CN205231071U - 一种垂直型氮化镓功率开关器件 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种垂直型氮化镓功率开关器件，该开关器件包括：衬底a；N型重掺杂氮化镓层b；电流窗口层c；非故意掺杂高迁移率氮化镓层d；氮化铝插入层e；非有意掺杂铝镓氮势垒层f；欧姆接触源极Source；欧姆接触漏极Drain；肖特基接触栅极Gate。本申请的开关器件具有两个高阻区HR-GaN做为电流阻挡区，电流窗口区g作为垂直的电流通道，可以实现垂直型氮化镓基功率器件，漏极和其它电极（栅极、漏极）不在一个平面上，这样可以避免在材料表面形成高场区，导致表面漏电、表面击穿、虚栅效应引起的电流崩塌等问题；同时，可以减小器件的尺寸，提高晶圆的利用率。

Description

一种垂直型氮化镓功率开关器件

技术领域

本实用新型涉及电子元器件制造领域，具体涉及一种垂直型氮化镓功率开关器件。

背景技术

氮化镓材料具有禁带宽度大、饱和漂移速度高和耐高温等特点，且由其形成的异质结构（如AlGaN/GaN异质结构）具有很高的二维电子气浓度和迁移率，因而在制作高性能功率半导体器件方面，尤其在制作高速、低功耗、中低压工作的电力电子器件方面具有明显的潜在优势。

自2000年以来，氮化镓基功率半导体器件的研发有了重要进展。2000年，UCSB报道了击穿电压为570V的AlGaN/GaNHEMT结构的电力电子器件；2008年，UCSB报道了垂直结构的氮化镓基HEMT结构的功率开关器件；2009年，松下公司报道了击穿电压为10.4kV的氮化镓基功率开关器件；2009年，美国EPC公司研发出了商业化的增强型氮化镓功率器件产品，随后美国的IR、Transphorm公司，德国的MicroGaN、Infineon公司，日本Fujitsu、Panasonic公司等均实现了商业化的氮化镓基功率开关器件。

氮化镓基功率半导体器件的研发虽然取得了重要进展，但其性能与理论预期尚有较大差距。目前，国际的学者专家多数集中在横向器件的研究。然而，由于横向器件在漏极一侧的材料表面会形成一个高电场区域，会产生器件的表面漏电或者表面击穿；同时，高场下的表面态虚栅效应会导致电流崩塌的发生；而且，为了提高击穿电压，通常需要较大的栅漏间距，这样就增大了器件的横向尺寸。

实用新型内容

针对背景技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种垂直型氮化镓功率开关器件，该开关器件具有两个高阻区HR-GaN做为电流阻挡区，电流窗口区g作为垂直的电流通道，可以实现垂直型氮化镓基功率器件，漏极和其它电极（栅极、漏极）不在一个平面上，这样可以避免在材料表面形成高场区，导致表面漏电、表面击穿、虚栅效应引起的电流崩塌等问题；同时，可以减小器件的尺寸，提高晶圆的利用率。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种垂直型氮化镓功率开关器件，所述开关器件包括：

衬底（a）；

N型重掺杂氮化镓层（b），所述N型重掺杂氮化镓层（b）制作在衬底（a）上方；

电流窗口层（c），该层包括两个高阻氮化镓区（HR-GaN）和电流窗口区（g），所述电流窗口层（c）制作在所述N型重掺杂氮化镓层（b）上方，所述电流窗口区（g）位于两个所述高阻氮化镓区（HR-GaN）之间；

非故意掺杂高迁移率氮化镓层（d），所述非故意掺杂高迁移率氮化镓层（d）制作在所述电流窗口层（c）上方；

氮化铝插入层（e），所述氮化铝插入层（e）制作在所述非故意掺杂高迁移率氮化镓层（d）上方；

非有意掺杂铝镓氮势垒层（f），所述非有意掺杂铝镓氮势垒层（f）制作在所述氮化铝插入层（e）上方；

欧姆接触源极（Source），所述欧姆接触源极（Source）制作在所述非有意掺杂铝镓氮势垒层（f）和氮化铝插入层（e）上方；

欧姆接触漏极（Drain），所述欧姆接触漏极（Drain）制作在所述N型重掺杂氮化镓层（b）上方；

肖特基接触栅极（Gate），所述肖特基接触栅极（Gate）制作在非有意掺杂铝镓氮势垒层（f）上方。

进一步，所述N型重掺杂氮化镓层（b）的厚度为2-5μm，其掺杂浓度为1×10¹⁶-1×10¹⁹/cm^-3；其用于连通所述电流窗口区（g）和器件漏极。

进一步，所述高阻氮化镓区（HR-GaN）的厚度为0.3-2μm，室温电阻率大于1×10⁶Ω·cm。

进一步，所述电流窗口区（g）的宽度L_W大于0.5μm。

进一步，所述非故意掺杂高迁移率氮化镓层d的厚度为0-0.2μm，室温电子迁移率大于500cm²/Vs。

进一步，所述氮化铝插入层（e）的厚度为0.5-3nm。

进一步，所述非故意掺杂铝镓氮势垒层（f）厚度为8-30nm，铝镓氮的分子式是Al_xGa_1-xN，其中，0.10≤x≤0.35。

一种加工本申请的垂直型氮化镓功率开关器件的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1）选择一衬底（a）；

