一種逆阻型氮化鎵器件的製作方法

2023-10-19 20:41:28 3

本發明屬於半導體技術領域，具體的說是涉及一種逆阻型氮化鎵器件。

背景技術：

電力電子技術是現代科學、工業和國防的重要支撐技術，其中功率半導體器件既是電力電子技術的基礎，也是電力電子技術發展的強大動力，功率半導體器件的發展對電力電子技術的發展起著決定性作用。其中，以功率mos場效應管(mosfet)和絕緣柵電晶體(igbt)為代表的新型功率半導體器件佔據了主導地位，在4c電子產品、工業控制、國防裝備等領域發揮著重要作用。然而，以矽材料為基礎的功率mosfet器件越來越顯示出其不足和局限性。寬禁帶半導體材料具有更優的材料特性，有望解決當今功率半導體器件發展所面臨的「矽極限」問題。

寬禁帶半導體材料gan具有寬帶隙、高電子飽和漂移速度、高熱導率、高臨界擊穿電場等突出優點，極大地提高了gan電力電子器件耐壓容量、工作頻率和電流密度，大大降低了器件導通損耗，使器件可以在大功率和高溫等惡劣條件下工作。特別是矽基氮化鎵技術結合了gan材料的性能優勢和矽技術的成本優勢，已成為國際功率半導體領域戰略制高點，受到世界各國政府高度重視。與傳統的si基電力電子器件相比，目前已實用化的寬禁帶半導體電力電子器件可將功耗降低一半，從而減少甚至取消冷卻系統，大幅度降低電力變換器的體積和重量。

寬禁帶半導體電力電子器件具有非常廣泛的軍用和民用價值，如坦克、艦艇、飛機、火炮等軍事設備的功率電子系統領域、以及民用電力電子設備、家用電器、列車牽引設備、高壓直流輸電設備，也正在應用到pc、混合動力車輛、電動汽車，太陽能發電等系統。在這些新型電力電子系統中，gan電力電子器件是最核心的關鍵技術之一，可大大降低電能的消耗，因此也被譽為帶動「新能源革命」的「綠色能源」器件。

基於algan/gan異質結的高電子遷移率電晶體(hemt)(或異質結場效應電晶體hfet)在半導體領域已經取得廣泛應用。但是常規的algan/gan異質結高電子遷移率電晶體不具備反向阻斷能力，當漏極電壓反向時，會出現較大的反向電流。這種情況在實際工作中可能會導致器件或者系統的損壞。為解決這些問題，近年來人們提出了幾種逆阻型algan/gan異質結高電子遷移率電晶體。但是常規的逆阻型algan/gan異質結高電子遷移率電晶體都存在歐姆接觸，需要金等重金屬以及在高溫條件下製備，使得器件與傳統的矽工藝不兼容。並且在高溫歐姆退火過程中，器件表面將會被氧化，這會導致表面態的產生。這些表面陷阱會俘獲電子，使得器件在動態開關過程中會產生較大動態電阻。

技術實現要素：

本發明的目的，是針對常規的逆阻型algan/gan異質結高電子遷移率電晶體與傳統矽cmos工藝不兼容以及器件製備溫度高等問題，本發明提出了一種無歐姆接觸的逆阻型氮化鎵器件。本發明所提出的逆阻型氮化鎵器件具有與傳統矽工藝兼容、可低溫製備等優點。

本發明的技術方案是：一種逆阻型氮化鎵器件，包括從下至上依次層疊設置的襯底1、gan層2和mgan層3，所述gan層2和mgan層3形成異質結；所述m為除ga之外的ⅲ族元素；所述mgan層3上表面一端具有漏極金屬5，所述漏極金屬5與mgan層3形成肖特基勢壘接觸；其特徵在於，在所述mgan層3另一端具有絕緣柵極結構6，所述絕緣柵極結構6由絕緣柵介質8和金屬柵電極9構成，其中金屬柵電極9位於絕緣柵凹槽7中，所述絕緣柵凹槽7為貫穿mgan層3並延伸入gan層2上表面的凹槽，金屬柵電極9與mgan層3和gan層2之間通過絕緣柵介質8隔離；與絕緣柵極結構6相鄰的mgan層3上表面具有源極金屬4，所述源極金屬4與金屬柵電極9之間通過絕緣柵介質8隔離，且絕緣柵介質8完全覆蓋源極金屬4的表面並沿mgan層3上表面延伸至與部分漏極金屬5的下表面接觸。

進一步的，所述漏極金屬5底部不與絕緣柵介質8接觸的部分，向下延伸至嵌入gan層2上層。

進一步的，所述襯底1採用的材料為矽、藍寶石、碳化矽和氮化鎵中的一種。

進一步的，所述絕緣柵介質8採用的材料為sio2、si3n4、aln、al2o3、mgo和sc2o3中的一種。

本發明的有益效果是：針對常規的逆阻型algan/gan異質結高電子遷移率電晶體存在的與傳統矽cmos工藝不兼容以及器件製備溫度高等問題，本發明提出了一種無歐姆接觸的逆阻型氮化鎵器件，該器件由於不存在歐姆接觸，能與傳統矽工藝兼容、可低溫製備。

附圖說明

圖1為本發明的器件結構示意圖；

圖2為本發明的器件工作原理示意圖；

圖3為本發明的器件製造工藝流程中外延片示意圖；

圖4為本發明的器件製造工藝流程中生長源極肖特基金屬和漏極肖特基金屬後結構示意圖；

圖5為本發明的器件製造工藝流程中刻蝕mgan形成絕緣柵凹槽後結構示意圖；

圖6為本發明的器件製造工藝流程中生長絕緣層後結構示意圖；

圖7為本發明的器件製造工藝流程中生長絕緣柵金屬後結構示意圖。

圖8為本發明的另一種器件結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖，詳細描述本發明的技術方案：

