CN112687733A

CN112687733A - 一种增强型功率器件及其制作方法

Info

Publication number: CN112687733A
Application number: CN202011522804.XA
Authority: CN
Inventors: 曾巧玉; 李成果; 姜南; 尹雪兵; 葛晓明; 曾昭烩; 李祈昕
Original assignee: Institute of Semiconductors of Guangdong Academy of Sciences
Current assignee: Institute of Semiconductors of Guangdong Academy of Sciences
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2040-12-21
Also published as: CN112687733B

Abstract

本发明公开了一种增强型功率器件及其制作方法，该制作方法包括：S1、在衬底的表面制备增强型功率器件的势垒层；S2、在势垒层上制备具有二维电子气的异质结构；S3、在异质结构上制备N极性层；S4、在N极性层上制备Ga极性层；S5、对Ga极性层进行刻蚀，以形成栅结构；S6、采用湿法腐蚀方法腐蚀N极性层的非栅结构；S7、在步骤S6腐蚀后的结构上完成HEMT器件的制备。本发明实施例通过湿法腐蚀方法腐蚀N极性层形成栅结构，有效减少栅工艺对功率器件带来的损伤；N极性层和Ga极性层构成复合层，通过复合层能够有效增加P型栅结构中的空穴浓度，从而能够有效提高增强型功率器件的阈值电压。

Description

一种增强型功率器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种增强型功率器件及其制作方法。

背景技术

功率器件是实现电能控制与转换的关键器件。得益于较大的禁带宽度Eg，基于第三代半导体材料如GaN的功率器件相比于传统的Si基功率器件而言具有更高的击穿电压和功率密度；而GaN、AlGaN等材料固有的极化特性，会在GaN/AlGaN界面会形成高浓度、高电子迁移率的二维电子气(2DEG)沟道，导致GaN/AlGaN HEMT(高电子迁移率晶体管)具有更高的开关频率和更小的开态电阻，以及由此带来更小尺寸的优势。GaN/AlGaN HEMT在高压、高频领域具有广泛的应用需求。材料的固有极化效应产生的2DEG使得GaN/AlGaN HEMT在栅极零偏压下依然导通，需要施加负的栅偏压才能关断器件，这在实际应用中存在严重的安全风险，因此，人们致力于开发出零栅偏压下器件处于关断状态的HEMT器件，该类型器件(阈值电压>0V)被称之为常关或增强型器件。实现增强型器件有诸多技术方案，如凹槽栅、F离子注入、p-GaN栅，其中p-GaN栅方案有着工艺相对简单、可靠性高等优势而成为主流的技术方案。在p-GaN栅技术方案中，传统的p-GaN为Ga极性，需要采用刻蚀工艺来制备p-GaN栅。刻蚀工艺对工艺控制和晶圆均匀性要求较高，并且刻蚀会带来损伤，影响器件的性能和可靠性。

现有的增强型功率器件制备方法利用极性翻转来制备出N极性的p-GaN，以得到增强型功率器件。但是现有的增强型功率器件制作方法会使得N极性的空穴浓度较低，导致增强型功率器件的阈值电压较低。

发明内容

本发明提供一种增强型功率器件及其制作方法，以解决现有的增强型功率器件制作方法会使得N极性的空穴浓度较低，导致增强型功率器件的阈值电压较低的技术问题。

本发明的第一实施例提供了一种增强型功率器件制作方法，包括：

S1、在衬底的表面制备增强型功率器件的势垒层；

S2、在所述势垒层上制备具有二维电子气的异质结构；

S3、在所述异质结构上制备N极性层；

S4、在所述N极性层上制备Ga极性层；

S5、对所述Ga极性层进行刻蚀，以形成栅结构；

S6、采用湿法腐蚀方法腐蚀所述N极性层的非栅结构；

S7、在步骤S6腐蚀后的结构上完成HEMT器件的制备。

进一步的，采用分子束外延方法或金属有机气相外延方法制备所述势垒层，其中所述壁垒层的材料为三族氮化物半导体材料中的GaN、AlGaN、AlN的至少一种。

进一步的，所述异质结构包括但不限于GaN/AlGaN异质结构和GaN/AlInN异质结构中的其中一种。

进一步的，采用采用分子束外延方法或金属有机气相外延方法制备所述异质结构。

进一步的，采用分子束外延方法或金属有机气相外延方法制备所述N极性层，其中，所述N极性层材料包括但不限于N极性GaN、AlGaN、AlN、InGaN的至少一种，所述N极性层包括但不限于p型掺杂材料或非掺杂i型材料。