2）在所述衬底（a）上生长一层N型重掺杂氮化镓层（b）；

3）采用掩膜、刻蚀方法刻掉所述N型重掺杂氮化镓层（b）的部分区域；

4）在未去除掩膜材料的情况下，生长高阻氮化镓，其厚度与刻蚀掉的深度相等，然后去除掩膜材料；

5）继续生长非故意掺杂高迁移率氮化镓层（d）；

6）在所述非故意掺杂高迁移率氮化镓层（d）上生长氮化铝插入层（e）；

7）在所述氮化铝插入层（e）上生长非故意掺杂铝镓氮势垒层（f）；

8）采用刻蚀方法刻掉漏极区域，其刻蚀深度刻到所述N型重掺杂氮化镓层（b）处，并且分别在此处和源极处经光刻、沉积金属、退火的步骤，实现源极和漏极两处的欧姆接触制作；

9）在栅极位置沉积金属，不做处理，形成肖特基接触。

进一步，所述衬底（a）为碳化硅衬底、蓝宝石衬底或硅衬底的任一种。

进一步，生长的方法包括但不局限于金属有机物化学气相沉积法、分子束外延和气相外延。

本实用新型具有以下积极的技术效果：

本申请的开关器件具有两个高阻区HR-GaN做为电流阻挡区，电流窗口区g作为垂直的电流通道，可以实现垂直型氮化镓基功率器件，漏极和其它电极（栅极、漏极）不在一个平面上，这样可以避免在材料表面形成高场区，导致表面漏电、表面击穿、虚栅效应引起的电流崩塌等问题；同时，可以减小器件的尺寸，提高晶圆的利用率。

附图说明

图1为本申请的垂直型氮化镓基功率开关器件结构的剖面示意图，图中箭头为电子的流动路径和方向；

图2为本申请的垂直型氮化镓基功率开关器件掩膜、刻蚀步骤的剖面示意图；

图3为本申请的垂直型氮化镓基功率开关器件生长高阻氮化镓区之后的剖面示意图；

图4为本申请的垂直型氮化镓基功率开关器件材料结构的剖面示意图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本实用新型进行更全面的说明，附图中标示出了本实用新型的示例性实施例。然而，本实用新型可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本实用新型全面和完整，并将本实用新型的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

如图1-4所示，本申请提供了一种垂直型氮化镓基功率开关器件，包括：衬底a；N型重掺杂氮化镓层b，该N型重掺杂氮化镓层b制作在衬底a上方，其中包括缓冲层的生长；电流窗口层c，该层包括两个高阻氮化镓区HR-GaN和电流窗口区g，高阻氮化镓区c在掩膜、刻蚀之后制作在N型重掺杂氮化镓层b上方，电流窗口区g是在掩膜、刻蚀之后留下的重掺杂氮化镓区域，位于两个高阻氮化镓区之间；非故意掺杂高迁移率氮化镓层d，该非故意掺杂高迁移率氮化镓层d制作在电流窗口层c上方；氮化铝插入层e，该氮化铝插入层e制作在非故意掺杂高迁移率氮化镓层d上方；非有意掺杂铝镓氮势垒层f，该非有意掺杂铝镓氮势垒层f制作在氮化铝插入层e上方；欧姆接触源极Source，该欧姆接触源极Source制作在非有意掺杂铝镓氮势垒层f和氮化铝插入层e上方；欧姆接触漏极Drain，该欧姆接触漏极Drain制作在N型重掺杂氮化镓层b上方；肖特基接触栅极Gate，该肖特基接触栅极Gate制作在非有意掺杂铝镓氮势垒层f上方。

优选地，本申请的重掺杂氮化镓层b的厚度为2-5μm，其掺杂浓度为1×10¹⁶-1×10¹⁹/cm^-3；其主要作用是连通电流窗口区g和器件漏极。高阻氮化镓区HR-GaN的厚度为0.3-2μm，室温电阻率大于1×10⁶Ω·cm；其主要作用是形成一个电流阻挡区，阻止电流通过。电流窗口区g的宽度L_W大于0.5μm，是掩膜、刻蚀之后遗留下来的“凸”形区域，材料特性与重掺杂氮化镓层b相同，此区域为电流垂直流通的区域。非故意掺杂高迁移率氮化镓层d的厚度为0-0.2μm，室温电子迁移率大于500cm²/Vs，其主要作用是提供一个优良的二维电子气沟道区，并且在电流窗口区g正上方区域以及横向延伸区域（距离为L_G1），其电流可以在栅极信号的控制下实现导通和关断。氮化铝插入层e厚度为0.5-3nm，其主要作用是形成高质量的二维电子气。非故意掺杂铝镓氮Al_xGa_1-xN势垒层f厚度为8-30nm，0.10≤x≤0.35，其主要作用是在极化作用下形成极化电场，产生二维电子气。

