CN210640256U - 一种氮化镓功率器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种氮化镓功率器件；包括由下至上依次连接的衬底层、缓冲层、沟道层、势垒层、p型氮化镓块层和栅金属块层；所述栅金属块层包括相连接的第一栅金属层和第二栅金属层；所述第一栅金属层与所述p型氮化镓块层欧姆接触，所述第二栅金属层与所述p型氮化镓块层肖特基接触。本实用新型的氮化镓功率器件采用欧姆栅和肖特基栅混合金属栅极结构，结合二者各自的优势，提高器件阈值电压，降低栅极漏电，同时增强器件输出电流能力，避免了HEMT器件出现误开通问题，提高了器件的可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体技术领域，具体涉及一种氮化镓功率器件。
背景技术
氮化镓(以下简称GaN)是第三代宽禁带半导体之一，具有宽带隙、高击穿电场等优异物理特性。又由于GaN基半导体本身的自发极化和压电极化特性，AlGaN/GaN异质结界面可以在非故意掺杂情况下产生高限域性和高浓度二维电子气(2DEG),具有高电子迁移率和高饱和电子漂移速度。因此可以利用AlGaN/GaN异质结构筑高电子迁移率晶体管(HEMT)，GaN HEMT可适用于高温、高压、高频、高功率密度应用，在微波射频和电力电子等领域具有良好应用前景。
AlGaN/GaN异质结形成后即存在2DEG，故HEMT为常开耗尽型器件，在电力电子应用中容易存在误开通等不安全问题，影响HEMT器件的可靠性。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种氮化镓功率器件，以解决现有的HEMT器件阈值电压偏低、存在误开通的问题。
为实现上述目的，本实用新型提出的技术方案如下：
一种氮化镓功率器件，包括由下至上依次连接的衬底层、缓冲层、沟道层、势垒层、p型氮化镓块层和栅金属块层；所述栅金属块层包括相连接的第一栅金属层和第二栅金属层；所述第一栅金属层与所述p型氮化镓块层欧姆接触，所述第二栅金属层与所述p型氮化镓块层肖特基接触。
进一步的，所述第二栅金属层包裹所述第一栅金属层。
进一步的，所述势垒层顶面连接有源极和漏极；所述源极和所述漏极分别位于所述p型氮化镓块层的两侧，并与所述势垒层欧姆接触。
进一步的，包括与所述势垒层顶面连接的介质层；所述介质层包覆所述p型氮化镓块层、所述第二栅金属层、所述源极和所述漏极。
进一步的，所述介质层设有连接所述源极的第一开孔、连接所述漏极的第二开孔和连接所述第二栅金属层的第三开孔；其中，所述第一开孔安装有与所述源极连接的第一互联金属层，所述第二开孔安装有与所述漏极连接的第二互联金属层，所述第三开孔安装有与所述第二栅金属层相连接的第三互联金属层。
进一步的，包括与所述介质层顶面连接的钝化层，所述钝化层上开设有连接所述第一互联金属层的第四开孔、连接所述第二互联金属层的第五开孔和连接所述第三互联金属层的第六开孔。
进一步的，还包括隔离区，所述隔离区位于所述势垒层和所述沟道层侧部。
进一步的，所述隔离区的顶面与所述势垒层持平，所述隔离区的底面位于所述沟道层内。
进一步的，所述第一栅金属层的材质包括Ni/Au金属叠层。
进一步的，所述第二栅金属层的材质包括Ni/Au金属叠层；或者，所述第二栅金属层的材质包括W/Ti金属叠层。
本实用新型的氮化镓功率器件采用欧姆栅和肖特基栅混合金属栅极结构，结合二者各自的优势，提高器件阈值电压，降低栅极漏电，同时增强器件输出电流能力，避免了HEMT器件出现误开通问题，提高了器件的可靠性。
以上附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
图1为本实用新型实施例的氮化镓功率器件的结构示意图；
图2为本实用新型实施例的氮化镓功率器件制造方法中在衬底上沉积缓冲层、沟道层、势垒层、和p型氮化镓层后的结构示意图；
图3为本实用新型实施例的氮化镓功率器件制造方法中刻蚀非栅区域的p型氮化镓后的结构示意图；
图4为本实用新型实施例的氮化镓功率器件制造方法中制备源极和漏极后的结构示意图；
图5为本实用新型实施例的氮化镓功率器件制造方法中制备第一栅金属层后的结构示意图；
图6为本实用新型实施例的氮化镓功率器件制造方法中制备第二栅金属层后的结构示意图；
图7为本实用新型实施例的氮化镓功率器件制造方法中制备隔离区后的结构示意图；
图8为本实用新型实施例的氮化镓功率器件制造方法中在势垒层上沉积介质层后的结构示意图；
