CN113707709A - 具有积累层外延栅极MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有积累层外延栅极M I S结构A l GaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法,该器件设置积累介质层覆盖A l GaN层表面以及GaN层表面，分别与欧姆源极、欧姆漏极相接；积累介质层上方生长外延层，外延层左端和右端通过离子注入形成P+区和N+区；N+区上方形成外延栅极，作为器件的栅极，外延层右端上方形成外延漏极；欧姆漏极与外延漏极通过导线连接，作为器件的漏极；当该器件正向工作时，可通过积累介质层在GaN层表面产生大量电子，该积累电子与二维电子气相连，构成导通沟道，使得器件具有较低的比导通电阻；器件关断时，积累层电子消失，部分的二维电子气类似于分区掺杂的作用，可显著改善器件的电场分布，大幅度提高器件的击穿电压。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，特别是涉及一种具有积累层外延栅极MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法。
背景技术
目前MIS结构的AlGaN/GaN HEMTs已广泛应用于功率集成电路领域。与一般的AlGaN/GaN HEMTs相比，MIS结构的AlGaN/GaN HEMTs通过将栅介质层引入器件中可以解决由肖特基栅引起的泄漏电流大，热电子注入、逆压电效应等问题，同时栅介质层可以作为表面钝化层有效的消除电流崩塌效应，器件的可靠性也能得到大大改善。
在反向偏置时，高浓度二维电子气很难完全耗尽，一般使用场板技术、降低表面电场(RESURF)技术等设计方法提高器件的耐压，获得高击穿电压。然而器件结构的优化设计过程中，提高器件耐压的同时，器件的比导通电阻增加，如何在耐压与比导通电阻特性良好折中，成为MIS结构的AlGaN/GaN HEMTs器件急需解决的问题。
发明内容
为了解决现有MIS结构的AlGaN/GaN HEMTs器件击穿电压和比导通电阻无法同时兼顾的问题，本发明提出了一种具有积累层外延栅极MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管。
同时，还提供了该高电子迁移率晶体管的制作方法。
本发明的技术方案如下：
提供了一种具有积累层外延栅极MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，
包括半导体材料的衬底；
GaN层，位于衬底上表面；
AlGaN层，包括位于GaN层上表面的左右两部分；
欧姆源极，位于所述GaN层左端上表面，且与左半部分AlGaN层的左端相连；
欧姆漏极，位于所述GaN层右端上表面，且与右半部分AlGaN层的右端相连；
在左半部分的AlGaN层的右侧、右半部分的AlGaN层的左侧、GaN层上表面之间的区域，以及左半部分的AlGaN层和右半部分的AlGaN层的上表面均设置积累介质层；
外延层，位于积累介质层上表面，且外延层的覆盖区域位于左半部分AlGaN层右侧端至所述积累介质层的右侧端；
外延层左侧部分和右侧部分分别通过离子注入形成P+区和N+区；
外延层上表面对应于P+区的位置设置外延栅极，外延栅极作为器件的栅极；
外延层上表面的右端设置外延漏极，且外延漏极左边界与N+区之间存在间隔；
欧姆漏极与外延漏极通过导线连接，整体作为器件的漏极。
由于本发明的AlGaN/GaN异质结只覆盖源极和漏极之间的部分区域，因此该器件为增强型器件，当该器件正向工作时，可通过积累介质层在GaN层表面产生大量电子，该积累电子与二维电子气相连，构成导通沟道，使得器件具有较低的比导通电阻；器件关断时，积累层电子消失，部分的2DEG类似于分区掺杂的作用，可显著改善器件的电场分布，大幅度提高器件的击穿电压。
上述外延层采用半导体材料制备，该外延层可以为N型或者P型，可以轻掺杂或者不掺杂，若轻掺杂则其浓度低于N+区的掺杂浓度。
可选地，所述衬底采用半导体材料制备，可以为Si、蓝宝石或者SiC。
可选地，所述GaN层的掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1017cm-3。
可选地，所述AlGaN层的厚度为15～25nm。
