CN118039673A - 一种极化掺杂的垂直型超宽禁带功率器件及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种极化掺杂的垂直型超宽禁带功率器件及制备方法，AlGaN功率器件包括n‑‑AlGaN层，所述n‑‑AlGaN层中Al组分渐变。高Al组分AlGaN具有禁带宽、击穿电场大的优点，使得AlGaN功率器件具有很高的反向击穿电压。Al组分渐变的AlGaN内存在极化场诱导的三维空穴(电子)气，有助于实现高空穴浓度与高载流子迁移率。Al组分渐变的AlGaN减小了AlGaN层与AlN、GaN界面处的晶格失配，减少位错等缺陷，从而提升器件的反向漏电性能。

Description

一种极化掺杂的垂直型超宽禁带功率器件及制备方法
技术领域
本发明涉及一种极化掺杂的垂直型超宽禁带功率器件及制备方法，属于微电子技术领域。
背景技术
功率晶体管是电力电子系统的核心，在高压电源转换器、高压快速充电系统和电力驱动等领域都展现出巨大的应用潜力。传统的硅(Si)基功率晶体管受限于材料自身的物理特性，例如较低的临界电场和较窄的带隙，因而难以满足高压和高功率应用的需求。采用以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表的宽禁带半导体材料制作的功率器件可以突破传统Si基功率器件发展的瓶颈。
以氧化镓(Ga2O3)、金刚石以及氮化铝(AlN)为代表的超宽禁带半导体的禁带宽度更大，远大于SiC(3.3eV)和GaN(3.4eV)等宽禁带半导体。更宽的带隙使其具有更高的临界击穿场强以及更强的耐高温和抗辐射能力，在电力电子领域显示出诱人的潜力。Ga2O3和AlN中镁掺杂剂的受主激活能较大，分别约为1eV和0.63eV，难以形成有效电离，直接导致材料的有效空穴浓度下降。另外，虽然p型金刚石已经成功合成，但无论是通过单掺杂还是共掺杂技术，n型金刚石都尚未稳定形成。因此，Ga2O3和AlN材料的p型掺杂，以及金刚石的n型掺杂工艺难题限制了其在高功率半导体器件中的应用。
同为超宽禁带半导体材料，高Al组分铝镓氮(AlGaN)的禁带宽度和临界击穿场强大小由Al组分决定，服从Vegard定理。当Al组分为0.6时，其禁带宽度达到5.0eV，大于Ga2O3的禁带宽度，临界击穿场强约8MV/cm左右。得益于深紫外发光二极管(LED)产业的发展，高Al组分AlGaN材料的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术取得了长足的进展，关键技术问题(如晶体质量和p型掺杂)已基本得到了解决。目前，高质量的AlN自支撑衬底上生长的AlGaN位错密度已经降低到107cm-3。n型AlxGa1-xN外延薄膜的自由电子浓度可以达到1018量级，p型AlxGa1-xN外延薄膜也已经可以实现。因此，高Al组分AlGaN材料不仅具有高临界击穿场强，还可实现低位错密度以及高电子和空穴浓度，是一种极具潜力的功率半导体材料。开展基于高Al组分AlGaN的功率器件研究有望突破目前超宽禁带功率半导体器件发展的瓶颈。
然而，目前p型AlGaN的有效空穴浓度仍有待提高，高Al组分AlGaN与金属之间的势垒较高，形成的欧姆接触电阻也较高，导致基于高Al组分AlGaN的垂直型功率二极管的能量损耗较高。另外，采用p型AlGaN作为垂直型AlGaN功率MOSFET的体区沟道层，沟道迁移率会受到高Al组分AlGaN的合金散射的影响。因此，需要针对性地设计p型AlGaN的结构，满足垂直型功率二极管及晶体管对空穴浓度以及沟道迁移率的需求。
受材料性质限制，传统的Si基器件难以应用在高压和高功率场景中。高Al组分AlGaN具有禁带宽、击穿电场大、带隙可调、可实现n型与p型掺杂等优点，是一种极具潜力的功率半导体材料。
基于超宽禁带的高Al组分AlGaN制备高性能的垂直型功率器件，如PN结二极管、肖特基二极管、金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等，还有如下问题需要解决：
(1)虽然高Al组分AlGaN(Al组分>50％)可以实现p型掺杂，不过由于高Al组分AlGaN的禁带宽度较大，受主激活率仍然较低，有效空穴浓度不足。通过增加p型AlGaN中受主掺杂浓度可以一定程度上改善空穴浓度，但掺杂浓度的增加会导致p型AlGaN中的载流子迁移率下降，也会增加p型AlGaN材料的体电阻。因此，高Al组分AlGaN中的有效空穴浓度不足，限制了基于高Al组分AlGaN的垂直型功率器件的导通特性。
(2)采用p型AlGaN作为垂直型AlGaN功率MOSFET的体区沟道层，沟道迁移率会受到高Al组分AlGaN的合金散射的影响。降低Al组分可以改善沟道迁移率，不过p型AlGaN层的临界击穿场强也会随之降低，不利于直型功率器件的耐压特性。因此，需要针对性地设计体区p型AlGaN层，兼顾沟道迁移率与材料高击穿场强的需求。