图9为本实用新型实施例的氮化镓功率器件制造方法中对介质层进行开孔并制备互联金属层后的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、衬底层；2、缓冲层；3、沟道层；4、势垒层；5、p型氮化镓层；6、p型氮化镓块层；7、第一栅金属层；8、第二栅金属层；9、源极；10、漏极；11、介质层；12、钝化层；13、第一互联金属层；14、第二互联金属层；15、第三互联金属层；16、第四开孔；17、第五开孔；18、第六开孔；19、隔离区。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
结合附图1所示，本实施例提供了一种氮化镓功率器件，包括由下至上依次连接的衬底层1、缓冲层2、沟道层3、势垒层4、p型氮化镓块层6和栅金属块层等具体层级结构。
本实施例的衬底层1的材质可以是为SiC、Si、蓝宝石或GaN。GaN沟道层3厚度为50-500nm。缓冲层2为AlGaN、AlN、GaN的各种组合，总厚度为1-7μm。势垒层4的材质为AlGaN，其厚度为10-30nm,Al组分为5％-30％。AlGaN势垒层4和GaN沟道层3之间也可以插入1-5nmAlN层。p型氮化镓块层6，厚度优选为50-200nm，p型掺杂浓度为1e16-1e20cm3。
基于背景技术中的问题，实用新型人发现，现有HEMT器件存在误开通问题的主要原因在于欧姆栅结构，欧姆栅结构是栅金属与p型氮化镓形成欧姆接触，因空穴注入效应，采用该类型栅极金属可以提高器件输出电流，但阈值电压偏低，只有零点几伏，且栅极漏电大；而阈值电压低正是产生误开通问题的主要原因。
但是如果不采用欧姆栅而采用肖特基栅则会出现输出电流相对低的问题，因此实用新型人做了创新性的设想和大量的实验，提出了一种欧姆栅和肖特基栅混合金属的p型氮化镓增强型HEMT器件。
基于此，本实施例的栅金属块层区别于现有技术的单一连接模式，其包括相连接的第一栅金属层7和第二栅金属层8；本实施例的第一栅金属层7与p型氮化镓块层6欧姆接触，本实施例的第二栅金属层8与p型氮化镓块层6肖特基接触。本实施例的第一栅金属层7的材质可以是Ni/Au金属叠层，总厚度优选为50-500nm，第二栅金属层8的材质可以是Ni/Au、W/Ti等金属叠层。
采用上述结构，即解决了欧姆栅p型氮化镓HEMT栅极漏电大，阈值电压低的问题，又解决了肖特基栅p型氮化镓HEMT输出电流低的问题，结合二者各自的优势，提高器件阈值电压，降低栅极漏电，同时增强器件输出电流能力，避免了HEMT器件出现误开通问题，提高了器件的可靠性。
具体的，本实施例的第二栅金属层8包裹第一栅金属层7，第一栅金属层7和第二栅金属层8的底面均与p型GaN块层6连接，以实现上述的欧姆接触和肖特基接触。
而且，本实施例的势垒层4顶面连接有源极9和漏极10；源极9和漏极10分别位于p型氮化镓块层6的两侧，并与势垒层4欧姆接触。源极9和漏极10的材质可以是Ti/Al金属叠层，总厚度优选为50-500nm。
基于上述结构，本实施例还包括介质层11和钝化层12；其中介质层11直接沉积在势垒层4上；介质层11的材质可以是SiO、SiO2、SiN、SiON、ZrO2、HfO2、Al2O3中的一种或几种。
本实施例的介质层11包覆上述的p型氮化镓块层6、第二栅金属层8、源极9和漏极10；在介质层11设有连接源极9的第一开孔、连接漏极10的第二开孔和连接第二栅金属层8的第三开孔，需要说明的是，这里的开孔与源极9、漏极10或第二栅金属层8的连接是指上述开孔一端通向源极9、漏极10或第二栅金属层8，以使得在第一开孔能够安装与源极9连接的第一互联金属层13，第二开孔能够安装与漏极10连接的第二互联金属层14，第三开孔能够安装与第二栅金属层8相连接的第三互联金属层15。需要说明的是，由于上述的互联金属层已经填充上述的三个开孔，因此不对上述的开孔进行附图标记。
本实施例的钝化层12直接沉积在介质层11上，其包覆上述第一互联金属层13上部、第二互联金属层14上部和第三互联金属层15的上部，并且在沉积钝化层12上开设连接第一互联金属层13的第四开孔16、连接第二互联金属层14的第五开孔17和连接第三互联金属层15的第六开孔18，本实施例设计的第四开孔16、第五开孔17和第六开孔18的目的是为了实现第一互联金属层13、第二互联金属层14和第三金属层与其他部件的连接。本实施例的钝化层12的材质可以是SiN、SiO2或聚酰亚胺中的一种或几种。
另外，本实施例还在势垒层4和沟道层3两侧通过台面刻蚀或离子注入方法，形成隔离区19，隔离区19的深度为100-500nm，该深度由势垒层4的顶面延伸到沟道层3内。
本实施例的氮化镓功率器件的制造方法包括以下步骤：
a、在衬底上沉积缓冲层2、沟道层3、势垒层4、和p型氮化镓层5，形成图2中的结构。