如圖1所示，為本發明的逆阻型氮化鎵器件，包括從下至上依次層疊設置的襯底1、gan層2和mgan層3，所述gan層2和mgan層3形成異質結；所述m為除ga之外的ⅲ族元素；所述mgan層3上表面一端具有漏極金屬5，所述漏極金屬5與mgan層3形成肖特基勢壘接觸；其特徵在於，在所述mgan層3另一端具有絕緣柵極結構6，所述絕緣柵極結構6由絕緣柵介質8和金屬柵電極9構成，其中金屬柵電極9位於絕緣柵凹槽7中，所述絕緣柵凹槽7為貫穿mgan層3並延伸入gan層2上表面的凹槽，金屬柵電極9與mgan層3和gan層2之間通過絕緣柵介質8隔離；與絕緣柵極結構6相鄰的mgan層3上表面具有源極金屬4，所述源極金屬4與金屬柵電極9之間通過絕緣柵介質8隔離，且絕緣柵介質8完全覆蓋源極金屬4的表面並沿mgan層3上表面延伸至與部分漏極金屬5的下表面接觸。

傳統的逆阻型氮化鎵場效應電晶體存在歐姆接觸，需要金等重金屬並在高溫條件下製備，使得器件與傳統的矽工藝不兼容。並且在高溫歐姆退火過程中，器件表面將會被氧化，這會導致表面態的產生。這些表面陷阱會俘獲電子，使得器件在動態開關過程中會產生較大動態電阻。為解決這些問題，本發明提出了一種無歐姆接觸的逆阻型氮化鎵場效應電晶體(如圖1所示)。本發明器件的源極和漏極都是肖特基接觸結構而非傳統的歐姆接觸結構，同時在肖特基源極結構附近的引入一個柵極結構以控制源極肖特基接觸下方勢壘層的能帶結構來實現器件的實現開啟與關斷。由於本發明的逆阻型氮化鎵場效應電晶體不存在歐姆接觸，不需要利用重金屬，可以與cmos工藝兼容。同時，本發明不需要高溫退火工藝，器件可以在較低的溫度下製備，可以避免器件表面被氧化等問題。

在如圖1所示的結構中，在algan層表面生長sio2、si3n4、aln、al2o3、mgo或sc2o3作為鈍化層，可以進一步降低漏電，提高性能。源極肖特基接觸電極嵌入gan層上層的凹槽深度為幾百納米。肖特基源極結構與絕緣柵結構用絕緣介質隔開，介質質量的好壞直接影響器件的性能。

本發明的基本工作原理是：

首先通過肖特基源極接觸附近的絕緣柵結構控制肖特基接觸下方勢壘層的能帶結構來改變器件的工作狀態，實現器件的開啟和關斷。當柵極加上正電壓時，源極肖特基下方的勢壘厚度變薄(圖2)，電子的隧穿機率增加，可以使得器件具有類似歐姆接觸的電流特性；當在柵極負電壓時，肖特基勢壘厚度變厚，電子的隧穿機率降低，電子幾乎無法通過勢壘，器件可以實現正向阻斷能力。同時本發明利用肖特基漏極實現器件的反向阻斷。

本發明的器件與傳統cmos工藝兼容，可以利用傳統的cmos工藝線製備該器件，需要特別說明的是：

1、襯底1可以是矽、藍寶石，碳化矽或者氮化鎵。

2、襯底1和gan層2之間可以存在其他的材料。

3、漏極金屬5可延伸至gan層2。

4、源極金屬4及漏極金屬5和mgan層3之間形成的是肖特基接觸而非傳統的歐姆接觸。

5、所述絕緣柵介質8採用的材料為sio2、si3n4、aln、al2o3、mgo或sc2o3中的一種。

6、絕緣柵極結構6必須在源極金屬4附近。

7、絕緣柵極結構6須延伸至gan層2。

8、延長肖特基漏極金屬5在絕緣柵介質8的金屬長度形成漏極場板可以提高器件的反向阻斷能力。

9、延長肖特基漏極金屬4在絕緣柵介質8表面的金屬長度形成源極場板可以提高器件的正向阻斷能力。

10、源極金屬4、漏極金屬5以及金屬柵電極9可以不包含金等重金屬。

在本發明中，可採用以下兩種方案來製備絕緣介質材料。

(a)採用原子層澱積(ald)製備al2o3、hfo2、tio2等介質材料。ald所生長的薄膜是自限制的，能精確地控制薄膜的厚度和化學組分，而且澱積的薄膜具有很好的均勻性和保形性。應考慮採用複合疊層的辦法來實現，比如hfo2/al2o3等。

(b)採用mocvd設備製備ga2o3、al2o3、algao或algao/al2o3等各種單層、混合層以及各種疊層結構，以製備高性能絕緣柵介質。採用mocvd方法具有介質材料成膜狀態緻密、厚度控制精準、易於形成混合膜和多層膜重複性好等優點，特別是對界面態控制的可控空間較大。

本發明的製造工藝流程如圖3-圖7所示，主要包括：

圖3為具有異質結結構的外延片，圖4生長肖特基源極金屬和肖特基漏極金屬，圖5和圖6為刻蝕絕緣柵淺凹槽並生長絕緣柵介質，圖7生長絕緣柵極金屬。