(3)对于高Al组分AlGaN，如何形成低阻欧姆接触也是重要问题。使用相同的金属电极形成欧姆接触，AlGaN的接触电阻率比GaN高一个数量级，这是由于高Al组分AlGaN与金属之间的势垒较高，导致形成的欧姆接触电阻高。
(4)对于垂直型AlGaN功率器件，电场分布直接影响器件的击穿特性，如何通过优化p型AlGaN的结构与掺杂曲线，进而优化器件的关态电场分布，避免器件的提前击穿，也是非常重要的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件；
本发明还提供了上述具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件的制备方法。
本发明的技术方案为：
一种具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，包括n--AlGaN层，所述n--AlGaN层中Al组分渐变。
根据本发明优选的，AlGaN功率器件还包括p-AlGaN层，所述p-AlGaN层中Al组分渐变。
根据本发明优选的，所述p-AlGaN层中Al组分或所述n--AlGaN层中Al组分呈线性渐变或者台阶渐变。
根据本发明优选的，所述AlGaN功率器件为AlGaN PN结二极管，包括由下自上依次生长的衬底、缓冲层、n+-AlGaN层(重掺杂n型AlGaN层)、所述n--AlGaN层(轻掺杂n型AlGaN漂移层)、所述p-AlGaN层、阳极，以及设置在n+-AlGaN层上的阴极；
所述p-AlGaN层从p-Al0.75Ga0.25N呈线性渐变或者台阶渐变到p-GaN；所述n--AlGaN层从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.75Ga0.25N。
进一步优选的，所述AlGaN PN结二极管中，所述p-AlGaN层由下自上依次包括p-Al0.5Ga0.5N、p-Al0.5Ga0.5N到p-GaN线性渐变、p-GaN；所述n--AlGaN层由下自上为n--Al0.3Ga0.3N线性渐变到n--Al0.5Ga0.5N。
根据本发明优选的，所述AlGaN功率器件为AlGaN肖特基二极管，包括由下自上依次生长的衬底、缓冲层、n+-AlGaN层、所述n--AlGaN层、阳极，以及设置在n+-AlGaN层上的阴极；
所述n--AlGaN层从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.75Ga0.25N。
进一步优选的，所述AlGaN肖特基二极管中，所述n--AlGaN层由下自上为n--Al0.3Ga0.3N线性渐变到n--Al0.5Ga0.5N。
根据本发明优选的，所述AlGaN功率器件为AlGaN MOSFET；包括由下自上依次生长的衬底、缓冲层、n+-AlGaN层、所述n--AlGaN层、所述p-AlGaN层、n型GaN层、栅极氧化层、源极、漏极及栅极；
所述p-AlGaN层从p--Al0.5Ga0.5N呈线性渐变或者台阶渐变到p-GaN；所述n--AlGaN层从n--AlN呈线性渐变或者台阶渐变到n--GaN；
进一步优选的，所述p-AlGaN层由下自上为p--Al0.5Ga0.5N线性渐变到p-GaN；所述n--AlGaN层由下自上为n--Al0.3Ga0.3N线性渐变到n--Al0.5Ga0.5N。
根据本发明优选的，所述AlGaN功率器件为AlGaN JFET；包括由下自上依次生长的衬底、缓冲层、n+-AlGaN层、所述n--AlGaN层、所述p-AlGaN层、源极、漏极及栅极；
AlGaN JFET中，所述p-AlGaN层从p-Al0.75Ga0.25N呈线性渐变或者台阶渐变到p-GaN；所述n--AlGaN层从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.75Ga0.25N。
根据本发明优选的，所述AlGaN功率器件为AlGaN CAVET；包括由下自上依次生长的衬底、缓冲层、n+-AlGaN层、所述n--AlGaN层、n-AlGaN层、p-AlGaN层、不掺杂AlGaN层、栅极氧化层、源极、漏极及栅极；
AlGaN CAVET中，所述n--AlGaN层从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.75Ga0.25N；n-AlGaN层的Al组分与所述n--AlGaN层的最大Al组分相同，即n-AlGaN层的Al组分为0.75；不掺杂AlGaN层的Al组分高于n-AlGaN层，即不掺杂AlGaN层的Al组分>0.75。
