CN113851522A - 一种氮化镓增强型器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓增强型器件及其制备方法，衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、过渡层和P‑GaN栅为自下而上依次层叠，栅极设置在P‑GaN栅上，源极和漏极形成于AlGaN势垒层上，过渡层位于源极和漏极之间，过渡层的Mg掺杂浓度小于P‑GaN栅的Mg掺杂浓度；过渡层具有被P‑GaN栅覆盖的第一区域和未被P‑GaN栅覆盖的第二区域，第一区域的空穴浓度大于第二区域的空穴浓度；P‑GaN栅具有自下而上依次层叠的第一P型层和第二P型层，第一P型层的空穴浓度大于或等于第二P型层的空穴浓度。本发明避免在外延生长中Mg扩散及刻蚀P‑GaN栅的损伤，实现低导通电阻、高可靠性的GaN增强型功率器件。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件的技术领域，特指一种氮化镓增强型器件及其制备方法。
背景技术
氮化镓（GaN）半导体材料相比于传统的Si材料，具有大禁带宽度、高击穿电场、更高的迁移率，制备的功率器件具有高的击穿电压，更快的开关转换速率，更低的转换消耗，在高频、高功率的应用中具有广泛的应用前景。GaN HEMT器件的高频特性得益于其AlGaN与GaN形成的异质结结构，由于材料本身的自发极化及材料间的压电极化效应，在异质结界面处会存在高浓度、高迁移率的二维电子气。由于二维电子气的存在，GaN HEMT器件具有低导通电阻的特性，传统的HEMT器件的开启电压为负（耗尽型），在实际应用需要增加额外的负载实现对器件的控制，降低器件的使用效率，影响器件的性能优势发挥。
目前广为大家所知的实现GaN HEMT器件的阈值＞0V（增强型）的方案有四种，其一为通过将GaN HEMT器件与Si MOS器件级联，实现整体的器件阈值＞0V，受限于级联的Si器件特性，GaN HEMT器件的性能优势不能得到最大程度的发挥；其二是通过刻蚀的手法去除掉栅区域的AlGaN（凹栅技术），降低栅下二维电子气浓度，实现增强型器件，由于使用刻蚀方式，对栅区域存在极大的损伤，二维电子气的迁移率偏低，器件的特性退化，另外对刻蚀的控制要求较高，同样制约该结构器件的商业使用；其三是通过栅下氟离子注入，耗尽栅下二维电子气实现增强型，由于注入工艺的高要求，器件特性的稳定性存在问题，制约此种结构的商业化；最后一种是通过在AlGaN表面外延P-GaN，实现器件的增强型，此结构增强型器件同样是业界认同度最高的一种增强型结构。
P-GaN的生长是通过在GaN生长过程中掺Mg来实现P型，但其存在以下两个问题：1、目前P-GaN中Mg的激活只能达到1%以内，因此要得到足够浓度的P型，需要在生长过程中掺杂较多的Mg，在生长过程中Mg会通过扩散作用进入到P-GaN下方的AlGaN势垒中，降低二维电子气浓度及迁移率，影响器件的导通电阻，另外，存在于AlGaN势垒中的Mg掺杂，形成缺陷态，器件工作中会捕获/释放电子，影响器件的可靠性；2、在增强型器件的制备过程中，需要去除非栅区域的P-GaN，通常采用干法刻蚀技术实现，刻蚀会在AlGaN势垒表面形成损伤层，影响器件的直流、动态特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种氮化镓增强型器件及其制备方法，避免在外延生长中Mg扩散及刻蚀P-GaN栅的损伤，实现低导通电阻、高可靠性的GaN增强型功率器件。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