进一步的，采用分子束外延方法或金属有机气相外延方法制备所述Ga极性层，其中，所述Ga极性层材料为Ga极性GaN、AlGaN、InGaN、AlN的至少一种。

进一步的，采用ICP或RIE技术对所述Ga极性层进行刻蚀，以形成栅结构。

进一步的，所述在步骤S6腐蚀后的结构上完成HEMT器件的制备，包括但不限于源漏欧姆电极沉积、快速热退火、栅电极沉积、介质膜沉积和介质膜开孔。

本发明的第二实施例提供了一种增强型功率器件，所述增强型功率器件通过上述增强型功率器件制作方法制造而成。

在本发明实施例中，通过湿法腐蚀方法腐蚀N极性层形成栅结构，有效减少栅工艺对功率器件带来的损伤，从而有效地提升器功率器件的性能；N极性层和Ga极性层构成复合层，通过复合层能够有效增加P型栅结构中的空穴浓度，从而能够有效提高增强型功率器件的阈值电压。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种增强型功率器件制作方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种增强型功率器件的结构示意图；

其中，说明书附图中的附图标识为：

1、势垒层；2、异质结构；3、栅结构；4、源电极；5、漏电极；6、栅电极。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参阅图1，本发明的第一实施例提供了一种增强型功率器件制作方法，包括：

S1、在衬底的表面制备增强型功率器件的势垒层；

S2、在势垒层上制备具有二维电子气的异质结构；

S3、在异质结构上制备N极性层；

S4、在N极性层上制备Ga极性层；

S5、对Ga极性层进行刻蚀，以形成栅结构；

S6、采用湿法腐蚀方法腐蚀N极性层的非栅结构；

S7、在步骤S6腐蚀后的结构上完成HEMT器件的制备。

需要说明的是，空穴浓度决定p-GaN对2DEG的耗尽能力，空穴浓度越高，器件的阈值电压越大。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，采用分子束外延方法或金属有机气相外延方法制备势垒层，其中壁垒层的材料包括但不限于三族氮化物半导体材料中的GaN、AlGaN、AlN的至少一种。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，异质结构包括但不限于GaN/AlGaN异质结构和GaN/AlInN异质结构中的其中一种。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，采用采用分子束外延方法或金属有机气相外延方法制备异质结构。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，采用分子束外延方法或金属有机气相外延方法制备N极性层，其中，N极性层材料包括但不限于N极性GaN、AlGaN、AlN、InGaN的至少一种，N极性层包括但不限于p型掺杂材料或非掺杂i型材料的其中一种。

在本发明实施例中，N极性层和Ga极性层构成复合层，该复合层中的N极性层层进行刻蚀以及Ga极性层进行腐蚀后，所形成的栅结构的空穴浓度能够有效得到提升，从而能够提高增强型功率器件的阈值电压。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，采用分子束外延方法或金属有机气相外延方法制备Ga极性层，其中，Ga极性层材料包括但不限于Ga极性GaN、AlGaN、InGaN、AlN的至少一种。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，采用ICP或RIE技术对Ga极性层进行刻蚀，以形成栅结构。

在本发明实施例中，采用ICP技术或RIE技术对Ga极性层进行刻蚀，在形成的栅结构后，通过湿法腐蚀方法腐蚀N极性层的非栅结构，能够有效地减小栅工艺导致的器件损伤，从而能够有效提高增强型功率器件的性能，使得增强型器件功率器件能够稳定、高效的运行。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，在步骤S6腐蚀后的结构上完成HEMT器件的制备，包括但不限于源漏欧姆电极沉积、快速热退火、栅电极沉积、介质膜沉积和介质膜开孔。