可选地，所述积累介质层的材料为绝缘材料，厚度为0.03-0.1μm。
可选地，所述外延层的掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1017cm-3，厚度为0.1-2μm。
可选地，所述外延层P+区的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3，长度为0.5～2μm。
可选地，所述外延层N+区的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3，长度为0.2～0.6μm。
可选地，所述外延层N+区距离外延漏极的间距为0.2～1μm。
上述具有积累层外延栅极MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：取半导体材料制备衬底；
步骤2：在衬底上生长GaN层；
步骤3：在GaN层上通过异质外延形成AlGaN层；
步骤4：仿真获得器件的最优击穿电压，计算出右半部分AlGaN层(4)的长度，然后通过等离子刻蚀法刻除中部区域的部分AlGaN层，从而形成左半部分AlGaN层和右半部分AlGaN层；
步骤5：在左半部分的AlGaN层的右侧、右半部分的AlGaN层的左侧、GaN层上表面之间的区域，以及左半部分的AlGaN层和右半部分的AlGaN层的上表面生长积累介质层；
步骤6：积累介质层上进一步生长外延层，将左半部分AlGaN层上方，以及GaN层最右侧上方的外延层刻除，并通过离子注入在外延层左侧端和右侧端形成P+区和N+区；
步骤7：在外延层上表面对应于P+区的位置淀积金属形成外延栅极，作为器件的栅极，同时在外延层最右端上表面淀积金属形成外延漏极；在GaN层上表面的最左端和最右端淀积金属形成欧姆源极和欧姆漏极；
步骤8：将欧姆漏极与外延漏极相连，形成整个器件的漏极；
步骤9：在器件表面形成钝化层。
本发明技术方案的有益效果如下：
1、本发明在晶体管上方使用积累介质层，栅极施加正向电压，通过积累介质层GaN层积累大量电子与AlGaN/GaN极化的2DEG相连，构成导电通道。随着栅极电压增加，该部分积累电子浓度逐渐接近并超过2DEG浓度，可进一步降低导通电阻。器件正向工作时，积累介质层在GaN层积累大量电子同时外延层底部会积累等量空穴，在外延层设置N+层可阻挡空穴电流。器件反向工作时，传统MIS-HEMT栅电极边缘出现高电场,当电场强度达到GaN材料临界击穿电场时器件击穿。本发明利用外延层屏蔽栅边缘的电场峰，同时调节AlGaN层的厚度和长度,利用部分2DEG优化电场分布，提高器件击穿电压。
2、本发明在保持MIS-HEMT低导通电阻优势的情况下实现耐压大幅度提高，改变了器件的导通和耐压模式，打破传统MIS-HEMT器件设计时耐压与导通电阻矛盾关系，获得高性能器件。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例与场板MIS-HEMT的表面电场对照示意图。
图3是本发明实施例与场板MIS-HEMT的导通电阻对照示意图。
图4是本发明实施例与场板MIS-HEMT的击穿电压对照示意图。
附图标记如下：
1-衬底；2-GaN层；3-欧姆漏极；4-AlGaN层；5-外延栅极；6-P+区；7-介质积累层；8-外延层；9-N+区；10-外延漏极；11-欧姆漏极。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例进一步详述本发明。
本实施例提供了具有积累层外延栅极MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的具体结构，如图1所示，包括：
衬底1采用半导体材料制备，可以为Si、蓝宝石或者SiC；
在衬底1上形成GaN层2，本实施例中，GaN层的掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1017cm-3；
在GaN层2表面生长AlGaN层4，通过异质外延形成AlGaN/GaN异质结，AlGaN层4分为左右两部分，左半部分的AlGaN层4左侧连接位于GaN层2上表面左端的欧姆源极3，右半部分的AlGaN层4右侧连接位于GaN层2上表面右端的欧姆漏极11；本实施例中，AlGaN层4的厚度为15～25nm；
