CN116454112A - 一种非平面GaN HEMT横向功率器件 - Google Patents

一种非平面GaN HEMT横向功率器件 Download PDF

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Abstract

本发明属于功率半导体领域，涉及GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)横向功率器件，具体提供一种非平面GaN HEMT横向功率器件。本发明通过结构创新能够有效克服上述非平面GaN HEMT横向功率器件的设计难点，具体通过成熟的硅刻蚀技术，在硅(100)晶面、硅(001)晶面或硅(010)晶面上、沿[110]方向刻蚀形成V形槽，其侧壁(111)面之间的夹角为70.52°，然后在侧壁(111)面进行GaN的极性外延生长、以及AlGaN势垒层，形成非平面的器件结构，其中的2DEG通道由源极曲折到达漏极，那么在同等器件面积的条件下2DEG通道将显著增长，最终使器件Baliga优值显著增大、性能极限得到突破，并获得进一步的可靠性提升。

Description

一种非平面GaN HEMT横向功率器件
技术领域
本发明属于功率半导体领域，涉及氮化镓(GaN)材料，可用于优化GaN HEMT(HighElectron Mobility Transistor)横向功率器件，具体提供一种非平面GaN HEMT横向功率器件的结构及制备方法。
背景技术
GaN是一种宽禁带半导体材料，击穿强度高、饱和电子迁移率高、热导率高，被视为继硅后最具发展前景的半导体材料之一。基于GaN制作的HEMT横向功率器件，其Baliga优值(定义为“击穿电压的平方”除以“导通电阻与器件面积之积”)相对硅器件而言有了数量级式的提高，反映器件性能的极限得到了数量级式的提升，因此成为高速、可集成功率开关的理想之选。
GaN HEMT横向功率器件之所以优秀，主要是因为其载流子是高密度、高迁移率的二维电子气(2DEG)；2DEG由器件表面的GaN/AlGaN异质结通过极化效应产生，若抛开栅边缘电场集中和其它涉及可靠性的非理想因素，2DEG通道的长度将深刻影响器件的击穿电压与导通电阻；现有的GaN HEMT横向功率器件均为平面结构，如图11所示，这意味着如将其2DEG通道增长一倍，那么理论上器件的击穿电压将增大一倍、导通电阻将增大一倍、而器件面积亦将增大一倍，因此总体上器件的Baliga优值不变，器件性能的极限并未得到提高。若将GaN HEMT横向功率器件改为非平面结构，即2DEG不是从源极直达漏极、而是曲折到达的，那么在同等器件面积下，2DEG通道将增长，即便这依然导致击穿电压与导通电阻同比增加，但由于器件面积保持不变，非平面结构的Baliga优值将增大。
然而，非平面GaN HEMT横向功率器件的结构理念与制作方法迄今未见报道，其原因在于相比于非平面的硅器件，非平面的GaN HEMT横向功率器件难以实现。主要存在以下困难：
1)GaN材料相比硅材料而言不易刻蚀，GaN物理化学性质稳定，难以用湿法刻蚀获得满意的刻蚀速率和较好的可控性，只能采用RIE、ECR、ICR、IBE等干法刻蚀技术，而目前这些技术一般只用于蚀刻GaN HEMT器件的隔离区或有源区等；
2)刻蚀过程中难免造成GaN表面的损伤，导致GaN/AlGaN异质结界面处出现各种缺陷微结构，加剧该类器件的可靠性问题；
3)GaN具有六方纤锌矿的晶体结构，其中唯有垂直于极轴的c面为极性面，能在器件中形成高密度的2DEG；因此，即使采用某种技术对GaN进行了均匀性和重复性良好的刻蚀，所获得的非平面GaN的表面晶面也不可能处处都垂直于极轴，即无法把GaN的c面处处暴露于表面，无法令器件中形成连续的高密度2DEG通道。
发明内容
本发明之目的在于提供一种非平面GaN HEMT横向功率器件，通过结构创新来有效克服上述非平面GaN HEMT横向功率器件的设计难点与加工难点，使器件Baliga优值显著增大、性能极限得到进一步突破，并获得可靠性提升。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种非平面GaN HEMT横向功率器件，其特征在于，包括：
硅衬底，所述硅衬底于硅(100)晶面、硅(001)晶面或硅(010)晶面上沿[110]晶向刻蚀形成有夹角为70.52°的V形槽，所述V形槽的槽壁为硅(111)晶面；
