CN117238945A - 横向氮化镓基功率器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种横向氮化镓基功率器件及其制备方法，功率器件包括：形成于衬底上依次层叠的氮化铝成核层、氮化镓缓冲层以及碳掺杂氮化镓绝缘层，其中碳掺杂氮化镓绝缘层具有多个沟槽，利用纵向结构，增加栅漏距离提高耐压；形成于碳掺杂氮化镓绝缘层表面的铝镓氮/氮化镓异质结；形成于铝镓氮/氮化镓异质结表面的源极、漏极和栅极，多个沟槽位于栅极和漏极之间耐压区，且在介于栅极和漏极之间耐压区的铝镓氮/氮化镓异质结部分表面覆盖有辅助耗尽层；以及，形成于任意相邻两个沟槽之间凸起部上方的辅助耗尽层表面的重掺杂P型氮化镓层，重掺杂P型氮化镓层通过连接结构跨过栅极与源极形成连接。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种横向氮化镓基功率器件及其制备方法。
背景技术
以氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带半导体材料以其优越的物理和化学性质，如禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度大、抗辐射能力强、化学稳定性好等，特别适合制作高耐压、高耐温、高频、大功率电力电子器件。GaN材料另一突出的特点就是利用自身的极化效应，在非掺杂的AlGaN/GaN就可以形成电子面密度达到1013cm-2量级的高浓度二维电子气(Two-dimensional electron gas，2DEG)。2DEG面密度大、在沟道二维平面内迁移率高，利用这一特性制作的横向导通的GaN场效应晶体管是目前最常见的，也是最有潜力的外延结构形式。
在传统AlGaN/GaN场效应晶体管中，需要一个比较长的低掺杂的N-漂移区用来保证具有足够的击穿电压，低掺杂的N-漂移区的尺寸越大，耐压的额定值越大，但是其导通电阻也急剧的增大。导通电阻随电压以2.4-2.6次方增长，这样，就会降低电流的额定值。为了得到一定的导通电阻值，就必须增大硅片的面积，成本随之增加。因此，必须解决GaN基功率器件的低导通电阻、高击穿电压以及小尺寸高集成度之间的矛盾问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种横向氮化镓基功率器件及其制备方法，该器件具有高击穿电压、低导通电阻，同时不增加器件尺寸。
一方面，本发明提供一种横向氮化镓基功率器件，包括：
形成于衬底上依次层叠的氮化铝成核层、氮化镓缓冲层以及碳掺杂氮化镓绝缘层，其中所述碳掺杂氮化镓绝缘层具有多个沟槽；
形成于所述碳掺杂氮化镓绝缘层表面的铝镓氮/氮化镓异质结；
形成于所述铝镓氮/氮化镓异质结表面的源极、漏极和栅极，所述多个沟槽位于栅极和漏极之间耐压区，且在介于栅极和漏极之间耐压区的所述铝镓氮/氮化镓异质结部分表面覆盖有辅助耗尽层；
以及，形成于任意相邻两个所述沟槽之间凸起部上方的所述辅助耗尽层表面的重掺杂P型氮化镓层，所述重掺杂P型氮化镓层通过连接结构跨过所述栅极与所述源极形成连接。
可选地，所述辅助耗尽层为轻掺杂P型氮化镓层，厚度介于3～500nm。
可选地，所述沟槽的深度为0.1～5μm。
可选地，所述沟槽的刻蚀角为90°～135°。
可选地，所述铝镓氮/氮化镓异质结的铝镓氮势垒层厚度介于3～50nm。
另一方面，本发明提供一种横向氮化镓基功率器件的制备方法，所述方法包括：
在衬底上依次形成氮化铝成核层、氮化镓缓冲层以及碳掺杂氮化镓绝缘层；
在所述碳掺杂氮化镓绝缘层上刻蚀出多个沟槽；
在具有沟槽的所述碳掺杂氮化镓绝缘层表面形成铝镓氮/氮化镓异质结；
在所述铝镓氮/氮化镓异质结表面形成辅助耗尽层；
在任意相邻两个所述沟槽之间凸起部上方的所述辅助耗尽层表面形成重掺杂P型氮化镓层，所述重掺杂P型氮化镓层的宽度小于两个所述沟槽之间的距离；
对所述辅助耗尽层进行刻蚀，暴露所述铝镓氮/氮化镓异质结部分表面；
在暴露出的所述铝镓氮/氮化镓异质结部分表面形成源极、漏极和栅极；
形成所述源极和所述重掺杂P型氮化镓层之间的连接结构。
可选地，所述辅助耗尽层为轻掺杂P型氮化镓层，厚度介于3～500nm。