进一步优选的，AlGaN CAVET中，所述n--AlGaN层从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.5Ga0.5N；n-AlGaN层的Al组分为0.5；不掺杂AlGaN层的Al组分高于n-AlGaN层，即不掺杂AlGaN层的Al组分为0.65。
根据本发明优选的，所述AlGaN功率器件为FinFET；包括由下自上依次生长的衬底、缓冲层、n+-AlGaN层、所述n--AlGaN层、栅极氧化层、源极、漏极及栅极；
AlGaN FinFET中，所述n--AlGaN层从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.75Ga0.25N。
进一步优选的，AlGaN FinFET中，所述n--AlGaN层由下自上为n--Al0.3Ga0.3N线性渐变到n--Al0.5Ga0.5N。
上述具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件的制备方法，包括：
采用金属有机物化学气相外延法外延生长Al组分渐变的p-AlGaN层，包括：
采用三甲基铝、三甲基镓和氨气作为反应源，以氢气为载气；
反应室的压力为40-55mbar、生长温度为935-1200℃，氨气每分钟摩尔流量为1-165mmol/min；
通过调节三甲基铝与三甲基镓每分钟摩尔流量比来实现AlGaN中的Al组分调节，生长Al组分渐变的p-AlGaN层。
进一步优选的，反应室的压力为50mbar、生长温度为1200℃；
固定三甲基铝和氨气每分钟摩尔流量分别为1.8mmol/min和22.3mmol/min。
本发明的有益效果为：
高Al组分AlGaN具有禁带宽、击穿电场大的优点，使得AlGaN功率器件具有很高的反向击穿电压。Al组分渐变的AlGaN内存在极化场诱导的三维空穴(电子)气，有助于实现高空穴浓度与高载流子迁移率。Al组分渐变的AlGaN减小了AlGaN层与AlN、GaN界面处的晶格失配，减少位错等缺陷，从而提升器件的反向漏电性能。此外，使用Al组分递减的AlGaN减缓或消除导带偏移，使得其与金属电极形成低阻欧姆接触。综上所述，在高Al组分AlGaN功率器件中使用Al组分渐变AlGaN层，可制备出具有高反向击穿电压、低电极接触电阻、低漏电流的高性能功率器件。展现了高Al组分AlGaN功率器件成为新一代突破传统功率器件物理极限的理想替代产品的巨大潜力。
附图说明
图1为具有Al组分渐变p-AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件(AlGaN PN结二极管)的结构示意图；
图2为具有Al组分渐变p-AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件(AlGaN PN结二极管)的外延结构的SEM图；
图3为具有Al组分渐变p-AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件(AlGaN PN结二极管)的SEM图；
图4为具有Al组分渐变p-AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件(AlGaN PN结二极管)的制备方法的流程示意图；
图5为具有Al组分渐变p-AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件(AlGaN PN结二极管)的正向I-V特性曲线示意图；
图6为具有Al组分渐变p-AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件(AlGaN PN结二极管)的反向击穿I-V曲线示意图；
图7为具有Al组分渐变p-AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件(AlGaN MOSFET)的结构示意图；
图8为具有Al组分渐变p-AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件(AlGaN MOSFET)的制备方法的流程示意图；
图9为具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN肖特基二极管的结构示意图；
图10为具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN JFET的结构示意图；
图11为具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN CAVET的结构示意图；
