100nm栅金属电极，并在快速热退火炉中850℃30s。
8.权利要求1-5中任一项所述的横向GaN基增强型结型场效应管器件的制备方法，其步骤包括：
(1)MOCVD法在衬底表面沉积半绝缘GaN层和n-GaN沟道层；
(2)采用Mg离子注入的方法，在n-GaN沟道层中注入出多片垂直条状结构的p-GaN，形成多片夹心式p-n结；
(3)用电子束蒸镀的方法在n-GaN沟道层顶表面两端制作源电极和漏电极，在p-GaN顶表面制作叉指结构的栅电极。
9.根据权利要求8所述的横向GaN基增强型结型场效应管器件的制备方法，其特征在于：步骤(1)中生长半绝缘GaN的方法：三甲基镓和NH3分别作为Ga源和N源，载气为H2或者N2，生长温度为1000-1100℃，生长时间2-5h，n-GaN沟道层的生长方法：温度950-1050℃，硅掺杂浓度为1*1018cm-3，生长时间15-20min；
步骤(2)中注入离子的能量为100-120KeV，注入剂量为1*1018cm-3-1*1019cm-3，在800-1200度退火30s-60s；
步骤(3)中用电子束蒸镀的方法在n-GaN沟道层顶表面两端制作Ti/Al/Ni/Au30/150/50/150nm多层金属作为源电极和漏电极，在p-GaN顶表面制作叉指结构的Ni/Au 50/100nm栅金属电极，并在快速热退火炉中850℃30s。
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