b、刻蚀非栅区域的p型氮化镓层5，使得p型氮化镓层5成型为面积远小于势垒层4面积的p型氮化镓块层6。刻蚀方法可以是RIE、ICP，刻蚀后的非栅区域的p型氮化镓层的厚度小于5nm，以形成图3中的结构。
c、制备源极9和漏极10金属，并快速热退火形成欧姆接触。快速热退火温度为400-900度，时间为10s-200s，以形成图4中的结构。
d、在p型氮化镓块层6上制备第一栅金属层7，并快速热退火形成欧姆接触，第一栅金属层7的面积尺寸小于p型氮化镓块层6的面积尺寸；快速热退火温度为400-900度，时间为10s-200s，以形成图5中的结构。
e、在第一栅金属层7和p型氮化镓块层6上制备第二栅金属层8，第二栅金属层8与p型氮化镓块层6肖特基接触，以形成图6中的结构。
f、台面刻蚀或离子注入以形成隔离区19，其中刻蚀深度或离子注入深度超过沟道层3深度，一般为100-500nm，以形成图7中的结构。
g、在势垒层4上沉积介质层11，介质层11包覆p型氮化镓块层6、第一栅金属层7、第二栅金属层8、源极9和漏极10，沉积方法可以是PECVD、LPCVD或ALD等方法,厚度为50-2000nm，以形成图8中的结构。
h、在介质层11上开设连接源极9的第一开孔、连接漏极10的第二开孔和连接第二栅金属层8的第三开孔；并且，在第一开孔上制备与源极9连接的第一互联金属层13，在第二开孔上制备与漏极10连接的第二互联金属层14，在第三开孔上制备与第二栅金属层8相连接的第三互联金属层15；以形成图9中的结构。其中，上述的互联金属层可以是Ti/Al金属叠层。
i、在介质层11表面上沉积钝化层12；并且在沉积钝化层12上开设连接第一互联金属层13的第四开孔16、连接第二互联金属层14的第五开孔17和连接第三互联金属层15的第六开孔18，以形成图1中的成品结构。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种氮化镓功率器件，包括由下至上依次连接的衬底层(1)、缓冲层(2)、沟道层(3)、势垒层(4)、p型氮化镓块层(6)和栅金属块层；其特征在于，所述栅金属块层包括相连接的第一栅金属层(7)和第二栅金属层(8)；所述第一栅金属层(7)与所述p型氮化镓块层(6)欧姆接触，所述第二栅金属层(8)与所述p型氮化镓块层(6)肖特基接触。
2.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件，其特征在于，所述第二栅金属层(8)包裹所述第一栅金属层(7)。
3.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件，其特征在于，所述势垒层(4)顶面连接有源极(9)和漏极(10)；所述源极(9)和所述漏极(10)分别位于所述p型氮化镓块层(6)的两侧，并与所述势垒层(4)欧姆接触。
4.根据权利要求3所述的氮化镓功率器件，其特征在于，包括与所述势垒层(4)顶面连接的介质层(11)；所述介质层(11)包覆所述p型氮化镓块层(6)、所述第二栅金属层(8)、所述源极(9)和所述漏极(10)。
5.根据权利要求4所述的氮化镓功率器件，其特征在于，所述介质层(11)设有连接所述源极(9)的第一开孔、连接所述漏极(10)的第二开孔和连接所述第二栅金属层(8)的第三开孔；其中，所述第一开孔安装有与所述源极(9)连接的第一互联金属层(13)，所述第二开孔安装有与所述漏极(10)连接的第二互联金属层(14)，所述第三开孔安装有与所述第二栅金属层(8)相连接的第三互联金属层(15)。
6.根据权利要求5所述的氮化镓功率器件，其特征在于，包括与所述介质层(11)顶面连接的钝化层(12)，所述钝化层(12)上开设有连接所述第一互联金属层(13)的第四开孔(16)、连接所述第二互联金属层(14)的第五开孔(17)和连接所述第三互联金属层(15)的第六开孔(18)。
7.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件，其特征在于，还包括隔离区(19)，所述隔离区(19)位于所述势垒层(4)和所述沟道层(3)侧部。
8.根据权利要求7所述的氮化镓功率器件，其特征在于，所述隔离区(19)的顶面与所述势垒层(4)持平，所述隔离区(19)的底面位于所述沟道层(3)内。
9.根据权利要求1-8任一项所述的氮化镓功率器件，其特征在于，所述第一栅金属层(7)的材质包括Ni/Au金属叠层。
10.根据权利要求1-8任一项所述的氮化镓功率器件，其特征在于，所述第二栅金属层(8)的材质包括Ni/Au金属叠层；或者，所述第二栅金属层的材质包括W/Ti金属叠层。
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