沿所述V形槽的槽壁设置的过渡层，过渡层上依次层叠设置的缓冲层、沟道层、势垒层，所述过渡层、缓冲层、沟道层、势垒层均呈夹角为70.52°的V形；
设置于势垒层上的钝化层；
以及金属源极、金属漏极与栅控制端，所述金属源极、金属漏极与栅控制端均位于V形槽的槽壁，且金属源极和金属漏极分别位于V形槽两侧侧壁、金属源极与栅控制端位于V形槽同侧侧壁。
另一种非平面GaN HEMT横向功率器件，其特征在于，包括：
硅衬底，所述硅衬底于硅(100)晶面、硅(001)晶面或硅(010)晶面上沿[110]晶向刻蚀形成有夹角为70.52°的V形槽，所述V形槽的槽壁为硅(111)晶面；
沿硅衬底的上表面与所述V形槽的槽壁设置的过渡层，过渡层上依次层叠设置的缓冲层、沟道层、势垒层，所述过渡层、缓冲层、沟道层、势垒层均具有夹角为70.52°的V形结构；
设置于势垒层上的钝化层；
以及金属源极、金属漏极与栅控制端，所述栅控制端位于V形槽的槽壁，所述金属源极与金属漏极位于衬底上表面、且分别位于V形槽的侧壁两侧。
进一步的，上述两种非平面GaN HEMT横向功率器件中，所述势垒层与钝化层之间还设置有高介电常数(HK)钝化层。
进一步的，上述两种非平面GaN HEMT横向功率器件中，所述沟道层采用GaN，所述势垒层采用AlGaN。
进一步的，上述两种非平面GaN HEMT横向功率器件中，所述过渡层采用AlGaN或AlN，所述缓冲层采用AlGaN或GaN，所述钝化层采用Si3N4或SiO2。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种非平面GaN HEMT横向功率器件，通过结构创新来有效克服上述非平面GaN HEMT横向功率器件的设计难点与加工难点，具体通过成熟的硅刻蚀技术，在硅(100)晶面、硅(001)晶面或硅(010)晶面上、沿[110]方向刻蚀形成V形槽，其侧壁(111)面之间的夹角为70.52°，然后在侧壁(111)面进行缓冲层、沟道层以及势垒层的极性外延生长，形成非平面的器件结构，其2DEG通道由源极沿V形曲折到达漏极，那么在同等器件面积下2DEG通道将显著增长，使器件Baliga优值增大、突破性能极限，并获得可靠性提升。
附图说明
图1为本发明实施例1中V形GaN HEMT增强型器件结构示意图。
图2为本发明实施例1中V形GaN HEMT增强型器件的制备工艺流程图。
图3为本发明实施例2中覆有HK钝化层的V形GaN HEMT增强型器件结构示意图。
图4为本发明实施例2中HK钝化层对GaN HEMT中界面电荷影响的约束效果图，其中，(a)为关态I-V特性曲线，(b)为开态I-V特性曲线(栅压5V)。
图5为本发明实施例3中V形GaN HEMT耗尽型器件结构示意图。
图6为本发明实施例4中覆有HK钝化层的V形GaN HEMT耗尽型器件结构示意图。
图7为本发明实施例5中V形GaN HEMT增强型器件结构示意图。
图8为本发明实施例6中覆有HK钝化层的V形GaN HEMT增强型器件结构示意图。
图9为本发明实施例7中V形GaN HEMT耗尽型器件结构示意图。
图10为本发明实施例8中覆有HK钝化层的V形GaN HEMT耗尽型器件结构示意图。
图11为传统GaN HEMT增强型器件结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供一种V形GaN HEMT增强型横向功率器件(简称V-GaN HEMT)，其元胞结构如图1所示，制备工艺流程如图2所示；具体包括：
硅衬底01，所述硅衬底01于硅(100)晶面上、沿[110]晶向刻蚀形成有夹角为70.52°的V形槽，所述V形槽的槽壁为硅(111)晶面；
沿所述V形槽的槽壁设置的过渡层02，过渡层02上依次层叠设置的缓冲层03、沟道层04(GaN)、势垒层05(AlGaN)，势垒层05(AlGaN)上设置的钝化层07与(p-GaN)06；所述过渡层02(AlN)、缓冲层03(GaN)、沟道层04(GaN)与势垒层05(AlGaN)均呈夹角为70.52°的V形；
以及位于V形槽的槽壁的金属源极、金属漏极与栅控制端，且栅极位于p-GaN上；
上述器件中，过渡层一般采用AlGaN、AlN，本实施例中采用AlN；缓冲层一般采用AlGaN、GaN，本实施例中采用GaN；钝化层一般采用Si3N4、SiO2，本实施例中采用Si3N4；增强型器件一般采用p-GaN栅、凹栅、绝缘栅、氟离子注入等实现，本实施例中采用p-GaN栅。金属源极与金属漏极可通过肖特基接触或欧姆接触与二维电子气形成良好的导电连接，本实施例中采用金属源极与金属漏极伸入沟道层与二维电子气形成欧姆接触的方法。