左半部分的AlGaN层4的右侧、右半部分的AlGaN层4的左侧、GaN层2上表面之间的区域，以及左半部分的AlGaN层4和右半部分的AlGaN层4的上表面均设置积累介质层7；积累介质层7的材料为绝缘材料可选择二氧化硅或三氧化二铝其厚度典型值为0.03-0.1μm；
在所述积累介质层7上生长外延层8，外延层8覆盖区域对应于左半部分AlGaN层4右侧端至所述积累介质层7的右侧端之间；外延层8厚度为0.1-2μm；N型掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1017cm-3(根据情况也可以为P型，可以轻掺杂或者不掺杂，若轻掺杂则其浓度低于N+区的掺杂浓度)；
在外延层8左侧端和右侧端分别通过离子注入形成P+区6和N+区9；本实施例中，P+区的典型掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3，长度为0.5～2μm；N+区的典型掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3，长度为0.2～0.6μm；
在外延层8左侧端上表面通过欧姆接触形成外延栅极5，作为器件的栅极使用，在外延层8右侧端上表面通过欧姆接触形成外延漏极10，且外延漏极10左边界与外延层N+区9存在间隔，间隔的取值为0.2～1μm；
外延漏极10与欧姆漏极11通过导线连接，整体作为器件的漏极。
将本实施例的晶体管与具有场板MIS-HEMT器件电场分布对比，如图2所示，本实施例通过外延层8屏蔽了栅极边缘的高峰电场，同时部分AlGaN层4使电场分布更均匀，击穿位置发生改变。当AlGaN层4下方GaN层2高阻区扩展并完全耗尽时，将获得最大击穿电压。
该器件可按照以下步骤制备：
步骤1：取半导体材料制备衬底1；
步骤2：在衬底1上生长GaN层2；
步骤3：在GaN层2上通过异质外延形成AlGaN层4；
步骤4：根据仿真获得器件的最优击穿电压为913V，计算出右半部分AlGaN层(4)的长度为4μm，然后通过等离子刻蚀法刻除中部区域的部分AlGaN层4，从而形成左半部分AlGaN层4和右半部分AlGaN层4；
步骤5：在左半部分的AlGaN层4的右侧、右半部分的AlGaN层4的左侧、GaN层2上表面之间的区域，以及左半部分的AlGaN层4和右半部分的AlGaN层4的上表面生长积累介质层7；
步骤6：积累介质层7上进一步生长外延层8，将左半部分AlGaN层4上方，以及GaN层2最右侧上方的外延层9刻除，并通过离子注入在外延层左侧端和右侧端形成P+区6和N+区9；
步骤7：在外延层8上表面对应于P+区6的位置淀积金属形成外延栅极5，作为器件的栅极，同时在外延层最右端上表面淀积金属形成外延漏极10；在GaN层2上表面的最左端和最右端淀积金属形成欧姆源极3和欧姆漏极11；
步骤8：将欧姆漏极11与外延漏极10相连，形成整个器件的漏极；
步骤9：在器件表面形成钝化层。
经仿真试验，如图3所示，当栅极和漏极之间间隔长度为6μm时，本实施例的导通电阻为6.41Ω.mm，相较于具有场板MIS-HEMT，导通电阻降低了，保持了MIS-HEMT低导通电阻的优势。如图4所示，具有场板MIS-HEMT击穿电压仅为490左右，而本实施例可以将器件的击穿电压提高到913V，提高了86％；需要指出该处用来对比的MIS-HEMT采用了场板技术对器件耐压进行优化，该场板长度为2μm左右；
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 (9)
1.一种具有积累层外延栅极MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：
包括半导体材料的衬底(1)；
GaN层(2)，位于衬底(1)上表面；
AlGaN层(4)，包括位于GaN层(2)上表面的左右两部分；
欧姆源极(3)，位于所述GaN层(2)左端上表面，且与左半部分AlGaN层(4)的左端相连；
欧姆漏极(11)，位于所述GaN层(2)右端上表面，且与右半部分AlGaN层(4)的右端相连；
在左半部分的AlGaN层(4)的右侧、右半部分的AlGaN层(4)的左侧、GaN层(2)上表面之间的区域，以及左半部分的AlGaN层(4)和右半部分的AlGaN层(4)的上表面均设置积累介质层(7)；