一种氮化镓增强型器件，包括衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、过渡层、P-GaN栅、源极、漏极和栅极，其中，衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、过渡层和P-GaN栅为自下而上依次层叠，栅极设置在P-GaN栅上，源极和漏极形成于AlGaN势垒层上，过渡层位于源极和漏极之间，源极和漏极位于栅极的两侧，过渡层的Mg掺杂浓度小于P-GaN栅的Mg掺杂浓度；
过渡层具有第一区域和第二区域，被P-GaN栅覆盖的过渡层为第一区域，未被P-GaN栅覆盖的过渡层为第二区域，第一区域的空穴浓度大于第二区域的空穴浓度；
P-GaN栅具有第一P型层和第二P型层，第一P型层和第二P型层自下而上依次层叠，第一P型层的空穴浓度大于或等于第二P型层的空穴浓度。
进一步，过渡层的厚度为1~15nm，Mg掺杂浓度为1017~1019cm-3。
进一步，过渡层具体为Mg掺杂浓度单一的P-AlGaN层；
或者，Mg掺杂浓度单一的P-GaN层；
或者，Mg掺杂浓度由上至下渐变降低的P-AlGaN层；
或者，Mg掺杂浓度由上至下渐变降低的P-GaN层；
或者，自下而上依次层叠的Mg掺杂浓度单一的P-AlGaN层和P-GaN层， P-GaN层的Mg掺杂浓度大于P-AlGaN层的Mg掺杂浓度；
或者，自下而上依次层叠的P-AlGaN层和P-GaN层，P-AlGaN层的Mg掺杂浓度由上至下渐变降低，P-GaN层的Mg掺杂浓度单一，P-GaN层的Mg掺杂浓度大于P-AlGaN层的Mg掺杂浓度。
进一步，过渡层还包括i-GaN层，i-GaN层位于过渡层的最下层，与AlGaN势垒层表面接触。
进一步，i-GaN层的厚度范围为1~2nm。
进一步，还包括钝化层，钝化层覆盖于过渡层、P-GaN栅、源极、漏极和栅极上方且在源极、漏极、栅极对应的位置处开设有与外界进行电接触的窗口。
一种氮化镓增强型器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，在衬底上利用外延生长方法依次形成GaN缓冲层、AlGaN势垒层、过渡层和P-GaN，同时，过渡层的Mg掺杂浓度小于P-GaN的Mg掺杂浓度；
步骤二，利用刻蚀工艺定义出栅极区域，去除非栅区域的P-GaN形成P-GaN栅，刻蚀停止在过渡层上，被P-GaN栅覆盖的过渡层为第一区域，未被P-GaN栅覆盖的过渡层为第二区域；
步骤三，利用处理或者扩散工艺，钝化P-GaN栅和未被P-GaN栅覆盖的过渡层，降低空穴浓度，使得第一区域中的空穴浓度大于第二区域中的空穴浓度；
步骤四，保护非栅区域，使用等离子处理，或以大于800℃的高温热恢复处理P-GaN栅表面，提升表面空穴浓度，恢复栅极区栅的P型特性，使得P-GaN栅具有第一P型层和第二P型层，第一P型层和第二P型层自下而上依次层叠，第一P型层的空穴浓度大于或等于第二P型层的空穴浓度；
步骤五，定义源极和漏极的掩模，蚀刻过渡层，通过蒸发或溅射方式沉积欧姆金属，剥离工艺形成源极和漏极，并通过退火工艺形成欧姆接触；
步骤六，沉积钝化层，定义栅极的掩模，通过蒸发或溅射方式沉积栅极金属，剥离工艺形成栅极，使得钝化层覆盖于过渡层、P-GaN栅、源极、漏极和栅极上方且在源极、漏极、栅极对应的位置处开设有与外界进行电接触的窗口。