需要说明的是：上述结构描述中，“硅(100)晶面”、“[110]晶向”与“硅(111)晶面”为专有名词，其中，“圆括号()”与“方括号[]”也是专有表达。并且，相比于传统平面结构，金属源极、金属漏极与栅控制端的设置并无区别，故本发明不再赘述。另外，本发明中，硅衬底的刻蚀能直接采用现有成熟硅刻蚀工艺实现，在器件最表层还存在着封装的其它钝化材料。
从工作原理上讲，
基于上述V形GaN HEMT增强型横向功率器件结构，本发明能形成夹角为70.52°的V形的连续2DEG通道；在本发明V-GaN HEMT元胞的横向尺寸设为和传统结构相同的前提下，通过计算可知，V-GaN HEMT的2DEG通道相比传统结构的增长了1.73倍，因此理论上它的击穿电压和导通电阻也将增大1.73倍，但由于相同横向尺寸条件下元胞面积不变，因此V-GaNHEMT的Baliga优值理论上将增大1.73倍，表明本发明器件可获得大幅的性能提升。
更进一步地讲，由于Si的(111)晶面与GaN的晶格分布最为匹配，在这种情况下，沿Si的(111)晶面进行GaN的极性外延生长，GaN薄膜能够沿其极性轴c轴方向生长、进而在垂直于极轴的极性面产生高密度的2DEG。同时，根据Si各向异性的特点，硅在(111)晶面的被腐蚀速度远小于(100)晶面，因此选择适当的腐蚀温度和时间，就能在硅衬底上批量得到稳定一致的V形槽。并且，在V形槽的倾斜槽壁上进行GaN外延生长，能够使得GaN中的位错集中湮灭，从而有效降低位错密度。
实施例2
本实施例提供一种V形GaN HEMT增强型横向功率器件(简称V-GaN HEMT)，其元胞结构如图3所示，其与实施例1的唯一区别在于：所述钝化层07与势垒层05之间还设置有一层HK钝化层11，所述HK钝化层11为相对介电常数大于200的材料，比如：STO或PZT；通过设置HK钝化层11，能够约束器件表面界面电荷对器件性能的影响，提高可靠性。本实施例中，HK钝化层11对GaN HEMT中界面电荷影响的约束效果经仿真如图4所示，由图可见，HK钝化层在不影响正向导通特性的同时，显著约束了各种界面电荷密度情况下击穿电压相比于其标准值的偏离，即抑制了界面电荷对器件的不良影响。
实施例3
本实施例提供一种V形GaN HEMT耗尽型横向功率器件，其元胞结构如图5所示，具体包括：
硅衬底01，所述硅衬底01于硅(100)晶面上、沿[110]晶向刻蚀形成有夹角为70.52°的V形槽，所述V形槽的槽壁为硅(111)晶面；
沿所述V形槽的槽壁设置的过渡层02，过渡层02上依次层叠设置的缓冲层03、沟道层04(GaN)、势垒层05(AlGaN)与钝化层07，所述过渡层02、缓冲层03、沟道层04(Ga N)与势垒层05(AlGaN)均呈夹角为70.52°的V形；
以及位于V形槽槽壁的金属源极、金属漏极与栅控制端；
上述器件中，过渡层一般采用AlGaN、AlN，本实施例中采用AlN；缓冲层一般采用AlGaN、GaN，本实施例中采用GaN；钝化层一般采用Si3N4、SiO2，本实施例中采用Si3N4。
本实施例中V形GaN HEMT耗尽型器件的工作原理与实施例1相同。
实施例4
本实施例提供一种V形GaN HEMT耗尽型器件，其元胞结构如图6所示，其与实施例3的唯一区别在于：所述钝化层07与势垒层05之间还设置有一层HK钝化层11(材料为STO或PZT)；通过设置HK钝化层11，能够约束器件表面界面电荷的影响、提高可靠性。
实施例5
本实施例提供一种V形GaN HEMT增强型横向功率器件(简称V-GaN HEMT)，其元胞结构如图7所示；具体包括：
硅衬底01，所述硅衬底01于硅(100)晶面上、沿[110]晶向刻蚀形成有夹角为70.52°的V形槽，所述V形槽的槽壁为硅(111)晶面；
沿硅衬底的上表面与所述V形槽的槽壁设置的过渡层02，过渡层02上依次层叠设置的缓冲层03、沟道层04(GaN)、势垒层05(AlGaN)，势垒层05(AlGaN)上设置的钝化层07与(p-GaN)06；所述过渡层02、缓冲层03、沟道层04(GaN)与势垒层05(AlGaN)均具有夹角为70.52°的V形结构；
