CN117855267A - 一种高阈值增强型功率器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高阈值增强型功率器件及其制备方法，涉及半导体器件制备领域；GaN缓冲层、GaN凹槽层和AlGaN层在Si衬底上由下至上依次外延生长而成；AlGaN层具有第一部分凹槽；p‑AlGaN层设置在第一部分凹槽内；钝化层覆盖AlGaN层和p‑AlGaN层的表面；栅电极放置在栅极凹槽；源电极放置在源极凹槽；源极凹槽从钝化层上的第一区域向下刻蚀至GaN凹槽层内部形成的；漏电极放置在漏极凹槽；漏极凹槽从钝化层上的第二区域向下刻蚀至GaN凹槽层的内部形成的；第一区域与第二区域不同。本发明能够提高功率器件的性能，实现大电流、高阈值电压的目的。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制备领域，特别是涉及一种高阈值增强型功率器件及其制备方法。
背景技术
相比于传统的Si材料，宽禁带半导体GaN材料有着更高击穿电场、禁带宽度大、电子迁移率高、熔点更高的优势特性。基于GaN材料制备的功率器件，将会有耐压高、导通电阻小、开关损耗低、温度特性好等优点，并且拥有更好的功率密度输出，以及更高的能量转换效率等优势，因此可以将系统向小型化、轻量化方向发展，从而有效降低系统制作成本。
GaN功率器件分为增强型和耗尽型，由于电路应用的简便性，增强型GaN器件成为目前研究的热点。实现增强型GaN器件的主流技术有三种：p-GaN型、凹槽型、F离子注入型。其中p-GaN型GaN增强型器件是现在的主流技术，采用这种技术的器件，阈值电压稳定，可靠性好，已经实现产业化。但是对于p-GaN器件，由于在AlGaN层上，外延生长了一层p-GaN层，因此其下方的AlGaN层不能太厚，且Al组分也不能太高，AlGaN太厚或Al组分过高，会导致沟道的二维电子气浓度很高，不容易被p-GaN耗尽，会引起阈值电压过低，甚至实现不了增强型。因此，p-GaN增强型器件，一般具有比较低的阈值电压（~1.5V)，且电流能力都比较低，实现大电流比较困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种高阈值增强型功率器件及其制备方法，以提高功率器件的性能，实现大电流、高阈值电压的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高阈值增强型功率器件，包括：Si衬底、GaN缓冲层、GaN凹槽层、AlGaN层、p-AlGaN层、钝化层、源电极、栅电极和漏电极；
所述GaN缓冲层、所述GaN凹槽层和所述AlGaN层在所述Si衬底上由下至上依次外延生长而成；所述GaN缓冲层、所述GaN凹槽层和所述AlGaN层均是在MOCVD设备中生长而成；
所述AlGaN层具有第一部分凹槽；所述第一部分凹槽由所述AlGaN层的顶面向下延伸至设定位置处；所述设定位置是根据距离所述GaN凹槽层的顶面的设定距离范围确定的；
所述p-AlGaN层设置在所述第一部分凹槽内；
所述钝化层覆盖在所述AlGaN层和所述p-AlGaN层的表面；
所述栅电极放置在栅极凹槽；所述栅极凹槽包括第二部分凹槽和第三部分凹槽；所述第二部分凹槽是将所述钝化层上与所述第一部分凹槽对应的部分刻蚀而成的，且所述第二部分凹槽和所述第一部分凹槽不连通；所述第三部分凹槽是在所述第二部分凹槽的基础上，将所述钝化层继续向下刻蚀而成的；所述第三部分凹槽的底面与所述p-AlGaN层的顶面相接，且所述第三部分凹槽的两端与所述第一部分凹槽的两端不相接；
所述源电极放置在源极凹槽；所述源极凹槽是从所述钝化层上的第一区域向下刻蚀至所述GaN凹槽层的内部形成的；所述源电极与所述GaN凹槽层内部形成的二维电子气连接；
所述漏电极放置在漏极凹槽；所述漏极凹槽是从所述钝化层上的第二区域向下刻蚀至所述GaN凹槽层的内部形成的；所述漏电极与所述GaN凹槽层内部形成的二维电子气连接；所述第一区域与所述第二区域不同。