图12为具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN FinFET的结构示意图。
其中，1、衬底，2、缓冲层AlN，3、n+-AlGaN层，4、n--AlGaN层，5、p-AlGaN层，6、阳极，7、阴极，8、n型GaN层，9、栅极氧化层，10、源极，11、漏极，12、栅极，13、n-AlGaN层，14、不掺杂AlGaN层。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，包括n--AlGaN层4，n--AlGaN层4中Al组分渐变。
实施例2
根据实施例1所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其区别在于：AlGaN功率器件还包括p-AlGaN层5，p-AlGaN层5中Al组分渐变。
实施例3
根据实施例1所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其区别在于：n--AlGaN层4中Al组分呈线性渐变或者台阶渐变。
实施例4
根据实施例2所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其区别在于：p-AlGaN层5中Al组分呈线性渐变或者台阶渐变。
实施例5
根据实施例1所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其区别在于：如图1所示，AlGaN功率器件为AlGaN PN结二极管，包括由下自上依次生长的衬底1、缓冲层AlN2、n+-AlGaN层3(重掺杂n型AlGaN层)、n--AlGaN层4(轻掺杂n型AlGaN漂移层)、p-AlGaN层5、阳极6(阳极金属层)，以及设置在n+-AlGaN层3上的阴极7(阴极金属层)；极化掺杂为采用Al组分渐变的p-AlGaN层5，由于p型AlGaN层内的自发极化而形成三维空穴气。p-AlGaN层5从p-Al0.75Ga0.25N呈线性渐变或者台阶渐变到p-GaN；n--AlGaN层4从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.75Ga0.25N。n--AlGaN层4为由下至上Al组分递增的Al组分渐变n--AlGaN层4。极化掺杂为同时采用Al组分渐变的p-AlGaN层5和Al组分渐变n--AlGaN层4，由于p型AlGaN层和n型AlGaN层内的自发极化而形成三维空穴气和三维电子气。
衬底1为蓝宝石衬底，缓冲层AlN2为2.5μm的氮化铝层，重掺杂n型AlGaN层为Al组分50％的AlGaN，其厚度为2μm，掺杂元素为硅，掺杂浓度为1e19 cm-3；轻掺杂n型AlGaN漂移层为Al组分50％的AlGaN，其厚度为3μm，掺杂元素为硅，掺杂浓度为1e16 cm-3。p-AlGaN层5由下自上依次包括p-Al0.5Ga0.5N(300nm)、p-Al0.5Ga0.5N到p-GaN线性渐变(100nm)、p-GaN(300nm)。Al组分渐变p-AlGaN层5的掺杂离子为Mg离子，p-Al0.5Ga0.5N的掺杂浓度为2e18cm-3，p-Al0.5Ga0.5N到p-GaN线性渐变层的掺杂浓度为1e19 cm-3，p-GaN的掺杂浓度为2e19cm-3。阳极金属层为Ni/Au(50nm/100nm，先后生长的厚度)，阴极金属层为Ti/Al/Ni/Au(20nm/150nm/50nm/100nm，先后生长的厚度)。
高Al组分AlGaN材料具有高击穿电场，可以制备出高耐压功率器件。组分渐变AlGaN中的极化电场会诱导出三维空穴气，有效地提升p型AlGaN中的空穴浓度。由于三维空穴气由极化而非掺杂产生，p型AlGaN中的载流子迁移率相对较高。将Al组分渐变的p型AlGaN结构用于垂直型PN二极管的p型区或者MOSFET的体区沟道层，可以在电场聚集的PN界面处保持高Al组分AlGaN的高临界击穿场强，组分渐变的AlGaN也可以使得器件PN界面处的电场分布更加均匀，避免器件的提前击穿。Al组分渐变AlGaN的采用，可以使远离PN界面处的体材料中实现较高的空穴浓度，改善垂直型AlGaN功率器件的导通特性。
使用Al组分递减的AlGaN减缓或消除导带偏移，则可以避免高Al组分AlGaN与金属势垒高度差过大的问题，制备出低接触电阻的高性能功率器件。
图2为Al组分递减p型AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN PN结二极管的外延结构的SEM图；图3为Al组分递减p型AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN PN结二极管的SEM图。