进一步，在步骤三中，具体为利用含H原子的一种或多种气体，使用等离子体处理或气氛热扩散工艺。
进一步，过渡层的Mg掺杂浓度为1017~1019cm-3。
采用上述方案后，本发明通过利用在P-GaN栅与AlGaN势垒层中间生长过渡层抑制Mg向下扩散至势垒，降低增强型器件的导通电阻，提高器件的可靠性；图形化P-GaN栅过程中通过保留过渡层保护AlGaN势垒层，避免AlGaN势垒层损伤带来器件的特性退化；通过钝化工艺，实现对非栅区域的过渡层钝化，减小非栅区域的过渡层对器件特性上的影响。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
标号说明
衬底1 GaN缓冲层2 AlGaN势垒层3 过渡层4 第一区域41
第二区域42 P-GaN栅5 第一P型层51 第二P型层52
源极6 漏极7 栅极8 钝化层9。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述，不能理解为对本发明的限制。在此需要说明的是，下面所描述的本发明各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明所揭示的是一种氮化镓增强型器件，如图1所示，包括衬底1、GaN缓冲层2、AlGaN势垒层3、过渡层4、P-GaN栅5、源极6、漏极7和栅极8，其中，衬底1、GaN缓冲层2、AlGaN势垒层3、过渡层4和P-GaN栅5为自下而上依次层叠。
栅极8设置在P-GaN栅5上，源极6和漏极7位于栅极8的两侧，源极6和漏极7形成于AlGaN势垒层3上，过渡层4位于源极6与漏极7之间，过渡层4的Mg掺杂浓度小于P-GaN栅5的Mg掺杂浓度。
过渡层4具有第一区域41和第二区域42，被P-GaN栅5覆盖的过渡层4为第一区域41，未被P-GaN栅5覆盖的过渡层4为第二区域42，第一区域41的空穴浓度大于第二区域42的空穴浓度。
P-GaN栅5具有第一P型层51和第二P型层52，第一P型层51和第二P型层52自下而上依次层叠，第一P型层51的空穴浓度大于或等于第二P型层52的空穴浓度。
进一步，过渡层4的厚度为1~15nm，Mg掺杂浓度为1017~1019cm-3。
进一步，过渡层4具体为Mg掺杂浓度单一的P-AlGaN层；
或者，Mg掺杂浓度单一的P-GaN层；
或者，Mg掺杂浓度由上至下渐变降低的P-AlGaN层；
或者，Mg掺杂浓度由上至下渐变降低的P-GaN层；
或者，自下而上依次层叠的Mg掺杂浓度单一的P-AlGaN层和P-GaN层，P-AlGaN层的Mg掺杂浓度小于P-GaN层的Mg掺杂浓度；
或者，自下而上依次层叠的P-AlGaN层和P-GaN层，P-AlGaN层的Mg掺杂浓度由上至下渐变降低，P-GaN层的Mg掺杂浓度单一。
进一步，过渡层4还包括i-GaN层，i-GaN层位于过渡层4的最下层，与AlGaN势垒层3表面接触。
进一步，还包括钝化层9，钝化层9覆盖于过渡层4、P-GaN栅5、源极6、漏极7和栅极8上方且在源极6、漏极7、栅极8对应的位置处开设有与外界进行电接触的窗口。
实施例一
如图1所示，一种氮化镓增强型器件，包括衬底1、GaN缓冲层2、AlGaN势垒层3、过渡层4、P-GaN栅5、源极6、漏极7和栅极8，其中，衬底1、GaN缓冲层2、AlGaN势垒层3、过渡层4和P-GaN栅5为自下而上依次层叠。
栅极8设置在P-GaN栅5上，源极6和漏极7分别位于栅极8的两侧并形成于AlGaN势垒层3上，过渡层4位于源极6与漏极7之间，过渡层4的Mg掺杂浓度小于P-GaN栅5的Mg掺杂浓度。