可选地，所述设定距离范围为不小于10nm。
可选地，所述AlGaN层的厚度大于25nm。
可选地，所述AlGaN层的Al组分大于25%。
可选地，所述钝化层的材料为SiO2或SiNx。
一种高阈值增强型功率器件制备方法，所述制备方法用于制备上述所述的高阈值增强型功率器件，所述制备方法包括：
采用MOCVD设备，在Si衬底上由下至上依次外延生长GaN缓冲层、GaN凹槽层和AlGaN层；
在所述AlGaN层表面沉积初始钝化层；
由所述初始钝化层的顶面向下刻蚀直至延伸至所述AlGaN层内部，得到刻蚀凹槽；
采用离子注入技术，将设定浓度范围的Mg离子注入所述刻蚀凹槽，并进行退火处理，得到激活层；
将所有的所述初始钝化层刻蚀掉，并在所述刻蚀凹槽中继续向下刻蚀，直至设定位置处，得到第一部分凹槽；
所述激活层在所述第一部分凹槽中转化形成p-AlGaN层；
在所述AlGaN层和所述p-AlGaN层的表面上覆盖钝化层；
在所述钝化层的顶面，与所述第一部分凹槽对应部分进行刻蚀，得到第二部分凹槽；所述第二部分凹槽和所述第一部分凹槽不连通；
在所述第二部分凹槽的基础上，将所述钝化层继续向下刻蚀至所述p-AlGaN层的顶面，得到第三部分凹槽；所述第三部分凹槽的两端与所述第一部分凹槽的两端不相接；所述第二部分凹槽和所述第三部分凹槽构成栅极凹槽；
在所述钝化层上的第一区域向下刻蚀至所述GaN凹槽层的内部形成源极凹槽；所述源极凹槽贯穿所述GaN凹槽层内部形成的二维电子气；
在所述钝化层上的第二区域向下刻蚀至所述GaN凹槽层的内部形成漏极凹槽；所述漏极凹槽贯穿所述GaN凹槽层内部形成的二维电子气；所述第一区域与所述第二区域不同；
在所述栅极凹槽内生成栅电极，在所述源极凹槽内生成源电极，在所述漏极凹槽内生成漏电极，得到高阈值增强型功率器件。
可选地，所述设定浓度范围为大于1×1018cm3。
可选地，采用离子注入技术，将设定浓度范围的Mg离子注入所述刻蚀凹槽中，在常压、1250℃氮气氛围下，退火30min，以完成退火处理，得到激活层。
可选地，采用溅射的方式，在所述栅极凹槽内生成栅电极，在所述源极凹槽内生成源电极，在所述漏极凹槽内生成漏电极，得到高阈值增强型功率器件。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种高阈值增强型功率器件及其制备方法，GaN缓冲层、GaN凹槽层和AlGaN层在Si衬底上由下至上依次外延生长而成；AlGaN层具有第一部分凹槽；p-AlGaN层设置在第一部分凹槽内；钝化层覆盖在AlGaN层和p-AlGaN层的表面；栅电极放置在栅极凹槽；源电极放置在源极凹槽；源极凹槽是从钝化层上的第一区域向下刻蚀至GaN凹槽层的内部形成的；漏电极放置在漏极凹槽；漏极凹槽是从钝化层上的第二区域向下刻蚀至GaN凹槽层的内部形成的；源电极和漏电极均与GaN凹槽层内部形成的二维电子气连接；第一区域与第二区域不同，以提高功率器件的性能，实现大电流、高阈值电压的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的高阈值增强型功率器件的结构图；
图2为本发明实施例提供的高阈值增强型功率器件制备方法中工艺步骤1的示意图；
图3为本发明实施例提供的高阈值增强型功率器件制备方法中工艺步骤2的示意图；
图4为本发明实施例提供的高阈值增强型功率器件制备方法中工艺步骤3的示意图；
图5为本发明实施例提供的高阈值增强型功率器件制备方法中工艺步骤4的示意图；
图6为本发明实施例提供的高阈值增强型功率器件制备方法中工艺步骤5的示意图。
符号说明：