实施例6
根据实施例5所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其区别在于：AlGaN PN结二极管中，p-AlGaN层5由下自上依次包括p-Al0.5Ga0.5N(300nm)、p-Al0.5Ga0.5N到p-GaN线性渐变(100nm)、p-GaN(300nm)；n--AlGaN层4由下自上为n--Al0.3Ga0.3N线性渐变到n--Al0.5Ga0.5N。
实施例7
根据实施例1所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其区别在于：AlGaN功率器件为AlGaN肖特基二极管，包括由下自上依次生长的衬底1、缓冲层AlN2、n+-AlGaN层3(重掺杂n型AlGaN层)、n--AlGaN层4(轻掺杂n型AlGaN漂移层)、阳极6(阳极金属层)，以及设置在n+-AlGaN层3上的阴极7(阴极金属层)；结构如图9所示。极化掺杂，为采用Al组分渐变的n--AlGaN层4，由于n型AlGaN层内的自发极化而形成三维电子气。
n--AlGaN层4从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.75Ga0.25N。
实施例8
根据实施例7所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其区别在于：AlGaN肖特基二极管中，n--AlGaN层4由下自上为n--Al0.3Ga0.3N线性渐变到n--Al0.5Ga0.5N。
实施例9
根据实施例1所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其区别在于：AlGaN功率器件为AlGaN MOSFET；如图7所示，包括由下自上依次生长的衬底1、缓冲层AlN2、n+-AlGaN层3(重掺杂n型AlGaN层)、n--AlGaN层4(轻掺杂n型AlGaN漂移层)、p-AlGaN层5、n型GaN层8、栅极氧化层9、源极、漏极11及栅极12；
p-AlGaN层5从p--Al0.5Ga0.5N呈线性渐变或者台阶渐变到p-GaN；n--AlGaN层4从n--AlN呈线性渐变或者台阶渐变到n--GaN。
衬底1为蓝宝石衬底，缓冲层AlN 2为2.5μm的氮化铝层，重掺杂n型AlGaN层为Al组分50％的AlGaN，其厚度为2μm，掺杂元素为硅，掺杂浓度为1e19 cm-3；轻掺杂n型AlGaN漂移层为Al组分50％的AlGaN，其厚度为3μm，掺杂元素为硅，掺杂浓度为1e16 cm-3。p-AlGaN层5由下自上依次包括p-Al0.5Ga0.5N(300nm)、p-Al0.4Ga0.6N(400nm)、p-Al0.2Ga0.8N(40nm)、p-GaN(50nm)。p-AlGaN层5的掺杂离子为Mg离子，p-Al0.5Ga0.5N的掺杂浓度为2e18 cm-3，p-Al0.5Ga0.5N到p-GaN线性渐变层的掺杂浓度为1e19 cm-3，p-GaN的掺杂浓度为2e19 cm-3。n型GaN层8厚度为200nm，掺杂元素为硅，掺杂浓度为1e19 cm-3。
实施例10
根据实施例9所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其区别在于：p-AlGaN层5由下自上为p--Al0.5Ga0.5N线性渐变到p-GaN(700nm)；n--AlGaN层4由下自上为n--Al0.3Ga0.3N线性渐变到n--Al0.5Ga0.5N。
实施例11
根据实施例1所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其区别在于：AlGaN功率器件为AlGaN JFET；包括由下自上依次生长的衬底1、缓冲层、n+-AlGaN层3、n--AlGaN层4、p-AlGaN层5、源极10、漏极11及栅极12；结构如图10所示。
AlGaN JFET中，p-AlGaN层5从p-Al0.75Ga0.25N呈线性渐变或者台阶渐变到p-GaN；n--AlGaN层4从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.75Ga0.25N。
实施例12
根据实施例1所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其区别在于：AlGaN功率器件为AlGaN CAVET；包括由下自上依次生长的衬底1、缓冲层、n+-AlGaN层3、n--AlGaN层4、n-AlGaN层13、p-AlGaN层5、不掺杂AlGaN层14、栅极氧化层9、源极10、漏极11及栅极12；结构如图11所示。