可选地，所述沟槽的深度为0.1～5μm。
可选地，所述沟槽的刻蚀角为90°～135°。
可选地，所述铝镓氮/氮化镓异质结的铝镓氮势垒层厚度介于3～50nm。
本发明提供的一种横向氮化镓基功率器件及其制备方法，利用碳掺杂氮化镓绝缘层中的沟槽，将铝镓氮/氮化镓异质结进行纵向折叠，增大了栅极和漏极的间距，该结构在保证高击穿电压的同时，减小了器件的尺寸，有利于成本的降低和器件集成度的提高，为氮化镓基功率器件的产业化提供了可行性方案。
附图说明
图1为本发明一实施例的横向氮化镓基功率器件的结构示意图；
图2至图9为本发明一实施例的横向氮化镓基功率器件制备方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明一实施例提供一种横向氮化镓基功率器件，如图1所示，该器件包括：
形成于衬底100上依次层叠的氮化铝(AlN)成核层101、氮化镓(GaN)缓冲层102以及碳掺杂氮化镓绝缘层103，其中碳掺杂氮化镓绝缘层具有多个沟槽；
形成于碳掺杂氮化镓绝缘层103表面的铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)异质结104；
形成于铝镓氮/氮化镓异质结104表面的源极107、漏极108和栅极109，碳掺杂氮化镓绝缘层103上的多个沟槽位于栅极109和漏极108之间耐压区，且在介于栅极109和漏极108之间耐压区的铝镓氮/氮化镓异质结部分表面覆盖有辅助耗尽层105；
以及，形成于任意相邻两个沟槽之间凸起部上方的辅助耗尽层105表面的重掺杂P型氮化镓(P+-GaN)层106，所述重掺杂P型氮化镓层106通过连接结构110跨过栅极109与源极107形成连接。
作为一种实施方式，衬底100为蓝宝石衬底，消除了器件漏极加强压时纵向击穿的隐患。
在源极107、漏极108和栅极109下方是没有辅助耗尽层的，辅助耗尽层105可以采用轻掺杂P型氮化镓(P--GaN)层，厚度介于3～500nm。借助于重掺杂P型氮化镓层106，轻掺杂P型氮化镓(P--GaN)辅助耗尽层105与源极107之间可以形成良好的欧姆接触，辅助耗尽层105与源极107保持等电位，对AlGaN/GaN异质结沟道起到辅助耗尽的作用，等效降低了栅极和漏极之间耐压区的掺杂浓度，优化了电场分布提高了器件的击穿电压。
对于碳掺杂氮化镓绝缘层103上多个沟槽来说，沟槽个数根据实际工艺设置，每个沟槽的宽度可以相同，也可以不同。沟槽深度可以设计为0.1～5μm，参考图1，沟槽的刻蚀角θ取值为90°～135°。
本发明实施例的横向氮化镓基功率器件，由于在碳掺杂氮化镓绝缘层加入了沟槽设计，将铝镓氮/氮化镓异质结进行纵向折叠，增大了栅极和漏极的间距，该结构在保证高击穿电压的同时，减小了器件的尺寸，有利于成本的降低和器件集成度的提高，为氮化镓基功率器件的产业化提供了可行性方案。
另外，本发明实施例中，AlGaN/GaN异质结中，AlGaN势垒层是3～50nm薄势垒层，薄势垒层的使用便于实现增强型器件。
另一方面，本发明另一实施例提供一种横向氮化镓基功率器件的制备方法，图2至图9示出了该制备方法的工艺流程。
参考图2，首先在衬底200上依次形成氮化铝成核层201、氮化镓缓冲层202以及碳掺杂氮化镓绝缘层203。
接着，如图3所示，在碳掺杂氮化镓绝缘层203上刻蚀出多个沟槽。该步骤中，沟槽个数根据实际工艺设置，每个沟槽的宽度可以相同，也可以不同。沟槽深度可以设计为0.1～5μm，沟槽的刻蚀角θ取值为90°～135°。
然后，如图4所示，在具有沟槽的碳掺杂氮化镓绝缘层203表面形成铝镓氮/氮化镓异质结204。为了得到增强型器件，AlGaN/GaN异质结中，AlGaN势垒层是3～50nm薄势垒层。
后续的，如图5所示，在铝镓氮/氮化镓异质结204表面形成辅助耗尽层205。辅助耗尽层205可以通过淀积方式生成，可选地，辅助耗尽层205可以采用轻掺杂P型氮化镓(P--GaN)层，厚度介于3～500nm。
然后，如图6所示，在辅助耗尽层205位于任意两个相邻沟槽之间的表面形成重掺杂P型氮化镓(P+-GaN)层206，重掺杂P型氮化镓层206的宽度小于两个沟槽之间的距离。具体地，可以先做出重掺杂P型氮化镓层206的图案，然后淀积P+-GaN。或者，也可以淀积一层P+-GaN，然后进行刻蚀，最终得到需要的图案。