钝化层-1、源电极-2、栅电极-3、漏电极-4、二维电子气-5、初始钝化层-6、p-AlGaN层-7。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本发明不是通过外延生长p-GaN，而是通过在AlGaN层刻蚀凹槽，然后通过Mg注入的方式，将栅极下方的部分AlGaN层变成p型AlGaN，即p-AlGaN层，从而对下方的二维电子气5起到耗尽作用。采用这种技术，AlGaN层可以很厚，Al组分也可以很高，因而可以实现大电流，高阈值电压的增强型器件。
本发明的目的是提供一种高阈值增强型功率器件及其制备方法，以提高功率器件的性能，实现大电流、高阈值电压的目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供了一种高阈值增强型功率器件，包括：Si衬底、GaN缓冲层、GaN凹槽层、AlGaN层、p-AlGaN层7、钝化层1、源电极2、栅电极3和漏电极4。
GaN缓冲层、GaN凹槽层和AlGaN层在Si衬底上由下至上依次外延生长而成；GaN缓冲层、GaN凹槽层和AlGaN层均是在MOCVD设备中生长而成。
AlGaN层具有第一部分凹槽；第一部分凹槽由AlGaN层的顶面向下延伸至设定位置处；设定位置是根据距离GaN凹槽层的顶面的设定距离范围确定的。
具体的，设定距离范围为不小于10nm。
p-AlGaN层7设置在第一部分凹槽内；钝化层1覆盖在AlGaN层和p-AlGaN层7的表面。
栅电极3放置在栅极凹槽；栅极凹槽包括第二部分凹槽和第三部分凹槽；第二部分凹槽是将钝化层1上与第一部分凹槽对应的部分刻蚀而成的，且第二部分凹槽和第一部分凹槽不连通；第三部分凹槽是在第二部分凹槽的基础上，将钝化层1继续向下刻蚀而成的；第三部分凹槽的底面与p-AlGaN层7的顶面相接，且第三部分凹槽的两端与第一部分凹槽的两端不相接。
源电极2放置在源极凹槽；源极凹槽是从钝化层1上的第一区域向下刻蚀至GaN凹槽层的内部形成的；源电极2与GaN凹槽层内部形成的二维电子气5连接。
漏电极4放置在漏极凹槽；漏极凹槽是从钝化层1上的第二区域向下刻蚀至GaN凹槽层的内部形成的；漏电极4与GaN凹槽层内部形成的二维电子气5连接；第一区域与第二区域不同。
在一种实施例中，AlGaN层的厚度大于25nm。AlGaN层的Al组分大于25%。钝化层1的材料为SiO2或SiNx。
实施例2
本发明实施例提供了一种高阈值增强型功率器件制备方法，该制备方法用于制备实施例1中的高阈值增强型功率器件，该制备方法包括：
采用MOCVD设备，在Si衬底上由下至上依次外延生长GaN缓冲层、GaN凹槽层和AlGaN层。
在AlGaN层表面沉积初始钝化层6。
由初始钝化层6的顶面向下刻蚀直至延伸至AlGaN层内部，得到刻蚀凹槽。
采用离子注入技术，将设定浓度范围的Mg离子注入刻蚀凹槽，并进行退火处理，得到激活层。
具体的，设定浓度范围为大于1×1018cm3。
将所有的初始钝化层6刻蚀掉，并在刻蚀凹槽中继续向下刻蚀，直至设定位置处，得到第一部分凹槽。
激活层在第一部分凹槽中转化形成p-AlGaN层7。
在AlGaN层和p-AlGaN层7的表面上覆盖钝化层1。
在钝化层1的顶面，与第一部分凹槽对应部分进行刻蚀，得到第二部分凹槽；第二部分凹槽和第一部分凹槽不连通。
在第二部分凹槽的基础上，将钝化层1继续向下刻蚀至p-AlGaN层7的顶面，得到第三部分凹槽；第三部分凹槽的两端与第一部分凹槽的两端不相接；第二部分凹槽和第三部分凹槽构成栅极凹槽。
在钝化层1上的第一区域向下刻蚀至GaN凹槽层的内部形成源极凹槽；源极凹槽贯穿GaN凹槽层内部形成的二维电子气5。
在钝化层1上的第二区域向下刻蚀至GaN凹槽层的内部形成漏极凹槽；漏极凹槽贯穿GaN凹槽层内部形成的二维电子气5；第一区域与第二区域不同。
在栅极凹槽内生成栅电极3，在源极凹槽内生成源电极2，在漏极凹槽内生成漏电极4，得到高阈值增强型功率器件。
在一种实施例中，采用离子注入技术，将设定浓度范围的Mg离子注入刻蚀凹槽中，在常压、1250℃氮气氛围下，退火30min，以完成退火处理，得到激活层。