AlGaN CAVET中，n--AlGaN层4从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.75Ga0.2
5N；n-AlGaN层13的Al组分与n--AlGaN层4的最大Al组分相同，即n-AlGaN层13的Al组分为0.75；不掺杂AlGaN层14的Al组分高于n-AlGaN层13，即不掺杂AlGaN层14的Al组分>0.75。
实施例13
根据实施例12所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其区别在于：
AlGaN CAVET中，n--AlGaN层4从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.5Ga0.5N；n-AlGaN层13的Al组分为0.5；不掺杂AlGaN层14的Al组分高于n-AlGaN层13，即不掺杂AlGaN层14的Al组分为0.65。
实施例14
根据实施例1所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其区别在于：AlGaN功率器件为FinFET；包括由下自上依次生长的衬底1、缓冲层、n+-AlGaN层3、n--AlGaN层4、栅极氧化层9、源极10、漏极11及栅极12；结构如图12所示。
AlGaN FinFET中，n--AlGaN层4从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.75Ga0.25N。
实施例15
根据实施例14所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其区别在于：AlGaN FinFET中，n--AlGaN层4由下自上为n--Al0.3Ga0.3N线性渐变到n--Al0.5Ga0.5N。
实施例16
实施例2-15所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件的制备方法，包括：
采用金属有机物化学气相外延法外延生长Al组分渐变的p-AlGaN层5，包括：
采用三甲基铝(TMAl)、三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)作为反应源，以氢气(H2)为载气；
反应室的压力为40-55mbar、生长温度为935-1200℃，氨气每分钟摩尔流量为1-165mmol/min；
通过调节三甲基铝与三甲基镓每分钟摩尔流量比来实现AlGaN中的Al组分调节，生长Al组分渐变的p-AlGaN层5。
实施例17
根据实施例16所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件的制备方法，其区别在于：
反应室的压力为50mbar、生长温度为1200℃；
固定三甲基铝和氨气每分钟摩尔流量分别为1.8mmol/min和22.3mmol/min。
实施例18
实施例5所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件的制备方法，包括：
如图4所示，包括步骤如下：
在PiN外延结构上利用SiO2做硬质掩膜进行沟槽刻蚀，刻蚀到n+-AlGaN层3；利用电子束蒸镀金属，在n+-AlGaN层3和Al组分渐变p-AlGaN层5上形成欧姆接触的阴极7和阳极6。
具体为：
生长PiN外延结构，在蓝宝石衬底上的外延层由底部到顶部的材料依次为缓冲层AlN 2、n+-AlGaN层3、n--AlGaN层4、p-AlGaN层5；
在PiN外延结构上利用SiO2做硬质掩膜进行电感耦合等离子体(ICP)干法蚀刻工艺，刻蚀到n+-AlGaN层3；
利用电子束蒸镀金属，沉积Ti/Al/Ni/Au 20nm/150nm/50nm/100nm，在N2氛围中850℃退火2分钟，形成欧姆接触的阴极7。
利用电子束蒸镀金属，沉积Ni/Au(50nm/100nm)，在N2氛围中600℃退火20分钟，形成欧姆接触的阳极6。
图5为Al组分递减p型AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN PN结二极管正向I-V特性曲线示意图；图6为Al组分递减p型AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN PN结二极管反向击穿I-V曲线示意图。
实施例19
实施例9所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件的制备方法，如图8所示，包括：