此外，本申请还提供了一种垂直型氮化镓基功率器件的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：选择一衬底a；

步骤2：在衬底a上生长一层重掺杂氮化镓层b（包括缓冲层的生长），其厚度为2-5μm，掺杂浓度为1×10¹⁶-1×10¹⁹/cm^-3；

步骤3：采用掩膜、刻蚀方法刻掉重掺杂氮化镓层b的部分区域（见图2）；

步骤4：在未去除掩膜材料的情况下，生长高阻氮化镓，其厚度与刻蚀掉的深度相等，然后去除掩膜材料（见图3）；

步骤5：继续生长非故意掺杂高迁移率氮化镓层d，生长厚度为0-0.2μm；

步骤6：在非故意掺杂高迁移率氮化镓层d上生长氮化铝插入层e，生长厚度为0.5-3nm；

步骤7：在氮化铝插入层e上生长非故意掺杂铝镓氮Al_xGa_1-xN势垒层f，其厚度为8-30nm，0.10≤x≤0.35；

步骤8：采用刻蚀方法刻掉漏极区域，其刻蚀深度应刻到重掺杂氮化镓层b处，并且分别在此处和源极处经光刻、沉积金属、退火等步骤，实现源极和漏极两处的欧姆接触制作；

步骤9：在栅极位置沉积金属，不做处理，形成肖特基接触，其长度应大于L_W，这样可以更好的控制栅极下方非故意掺杂高迁移率氮化镓层d中电流的导通和关断。

优选地，步骤1中的衬底a为碳化硅衬底或蓝宝石衬底或硅衬底；该制备方法中设计的生长方法包括但不局限于金属有机物化学气相沉积法、分子束外延和气相外延，本申请优先采用金属有机物化学气相沉积法。

综上所述，本实用新型提供了一种垂直型氮化镓基功率器件及其制备方法，该功率器件可以避免器件的表面漏电、表面击穿、虚栅效应引起的电流崩塌现象等问题，同时减小器件的尺寸，提高晶圆的利用率。

上方所述只是为了说明本实用新型，应该理解为本实用新型并不局限于以上实施例，符合本实用新型思想的各种变通形式均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种垂直型氮化镓功率开关器件，其特征在于，所述开关器件包括：

衬底（a）；

N型重掺杂氮化镓层（b），所述N型重掺杂氮化镓层（b）制作在衬底（a）上方；

电流窗口层（c），该层包括两个高阻氮化镓区（HR-GaN）和电流窗口区（g），所述电流窗口层（c）制作在所述N型重掺杂氮化镓层（b）上方，所述电流窗口区（g）位于两个所述高阻氮化镓区（HR-GaN）之间；

非故意掺杂高迁移率氮化镓层（d），所述非故意掺杂高迁移率氮化镓层（d）制作在所述电流窗口层（c）上方；

氮化铝插入层（e），所述氮化铝插入层（e）制作在所述非故意掺杂高迁移率氮化镓层（d）上方；

非有意掺杂铝镓氮势垒层（f），所述非有意掺杂铝镓氮势垒层（f）制作在所述氮化铝插入层（e）上方；

欧姆接触源极（Source），所述欧姆接触源极（Source）制作在所述非有意掺杂铝镓氮势垒层（f）和氮化铝插入层（e）上方；

欧姆接触漏极（Drain），所述欧姆接触漏极（Drain）制作在所述N型重掺杂氮化镓层（b）上方；

肖特基接触栅极（Gate），所述肖特基接触栅极（Gate）制作在非有意掺杂铝镓氮势垒层（f）上方。

2.根据权利要求1所述的垂直型氮化镓功率开关器件，其特征在于，所述N型重掺杂氮化镓层（b）的厚度为2-5μm，其掺杂浓度为1×10¹⁶-1×10¹⁹/cm^-3；其用于连通所述电流窗口区（g）和器件漏极。

3.根据权利要求1所述的垂直型氮化镓功率开关器件，其特征在于，所述高阻氮化镓区（HR-GaN）的厚度为0.3-2μm，室温电阻率大于1×10⁶Ω·cm。

4.根据权利要求1所述的垂直型氮化镓功率开关器件，其特征在于，所述电流窗口区（g）的宽度L_W大于0.5μm。

5.根据权利要求1所述的垂直型氮化镓功率开关器件，其特征在于，所述非故意掺杂高迁移率氮化镓层d的厚度为0-0.2μm，室温电子迁移率大于500cm²/Vs。

6.根据权利要求1所述的垂直型氮化镓功率开关器件，其特征在于，所述氮化铝插入层（e）的厚度为0.5-3nm。

7.根据权利要求1所述的垂直型氮化镓功率开关器件，其特征在于，所述非故意掺杂铝镓氮势垒层（f）厚度为8-30nm，铝镓氮的分子式是Al_xGa_1-xN，其中，0.10≤x≤0.35。