实施本发明实施例，具有以下有益效果：

请参阅图2，本发明的第二实施例提供了一种增强型功率器件，增强型功率器件使用上述增强型功率器件制作方法制造而成。

在本发明实施例中，该增强型功率器件包括衬底、势垒层1、异质结构2、栅结构3、漏电极5、源电极4和栅电极6。其中，衬底用于承载势垒层1，异质结构2设置于势垒层1上，栅结构3设置于异质结构2上，漏电极5和源电极4分别设置于异质结构2的两端上，栅电极6设置在栅结构3上表面。

实施本发明实施例，具有以下有益效果：

本发明实施例在异质结构2上设置有通过湿法腐蚀方法腐蚀N极性层形成的栅结构3，能够有效减少栅工艺对功率器件带来的损伤，从而有效地提升器功率器件的性能；本发明实施例中的栅结构3是通过对N极性层和Ga极性层构成的复合层进行腐蚀得到的，N极性层和Ga极性层构成的复合层能够有效增加P型栅结构3中的空穴浓度，从而能够有效提高增强型功率器件的阈值电压。

以上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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种增强型功率器件制作方法，其特征在于,包括：

S1、在衬底的表面制备增强型功率器件的势垒层；

S2、在所述势垒层上制备具有二维电子气的异质结构；

S3、在所述异质结构上制备N极性层；

S4、在所述N极性层上制备Ga极性层；

S5、对所述Ga极性层进行刻蚀，以形成栅结构；

S6、采用湿法腐蚀方法腐蚀所述N极性层的非栅结构；

S7、在步骤S6腐蚀后的结构上完成HEMT器件的制备。

2.如权利要求1所述的增强型功率器件制作方法，其特征在于，采用分子束外延方法或金属有机气相外延方法制备所述势垒层，其中所述壁垒层的材料为三族氮化物半导体材料中的GaN、AlGaN、AlN的至少一种。

3.如权利要求1所述的增强型功率器件制作方法，其特征在于，所述异质结构包括但不限于GaN/AlGaN异质结构和GaN/AlInN异质结构中的其中一种。

4.如权利要求1所述的增强型功率器件制作方法，其特征在于，采用采用分子束外延方法或金属有机气相外延方法制备所述异质结构。

5.如权利要求1所述的增强型功率器件制作方法，其特征在于，采用分子束外延方法或金属有机气相外延方法制备所述N极性层，其中，所述N极性层材料包括但不限于N极性GaN、AlGaN、AlN、InGaN的至少一种，所述N极性层包括但不限于p型掺杂材料和非掺杂i型材料的其中一种。

6.如权利要求1所述的增强型功率器件制作方法，其特征在于，采用分子束外延方法或金属有机气相外延方法制备所述Ga极性层，其中，所述Ga极性层材料包括但不限于Ga极性GaN、AlGaN、InGaN、AlN的至少一种。

7.如权利要求1所述的增强型功率器件制作方法，其特征在于，采用ICP或RIE技术对所述Ga极性层进行刻蚀，以形成栅结构。

8.如权利要求1所述的增强型功率器件制作方法，其特征在于，所述在步骤S6腐蚀后的结构上完成HEMT器件的制备，包括但不限于源漏欧姆电极沉积、快速热退火、栅电极沉积、介质膜沉积和介质膜开孔。

9.一种增强型功率器件，其特征在于，所述增强型功率器件通过上述权利要求1-8任一项所述的增强型功率器件制作方法制造而成，所述增强型功率器件包括衬底、势垒层、异质结构、栅结构、漏电极、源电极和栅电极；其中，所述衬底用于承载所述势垒层，所述异质结构设置于所述势垒层上，所述栅结构设置于所述异质结构上，所述漏电极和所述源电极分别设置于所述异质结构的两端上，所述栅电极设置在所述栅结构上表面。