在NPN外延结构上利用SiO2做硬质掩膜进行沟槽刻蚀，刻蚀到n--AlGaN层4；沉积栅极电介质、金属层，形成栅极12；源极电介质开孔，形成源极10；漏极11开孔，刻蚀到n+-AlGaN 3，形成漏极11；利用电子束蒸镀金属，分别形成欧姆接触的源极10和漏极11。
具体为：
生长NPN外延结构，在蓝宝石衬底上的外延层由底部到顶部的材料类型分别为缓冲层AlN 2、n+-AlGaN层3、n--AlGaN层4、p-AlGaN层5、n+-AlGaN层3。
在外延片上利用SiO2做硬质掩膜进行ICP(Cl2/BCl3/Ar)沟槽刻蚀，沟槽的刻蚀深度不小于n+-AlGaN层3和Al组分渐变p-AlGaN层5的厚度之和，即刻蚀到n--AlGaN层4，形成栅极12沟槽。
去除表面SiO2硬质掩膜，进行后退火处理以提高p-AlGaN层5内部的空穴激活率；利用PECVD沉积栅极氧化层9(SiO2、Al2O3等)。
利用电子束蒸镀金属，形成欧姆接触的栅极12。
源极电介质开孔。
利用SiO2做硬质掩膜进行ICP(Cl2/BCl3/Ar)干法蚀刻工艺，刻蚀到n+-AlGaN层3。
利用电子束蒸镀金属，分别形成欧姆接触的源极10和漏极11。
实施例20
实施例18中极化掺杂的垂直型超宽禁带PN结功率二极管的制备方法，以及实施例19中极化掺杂的垂直型高Al组分AlGaN MOSFET的制备方法中，采用金属有机物化学气相外延(MOCVD)法外延生长Al组分渐变p-AlGaN层5，包括：
通过调整三甲基铝与三甲基镓的流量比来生长Al组分渐变的高Al组分p型AlGaN层。无需添加额外的生长工艺步骤，材料内部位错等缺陷密度小；可制备出高击穿电压、低反向漏电的高性能功率器件。
采用三甲基铝(TMAl)、三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)作为反应源，以氢气(H2)为载气；
反应室的压力为40-55mbar、生长温度为935-1200℃，氨气每分钟摩尔流量为1-165mmol/min；
通过调节三甲基铝与三甲基镓每分钟摩尔流量比来实现AlGaN中的Al组分调节，生长Al组分渐变p-AlGaN层5。
实施例21
根据实施例20所述的采用金属有机物化学气相外延(MOCVD)法外延生长Al组分渐变p-AlGaN 5，其区别在于：
反应室的压力为50mbar、生长温度为1200℃；
固定三甲基铝和氨气每分钟摩尔流量分别为1.8mmol/min和22.3mmol/min。
例如：在三甲基镓每分钟摩尔流量为22.3mmol/min和11.15mmol/min时，生长的AlGaN层中Al组分分别为39.35％和46.57％。

Claims (10)

1.一种具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其特征在于，包括n--AlGaN层，所述n--AlGaN层中Al组分渐变。
2.根据权利要求1所述的一种具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其特征在于，AlGaN功率器件还包括p-AlGaN层，所述p-AlGaN层中Al组分渐变。
3.根据权利要求2所述的一种具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其特征在于，所述p-AlGaN层中Al组分或所述n--AlGaN层中Al组分呈线性渐变或者台阶渐变。
4.根据权利要求1所述的一种具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其特征在于，所述AlGaN功率器件为AlGaN PN结二极管，包括由下自上依次生长的衬底、缓冲层、n+-AlGaN层、所述n--AlGaN层、所述p-AlGaN层、阳极，以及设置在n+-AlGaN层上的阴极；
所述p-AlGaN层从p-Al0.75Ga0.25N呈线性渐变或者台阶渐变到p-GaN；所述n--AlGaN层从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.75Ga0.25N；
进一步优选的，所述AlGaN PN结二极管中，所述p-AlGaN层由下自上依次包括p-Al0.5Ga0.5N、p-Al0.5Ga0.5N到p-GaN线性渐变、p-GaN；所述n--AlGaN层由下自上为n--Al0.3Ga0.3N线性渐变到n--Al0.5Ga0.5N。
5.根据权利要求1所述的一种具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其特征在于，所述AlGaN功率器件为AlGaN肖特基二极管，包括由下自上依次生长的衬底、缓冲层、n+-AlGaN层、所述n--AlGaN层、阳极，以及设置在n+-AlGaN层上的阴极；