过渡层4具有第一区域41和第二区域42，被P-GaN栅5覆盖的过渡层4为第一区域41，未被P-GaN栅5覆盖的过渡层4为第二区域42，第一区域41的空穴浓度大于第二区域42的空穴浓度。在本实施例中，过渡层4为单层结构，为具有单一的Mg掺杂浓度的AlGaN层（即P-AlGaN层），厚度为1nm。
P-GaN栅5具有第一P型层51和第二P型层52，第一P型层51和第二P型层52自下而上依次层叠，第一P型层51的空穴浓度大于第二P型层52的空穴浓度。
上述结构采用以下方法制备而得。
步骤一，在衬底1上利用外延生长方法依次形成GaN缓冲层2、AlGaN势垒层3、过渡层4（AlGaN层）、P-GaN。
步骤二，利用刻蚀工艺定义出栅极区域，去除非栅区域的P-GaN，刻蚀停止在过渡层4（AlGaN层）上，被P-GaN栅5覆盖的过渡层4（AlGaN层）为第一区域41，未被P-GaN栅5覆盖的过渡层4（AlGaN层）为第二区域42。
步骤三，利用处理工艺，钝化P-GaN栅5和未被P-GaN栅5覆盖的过渡层4（AlGaN层），降低空穴浓度，使得第一区域41中的空穴浓度大于第二区域42中的空穴浓度。该处理工艺为利用含H原子的一种或多种气体，例如NH3、H2、N2/H2、SiH4、SiH2Cl2等，使用等离子体处理，使其表面产生大量N空位，使得P-GaN栅5和过渡层4表面形成反型层，即弱n型，等效降低了P-GaN栅5和过渡层4空穴浓度。
步骤四，保护非栅区域，使用如N2、O2等离子处理P-GaN栅5表面，提升表面空穴浓度，恢复栅极区栅的P型特性，使得P-GaN栅5具有第一P型层51和第二P型层52，第一P型层51和第二P型层52自下而上依次层叠，第一P型层51的空穴浓度大于第二P型层52的空穴浓度，同时，使得过渡层4的空穴浓度小于P-GaN栅5的空穴浓度。
步骤五，定义源极6和漏极7的掩模，通过蒸发或溅射方式沉积欧姆金属，剥离工艺形成源极6和漏极7，并通过退火工艺形成欧姆接触。
步骤六，沉积钝化层9，定义栅极8的掩模，通过蒸发或溅射方式沉积栅极金属，剥离工艺形成栅极8，使得钝化层9覆盖于过渡层4（AlGaN层）、P-GaN栅5、源极6、漏极7和栅极8上方且在源极6、漏极7、栅极8对应的位置处开设有与外界进行电接触的窗口。
实施例二
与实施例一不同之处在于：在本实施例中，过渡层4为单层结构，为具有Mg掺杂浓度渐变的的GaN层（即P-GaN层），由上至下渐变降低。其厚度为15nm，Mg掺杂浓度渐变范围为1017~1019cm-3。
实施例三：
与实施例一不同之处在于：第一P型层51的空穴浓度等于第二P型层52的空穴浓度，过渡层4为二层结构，过渡层厚度为10nm。过渡层4具体为自下而上依次层叠的Mg掺杂浓度单一的P-AlGaN层和P-GaN层。P-AlGaN层的Mg掺杂浓度小于P-GaN层的Mg掺杂浓度，P-AlGaN层和P-GaN层的厚度分别为5nm。低浓度的P型过渡层，可有效降低扩散至势垒层和沟道层中的Mg杂质浓度，此外该P-AlGaN过渡层作为P型栅图形化过程中的刻蚀终止层，加厚了非栅区域AlGaN厚度，增加了P型栅刻蚀的工艺窗口，同时减弱了表面缺陷态对沟道2DEG的影响。
上述结构采用以下方法制备而得。
步骤一，在衬底1上利用外延生长方法依次形成GaN缓冲层2、AlGaN势垒层3、过渡层4（AlGaN层和GaN层）、P-GaN层。