作为一种可选地实施方式，采用溅射的方式，在栅极凹槽内生成栅电极3，在源极凹槽内生成源电极2，在漏极凹槽内生成漏电极4，得到高阈值增强型功率器件。
在实际应用中，该发明提供的高阈值增强型功率器件制备方法的具体实施工艺步骤还可以如下所示：
工艺步骤1：将Si衬底放入MOCVD设备中，依次外延生长GaN 缓冲层、GaN凹槽层、AlGaN层。如图2所示。由于AlGaN与GaN晶格常数的差异，会产生压电极化效应，同时GaN本身也有自发极化效应。两种极化效应的作用下，会在GaN凹槽层，靠近AlGaN层的一侧产生二维电子气5。AlGaN层越厚，Al组分越高，极化效应约强，二维电子气5的浓度也就越高。
工艺步骤2：将工艺步骤1生成的产物从MOCVD中取出后，在AlGaN层表面沉积一层初始钝化层6，该初始钝化层6的材料可以是SiO2，也可以是SiNx，然后经过光刻、刻蚀，在后续形成栅电极3的区域刻蚀掉初始钝化层6和部分AlGaN层，形成凹槽，即刻蚀凹槽，如图3所示。
工艺步骤3：采用离子注入技术，将Mg离子注入到刻蚀凹槽，Mg离子总浓度大于1×1018/cm3，在常压、1250°C，氮气氛围，退火30min。退火的目的有两个，一个是修复注入过程中的引起的材料损伤，另一个是因为Mg离子在AlGaN层中的激活能较大，需要高温退火，将Mg激活，以为后续形成P型AlGaN，即p-AlGaN层7。如图4所示。
工艺步骤4：将初始钝化层6去除，最终形成如图5所示所示形貌。在工艺步骤2的基础上，在刻蚀凹槽继续刻蚀AlGaN层上方剩余的区域，其上面一部分形成了p型AlGaN，即形成p-AlGaN层7。由于p型AlGaN可以提供空穴，因此会对下方的二维电子气5起到耗尽作用，使下方的二维电子气5消失。
只有在栅极加正压的情况下，p型AlGaN下方的二维电子气5才会重新出现，即实现增强型器件。为了实现大电流的目的，AlGaN层的厚度可以很厚，AlGaN层的厚度大于25nm，Al组分也可以更高，Al组分大于25%。而一般的p-GaN增强型器件，AlGaN层的厚度都在10-25nm之间，Al组分均小于25%。刻蚀凹槽的目的，是因为p型AlGaN的空穴浓度有限。一般的p-GaN结构增强型器件，p-GaN的空穴浓度也是很低，栅电极3所在区域AlGaN层太厚的话，下方的二维电子气5很难被完全耗尽，导致阈值电压比较低。凹槽的刻蚀深度可以根据阈值电压的需要进行调整，如果需要高的阈值电压，凹槽的深度可以刻蚀深一点。但在Mg离子注入后，栅电极3所在区域必须保留至少10nm的原始AlGaN层，防止p型AlGaN直接与GaN凹槽层相连。如果相连的话，p型AlGaN会破坏下方的二维电子气5，形成高阻态。
工艺步骤5：重新在晶圆表面，也就是在工艺步骤4得到的产物的表面覆盖一层钝化层1（SiO2或SiNx)，然后在通过光刻、刻蚀工艺，在栅电极3的区域进行刻蚀，将部分钝化层1刻蚀掉，暴露出p-AlGaN层7，接着通过制作栅极金属，形成栅电极3，如图6所示。
工艺步骤6：在源极和漏极所在的区域进行刻蚀，将钝化层1、AlGaN层、及部分GaN凹槽层刻蚀掉，并制作源电极2和漏电极4。整个器件即制备完成。制备好的器件见图1。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置、方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种高阈值增强型功率器件，其特征在于，包括：Si衬底、GaN缓冲层、GaN凹槽层、AlGaN层、p-AlGaN层、钝化层、源电极、栅电极和漏电极；
所述GaN缓冲层、所述GaN凹槽层和所述AlGaN层在所述Si衬底上由下至上依次外延生长而成；所述GaN缓冲层、所述GaN凹槽层和所述AlGaN层均是在MOCVD设备中生长而成；
所述AlGaN层具有第一部分凹槽；所述第一部分凹槽由所述AlGaN层的顶面向下延伸至设定位置处；所述设定位置是根据距离所述GaN凹槽层的顶面的设定距离范围确定的；