外延层(8)，位于积累介质层(7)上表面，且外延层(8)的覆盖区域位于左半部分AlGaN层(4)右侧端至所述积累介质层(7)的右侧端；
外延层(8)左侧部分和右侧部分分别通过离子注入形成P+区(6)和N+区(9)；
外延层(8)上表面对应于P+区(6)的位置设置外延栅极(5)，外延栅极(5)作为器件的栅极；
外延层(8)上表面的右端设置外延漏极(10)，且外延漏极(10)左边界与N+区(9)之间存在间隔；
欧姆漏极(11)与外延漏极(10)通过导线连接，整体作为器件的漏极。
2.根据权利要求1所述的具有积累层外延栅极MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：半导体材料的衬底(1)为硅、蓝宝石或碳化硅。
3.根据权利要求1所述的具有积累层外延栅极MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：GaN层(2)的掺杂浓度典型值为1×1015cm-3～1×1017cm-3。
4.根据权利要求1所述的具有积累层外延栅极MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述右侧部分AlGaN层(4)的材料的长度为晶体管器件栅极和漏极之间间距的1/3～2/3，厚度为15～25nm。
5.根据权利要求1所述的具有积累层外延栅极MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述积累介质层(7)的材料为绝缘材料，厚度为0.03-0.1μm。
6.根据权利要求1所述的具有积累层外延栅极MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述外延层(8)采用半导体材料制作，掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1017cm-3，厚度为0.1-2μm。
7.根据权利要求1所述的具有积累层外延栅极MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述P+区(6)的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3，长度为0.5～2μm。
8.根据权利要求1所述的具有积累层外延栅极MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述N+区(9)的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3，长度为0.2～0.6μm，距离外延漏极(10)的间距为0.2～0.5μm。
9.一种制作权利要求1所述具有积累层外延栅极MIS结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的方法，包括以下步骤：
步骤1：取半导体材料制备衬底(1)；
步骤2：在衬底(1)上生长GaN层(2)；
步骤3：在GaN层(2)上通过异质外延形成AlGaN层(4)；
步骤4：仿真获得器件的最优击穿电压，计算出右半部分AlGaN层(4)的长度，然后通过等离子刻蚀法刻除中部区域的部分AlGaN层(4)，从而形成左半部分AlGaN层(4)和右半部分AlGaN层(4)；
步骤5：在左半部分的AlGaN层(4)的右侧、右半部分的AlGaN层(4)的左侧、GaN层(2)上表面之间的区域，以及左半部分的AlGaN层(4)和右半部分的AlGaN层(4)的上表面生长积累介质层(7)；
步骤6：积累介质层(7)上进一步生长外延层(8)，将左半部分AlGaN层(4)上方，以及GaN层(2)最右侧上方的外延层(9)刻除，并通过离子注入在外延层左侧端和右侧端形成P+区(6)和N+区(9)；
步骤7：在外延层(8)上表面对应于P+区(6)的位置淀积金属形成外延栅极(5)，作为器件的栅极，同时在外延层最右端上表面淀积金属形成外延漏极(10)；在GaN层(2)上表面的最左端和最右端淀积金属形成欧姆源极(3)和欧姆漏极(11)；
步骤8：将欧姆漏极(11)与外延漏极(10)相连，形成整个器件的漏极；
步骤9：在器件表面形成钝化层。
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