步骤二，利用刻蚀工艺定义出栅极区域，去除非栅区域的P-GaN，刻蚀停止在过渡层4（AlGaN层和GaN层）上，被P-GaN栅5覆盖的过渡层4（AlGaN层和GaN层）为第一区域41，未被P-GaN栅5覆盖的过渡层4（AlGaN层和GaN层）为第二区域42。
步骤三，利用扩散工艺，钝化P-GaN栅5和未被P-GaN栅5覆盖的过渡层4（AlGaN层和GaN层），降低空穴浓度，使得第一区域41中的空穴浓度大于第二区域42中的空穴浓度。该处理工艺为利用含H原子的一种或多种气体，例如NH3、H2、N2/H2、SiH4、SiH2Cl2等，使用气氛热扩散工艺（300~1000℃），是利用气氛中的H原子将Mg钝化，使其无法电离，从而降低P-GaN栅5和过渡层4空穴浓度。
步骤四，保护非栅区域，使用高温热恢复（＞800℃）处理P-GaN栅5表面，提升表面空穴浓度，恢复栅极区栅的P型特性，使得P-GaN栅5具有第一P型层51和第二P型层52，第一P型层51和第二P型层52自下而上依次层叠，第一P型层51的空穴浓度等于第二P型层52的空穴浓度，同时，使得过渡层4的空穴浓度小于P-GaN栅5的空穴浓度。
步骤五，定义源极6和漏极7的掩模，通过蒸发或溅射方式沉积欧姆金属，剥离工艺形成源极6和漏极7，并通过退火工艺形成欧姆接触。
步骤六，沉积钝化层9，定义栅极8的掩模，通过蒸发或溅射方式沉积栅极金属，剥离工艺形成栅极8，使得钝化层9覆盖于过渡层4（AlGaN层和GaN层）、P-GaN栅5、源极6、漏极7和栅极8上方且在源极6、漏极7、栅极8对应的位置处开设有与外界进行电接触的窗口。
实施例四
与实施例三不同之处在于：过渡层为两层结构，过渡层厚度为10nm。具体为自下而上依次层叠的P-AlGaN层和P-GaN层，P-AlGaN层的Mg掺杂浓度由上至下渐变降低，其厚度为5nm，P-GaN层的Mg掺杂浓度单一，其厚度为5nm，P-GaN层的Mg掺杂浓度大于P-AlGaN层的Mg掺杂浓度。
实施例五
与实施例三不同之处在于：过渡层为两层结构，过渡层厚度为8nm。具体为自下而上依次层叠的i-GaN层和Mg掺杂浓度由上至下渐变降低的P-GaN层。在本实施例中，i-GaN层的厚度为1nm，P-GaN层的厚度为7nm，i-GaN层与AlGaN势垒层3表面接触。在过渡层4的底部设置i-GaN层，其厚度范围为1~2nm，增加i-GaN层可减弱之后生长P-GaN（或P-AlGaN）时的Mg扩散至沟道。
实施六
与实施例四不同之处在于：过渡层为三层结构，过渡层厚度为13nm。具体为自下而上依次层叠的i-GaN层、P-AlGaN层和P-GaN层，i-GaN层的厚度为2nm，P-AlGaN层的Mg掺杂浓度由上至下渐变降低，其厚度为3nm，P-GaN层的Mg掺杂浓度单一，其厚度为8nm，P-GaN层的Mg掺杂浓度大于P-AlGaN层的Mg掺杂浓度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种氮化镓增强型器件，其特征在于：包括衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、过渡层、P-GaN栅、源极、漏极和栅极，其中，衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、过渡层和P-GaN栅为自下而上依次层叠，栅极设置在P-GaN栅上，源极和漏极形成于AlGaN势垒层上，过渡层位于源极和漏极之间，源极和漏极位于栅极的两侧，过渡层的Mg掺杂浓度小于P-GaN栅的Mg掺杂浓度；