以及金属源极、金属漏极与栅控制端，所述栅控制端位于V形槽的槽壁、且位于(p-GaN)06上，所述金属源极与金属漏极位于衬底上表面、且分别位于V形槽的两侧；
上述器件中，过渡层材料一般采用AlGaN、AlN，本实施例中采用AlN；缓冲层材料一般采用AlGaN、GaN，本实施例中采用GaN；钝化层材料一般采用Si3N4、SiO2，本实施例中采用Si3N4。
本实施例的V形GaN HEMT增强型横向功率器件的工作原理与实施例1相同，但本实施例通过采用将源极与漏极放置于衬底上表面的设计，相比实施例1可进一步提高芯片的功率密度。
实施例6
本实施例提供一种V形GaN HEMT增强型横向功率器件(简称V-GaN HEMT)，其元胞结构如图8所示，其与实施例5的唯一区别在于：所述钝化层07与势垒层05之间还设置有一层HK钝化层11(相对介电常数大于200的材料，比如：STO或PZT)；通过设置HK钝化层11，能够约束器件表面界面电荷的影响、提高可靠性。
实施例7
本实施例提供一种V形GaN HEMT耗尽型横向功率器件，其元胞结构如图9所示，具体包括：
硅衬底01，所述硅衬底01于硅(100)晶面上、沿[110]晶向刻蚀形成有夹角为70.52°的V形槽，所述V形槽的槽壁为硅(111)晶面；
沿硅衬底的上表面与所述V形槽的槽壁设置的过渡层02，过渡层02上依次层叠设置的缓冲层03、沟道层04(GaN)、势垒层05(AlGaN)，势垒层05(AlGaN)上设置的钝化层07；所述过渡层02、缓冲层03、沟道层04(GaN)、势垒层05(AlGaN)与钝化层07均具有夹角为70.52°的V形结构；
以及金属源极、金属漏极与栅控制端，所述栅控制端位于V形槽的槽壁，所述金属源极与金属漏极位于衬底上表面、且分别位于V形槽的两侧；
上述器件中，过渡层一般采用AlGaN、AlN，本实施例中采用AlN；缓冲层一般采用AlGaN、GaN，本实施例中采用GaN；钝化层一般采用Si3N4、SiO2，本实施例中采用Si3N4。
本实施例中V形GaN HEMT耗尽型横向功率器件的工作原理与实施例1相同。
实施例8
本实施例提供一种V形GaN HEMT耗尽型横向功率器件，其元胞结构如图10所示，其与实施例7的唯一区别在于：所述钝化层07与势垒层05之间还设置有一层HK钝化层11(相对介电常数大于200的材料，比如：STO或PZT)；通过设置HK钝化层11，能够约束器件表面界面电荷的影响、提高可靠性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种非平面GaN HEMT横向功率器件，其特征在于，包括：
硅衬底，所述硅衬底于硅(100)晶面、硅(001)晶面或硅(010)晶面上沿[110]晶向刻蚀形成有夹角为70.52°的V形槽，所述V形槽的槽壁为硅(111)晶面；
沿所述V形槽的槽壁设置的过渡层，过渡层上依次层叠设置的缓冲层、沟道层、势垒层，所述过渡层、缓冲层、沟道层、势垒层均呈夹角为70.52°的V形；
设置于势垒层上的钝化层；
以及金属源极、金属漏极与栅控制端，所述金属源极、金属漏极与栅控制端均位于V形槽的槽壁，且金属源极和金属漏极分别位于V形槽两侧侧壁、金属源极与栅控制端位于V形槽同侧侧壁。
2.一种非平面GaN HEMT横向功率器件，其特征在于，包括：
硅衬底，所述硅衬底于硅(100)晶面、硅(001)晶面或硅(010)晶面上沿[110]晶向刻蚀形成有夹角为70.52°的V形槽，所述V形槽的槽壁为硅(111)晶面；
沿硅衬底的上表面与所述V形槽的槽壁设置的过渡层，过渡层上依次层叠设置的缓冲层、沟道层、势垒层，所述过渡层、缓冲层、沟道层、势垒层均具有夹角为70.52°的V形结构；
设置于势垒层上的钝化层；
以及金属源极、金属漏极与栅控制端，所述栅控制端位于V形槽的槽壁，所述金属源极与金属漏极位于衬底上表面、且分别位于V形槽的侧壁两侧。
3.按权利要求1或2所述非平面GaN HEMT横向功率器件中，其特征在于，所述势垒层与钝化层之间还设置有HK钝化层。
4.按权利要求1或2所述非平面GaN HEMT横向功率器件中，其特征在于，所述沟道层采用GaN，所述势垒层采用AlGaN。
5.按权利要求1或2所述非平面GaN HEMT横向功率器件中，其特征在于，所述过渡层采用AlGaN或AlN，所述缓冲层采用AlGaN或GaN，所述钝化层采用Si3N4或SiO2。
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