所述p-AlGaN层设置在所述第一部分凹槽内；
所述钝化层覆盖在所述AlGaN层和所述p-AlGaN层的表面；
所述栅电极放置在栅极凹槽；所述栅极凹槽包括第二部分凹槽和第三部分凹槽；所述第二部分凹槽是将所述钝化层上与所述第一部分凹槽对应的部分刻蚀而成的，且所述第二部分凹槽和所述第一部分凹槽不连通；所述第三部分凹槽是在所述第二部分凹槽的基础上，将所述钝化层继续向下刻蚀而成的；所述第三部分凹槽的底面与所述p-AlGaN层的顶面相接，且所述第三部分凹槽的两端与所述第一部分凹槽的两端不相接；
所述源电极放置在源极凹槽；所述源极凹槽是从所述钝化层上的第一区域向下刻蚀至所述GaN凹槽层的内部形成的；所述源电极与所述GaN凹槽层内部形成的二维电子气连接；
所述漏电极放置在漏极凹槽；所述漏极凹槽是从所述钝化层上的第二区域向下刻蚀至所述GaN凹槽层的内部形成的；所述漏电极与所述GaN凹槽层内部形成的二维电子气连接；所述第一区域与所述第二区域不同。
2.根据权利要求1所述的高阈值增强型功率器件，其特征在于，所述设定距离范围为不小于10nm。
3.根据权利要求1所述的高阈值增强型功率器件，其特征在于，所述AlGaN层的厚度大于25nm。
4.根据权利要求1所述的高阈值增强型功率器件，其特征在于，所述AlGaN层的Al组分大于25%。
5.根据权利要求1所述的高阈值增强型功率器件，其特征在于，所述钝化层的材料为SiO2或SiNx。
6.一种高阈值增强型功率器件制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1-5中任意一项所述的高阈值增强型功率器件，所述制备方法包括：
采用MOCVD设备，在Si衬底上由下至上依次外延生长GaN缓冲层、GaN凹槽层和AlGaN层；
在所述AlGaN层表面沉积初始钝化层；
由所述初始钝化层的顶面向下刻蚀直至延伸至所述AlGaN层内部，得到刻蚀凹槽；
采用离子注入技术，将设定浓度范围的Mg离子注入所述刻蚀凹槽，并进行退火处理，得到激活层；
将所有的所述初始钝化层刻蚀掉，并在所述刻蚀凹槽中继续向下刻蚀，直至设定位置处，得到第一部分凹槽；
所述激活层在所述第一部分凹槽中转化形成p-AlGaN层；
在所述AlGaN层和所述p-AlGaN层的表面上覆盖钝化层；
在所述钝化层的顶面，与所述第一部分凹槽对应部分进行刻蚀，得到第二部分凹槽；所述第二部分凹槽和所述第一部分凹槽不连通；
在所述第二部分凹槽的基础上，将所述钝化层继续向下刻蚀至所述p-AlGaN层的顶面，得到第三部分凹槽；所述第三部分凹槽的两端与所述第一部分凹槽的两端不相接；所述第二部分凹槽和所述第三部分凹槽构成栅极凹槽；
在所述钝化层上的第一区域向下刻蚀至所述GaN凹槽层的内部形成源极凹槽；所述源极凹槽贯穿所述GaN凹槽层内部形成的二维电子气；
在所述钝化层上的第二区域向下刻蚀至所述GaN凹槽层的内部形成漏极凹槽；所述漏极凹槽贯穿所述GaN凹槽层内部形成的二维电子气；所述第一区域与所述第二区域不同；
在所述栅极凹槽内生成栅电极，在所述源极凹槽内生成源电极，在所述漏极凹槽内生成漏电极，得到高阈值增强型功率器件。
7.根据权利要求6所述的高阈值增强型功率器件制备方法，其特征在于，所述设定浓度范围为大于1×1018cm3。
8.根据权利要求6所述的高阈值增强型功率器件制备方法，其特征在于，采用离子注入技术，将设定浓度范围的Mg离子注入所述刻蚀凹槽中，在常压、1250℃氮气氛围下，退火30min，以完成退火处理，得到激活层。
9.根据权利要求6所述的高阈值增强型功率器件制备方法，其特征在于，采用溅射的方式，在所述栅极凹槽内生成栅电极，在所述源极凹槽内生成源电极，在所述漏极凹槽内生成漏电极，得到高阈值增强型功率器件。
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