过渡层具有第一区域和第二区域，被P-GaN栅覆盖的过渡层为第一区域，未被P-GaN栅覆盖的过渡层为第二区域，第一区域的空穴浓度大于第二区域的空穴浓度；
P-GaN栅具有第一P型层和第二P型层，第一P型层和第二P型层自下而上依次层叠，第一P型层的空穴浓度大于或等于第二P型层的空穴浓度。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓增强型器件，其特征在于：过渡层的厚度为1~15nm，Mg掺杂浓度为1017~1019cm-3。
3.根据权利要求1所述的一种氮化镓增强型器件，其特征在于：过渡层具体为Mg掺杂浓度单一的P-AlGaN层；
或者，Mg掺杂浓度单一的P-GaN层；
或者，Mg掺杂浓度由上至下渐变降低的P-AlGaN层；
或者，Mg掺杂浓度由上至下渐变降低的P-GaN层；
或者，自下而上依次层叠的Mg掺杂浓度单一的P-AlGaN层和P-GaN层， P-GaN层的Mg掺杂浓度大于P-AlGaN层的Mg掺杂浓度；
或者，自下而上依次层叠的P-AlGaN层和P-GaN层，P-AlGaN层的Mg掺杂浓度由上至下渐变降低，P-GaN层的Mg掺杂浓度单一，P-GaN层的Mg掺杂浓度大于P-AlGaN层的Mg掺杂浓度。
4.根据权利要求3所述的一种氮化镓增强型器件，其特征在于：过渡层还包括i-GaN层，i-GaN层位于过渡层的最下层，与AlGaN势垒层表面接触。
5.根据权利要求4所述的一种氮化镓增强型器件，其特征在于：i-GaN层的厚度范围为1~2nm。
6.根据权利要求1所述的一种氮化镓增强型器件，其特征在于：还包括钝化层，钝化层覆盖于过渡层、P-GaN栅、源极、漏极和栅极上方且在源极、漏极、栅极对应的位置处开设有与外界进行电接触的窗口。
7.一种氮化镓增强型器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，在衬底上利用外延生长方法依次形成GaN缓冲层、AlGaN势垒层、过渡层和P-GaN，同时，过渡层的Mg掺杂浓度小于P-GaN的Mg掺杂浓度；
步骤二，利用刻蚀工艺定义出栅极区域，去除非栅区域的P-GaN形成P-GaN栅，刻蚀停止在过渡层上，被P-GaN栅覆盖的过渡层为第一区域，未被P-GaN栅覆盖的过渡层为第二区域；
步骤三，利用处理或者扩散工艺，钝化P-GaN栅和未被P-GaN栅覆盖的过渡层，降低空穴浓度，使得第一区域中的空穴浓度大于第二区域中的空穴浓度；
步骤四，保护非栅区域，使用等离子处理，或以大于800℃的高温热恢复处理P-GaN栅表面，提升表面空穴浓度，恢复栅极区栅的P型特性，使得P-GaN栅具有第一P型层和第二P型层，第一P型层和第二P型层自下而上依次层叠，第一P型层的空穴浓度大于或等于第二P型层的空穴浓度；
步骤五，定义源极和漏极的掩模，蚀刻过渡层，通过蒸发或溅射方式沉积欧姆金属，剥离工艺形成源极和漏极，并通过退火工艺形成欧姆接触；
步骤六，沉积钝化层，定义栅极的掩模，通过蒸发或溅射方式沉积栅极金属，剥离工艺形成栅极，使得钝化层覆盖于过渡层、P-GaN栅、源极、漏极和栅极上方且在源极、漏极、栅极对应的位置处开设有与外界进行电接触的窗口。
8.根据权利要求7所述的一种氮化镓增强型器件的制备方法，其特征在于：在步骤三中，具体为利用含H原子的一种或多种气体，使用等离子体处理或气氛热扩散工艺。
9.根据权利要求7所述的一种氮化镓增强型器件的制备方法，其特征在于：过渡层的Mg掺杂浓度为1017~1019cm-3。
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