所述n--AlGaN层从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.75Ga0.25N；
进一步优选的，所述AlGaN肖特基二极管中，所述n--AlGaN层由下自上为n--Al0.3Ga0.3N线性渐变到n--Al0.5Ga0.5N。
6.根据权利要求1所述的一种具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其特征在于，所述AlGaN功率器件为AlGaN MOSFET；包括由下自上依次生长的衬底、缓冲层、n+-AlGaN层、所述n--AlGaN层、所述p-AlGaN层、n型GaN层、栅极氧化层、源极、漏极及栅极；
所述p-AlGaN层从p--Al0.5Ga0.5N呈线性渐变或者台阶渐变到p-GaN；所述n--AlGaN层从n--AlN呈线性渐变或者台阶渐变到n--GaN；
进一步优选的，所述p-AlGaN层由下自上为p--Al0.5Ga0.5N线性渐变到p-GaN；所述n--AlGaN层由下自上为n--Al0.3Ga0.3N线性渐变到n--Al0.5Ga0.5N。
7.根据权利要求1所述的一种具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其特征在于，所述AlGaN功率器件为AlGaN JFET；包括由下自上依次生长的衬底、缓冲层、n+-AlGaN层、所述n--AlGaN层、所述p-AlGaN层、源极、漏极及栅极；
AlGaN JFET中，所述p-AlGaN层从p-Al0.75Ga0.25N呈线性渐变或者台阶渐变到p-GaN；所述n--AlGaN层从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.75Ga0.25N。
8.根据权利要求1所述的一种具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其特征在于，所述AlGaN功率器件为AlGaN CAVET；包括由下自上依次生长的衬底、缓冲层、n+-AlGaN层、所述n--AlGaN层、n-AlGaN层、p-AlGaN层、不掺杂AlGaN层、源极、栅极氧化层、漏极及栅极；
AlGaN CAVET中，所述n--AlGaN层从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.75Ga0.25N；n-AlGaN层的Al组分与所述n--AlGaN层的最大Al组分相同，即n-AlGaN层的Al组分为0.75；不掺杂AlGaN层的Al组分高于n-AlGaN层，即不掺杂AlGaN层的Al组分大于0.75；
进一步优选的，AlGaN CAVET中，所述n--AlGaN层从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.5Ga0.5N；n-AlGaN层的Al组分为0.5；不掺杂AlGaN层的Al组分高于n-AlGaN层，即不掺杂AlGaN层的Al组分为0.65。
9.根据权利要求1所述的一种具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件，其特征在于，所述AlGaN功率器件为FinFET；包括由下自上依次生长的衬底、缓冲层、n+-AlGaN层、所述n--AlGaN层、栅极氧化层、源极、漏极及栅极；
AlGaN FinFET中，所述n--AlGaN层从n--Al0.3Ga0.3N呈线性渐变或者台阶渐变到n--Al0.75Ga0.25N；
进一步优选的，AlGaN FinFET中，所述n--AlGaN层由下自上为n--Al0.3Ga0.3N线性渐变到n--Al0.5Ga0.5N。
10.根据权利要求1-9任一所述的具有Al组分渐变AlGaN的垂直型高Al组分AlGaN功率器件的制备方法，其特征在于，包括：
采用金属有机物化学气相外延法外延生长Al组分渐变的p-AlGaN层，包括：
采用三甲基铝、三甲基镓和氨气作为反应源，以氢气为载气；
反应室的压力为40-55mbar、生长温度为935-1200℃，氨气每分钟摩尔流量为1-165mmol/min；
通过调节三甲基铝与三甲基镓每分钟摩尔流量比来实现AlGaN中的Al组分调节，生长Al组分渐变的p-AlGaN层；
进一步优选的，反应室的压力为50mbar、生长温度为1200℃；
固定三甲基铝和氨气每分钟摩尔流量分别为1.8mmol/min和22.3mmol/min。
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