接着，如图7所示，对辅助耗尽层205进行刻蚀，暴露铝镓氮/氮化镓异质结部分表面。暴露的部分表面后续用于制备器件的源极、漏极和栅极。
接着，如图8所示，在暴露出的铝镓氮/氮化镓异质结部分表面形成源极207、漏极208和栅极209。
本实施例中，源极207、漏极208的欧姆接触金属为Ti/Al/Ni/Au叠层结构，采用lift-off工艺并在850℃、N2氛围中进行30s的快速热退火。
形成栅极的过程包括：栅槽刻蚀与栅极金属淀积。通过栅槽刻蚀可以实现增强型器件。栅极金属采用Ni/Au、Pt/Ti/Au、Al/Ni/Au或TiN等。
然后，如图9所示，形成源极207和重掺杂P型氮化镓层206之间的连接结构210。该连接结构实现了辅助耗尽层205与源极207等电位，对AlGaN/GaN异质结沟道起到辅助耗尽的作用，等效降低了栅极和漏极之间耐压区的掺杂浓度，优化了电场分布提高了器件的击穿电压。
需要说明的是，在上述制备流程的各步骤中，并未限定具体的工艺条件，在具体实现时可任意选择。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，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该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种横向氮化镓基功率器件，其特征在于，包括：
形成于衬底上依次层叠的氮化铝成核层、氮化镓缓冲层以及碳掺杂氮化镓绝缘层，其中所述碳掺杂氮化镓绝缘层具有多个沟槽；
形成于所述碳掺杂氮化镓绝缘层表面的铝镓氮/氮化镓异质结；
形成于所述铝镓氮/氮化镓异质结表面的源极、漏极和栅极，所述多个沟槽位于栅极和漏极之间耐压区，且在介于栅极和漏极之间耐压区的所述铝镓氮/氮化镓异质结部分表面覆盖有辅助耗尽层；
以及，形成于任意相邻两个所述沟槽之间凸起部上方的所述辅助耗尽层表面的重掺杂P型氮化镓层，所述重掺杂P型氮化镓层通过连接结构跨过所述栅极与所述源极形成连接。
2.根据权利要求1所述的横向氮化镓基功率器件，其特征在于，所述辅助耗尽层为轻掺杂P型氮化镓层，厚度介于3～500nm。
3.根据权利要求1所述的横向氮化镓基功率器件，其特征在于，所述沟槽的深度为0.1～5μm。
4.根据权利要求1所述的横向氮化镓基功率器件，其特征在于，所述沟槽的刻蚀角为90°～135°。
5.根据权利要求1所述的横向氮化镓基功率器件，其特征在于，所述铝镓氮/氮化镓异质结的铝镓氮势垒层厚度介于3～50nm。
6.一种横向氮化镓基功率器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在衬底上依次形成氮化铝成核层、氮化镓缓冲层以及碳掺杂氮化镓绝缘层；
在所述碳掺杂氮化镓绝缘层上刻蚀出多个沟槽；
在具有沟槽的所述碳掺杂氮化镓绝缘层表面形成铝镓氮/氮化镓异质结；
在所述铝镓氮/氮化镓异质结表面形成辅助耗尽层；
在任意相邻两个所述沟槽之间凸起部上方的所述辅助耗尽层表面形成重掺杂P型氮化镓层，所述重掺杂P型氮化镓层的宽度小于两个所述沟槽之间的距离；
对所述辅助耗尽层进行刻蚀，暴露所述铝镓氮/氮化镓异质结部分表面；
在暴露出的所述铝镓氮/氮化镓异质结部分表面形成源极、漏极和栅极；
形成所述源极和所述重掺杂P型氮化镓层之间的连接结构。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述辅助耗尽层为轻掺杂P型氮化镓层，厚度介于3～500nm。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述沟槽的深度为0.1～5μm。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述沟槽的刻蚀角为90°～135°。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述铝镓氮/氮化镓异质结的铝镓氮势垒层厚度介于3～50nm。
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