一種縱向導通的GaN常關型MISFET器件及其制作方法技術

本發明專利技術涉及一種縱向導通的GaN常關型MISFET器件及其制作方法，外延層包括一次外延生長的n型輕摻雜GaN層和其上的選擇區域生長的二次外延層，所述二次外延層自下至上為第一雜質過濾層、電子阻擋層、第二雜質過濾層、非摻雜外延GaN層和異質結構勢壘層，二次外延生長后形成凹槽溝道，凹槽溝道和異質結構勢壘層的表面覆蓋絕緣層，柵極覆蓋于絕緣層上的凹槽溝道處，刻蝕絕緣層兩端形成源極區域，源極區域處蒸鍍歐姆金屬形成與異質結勢壘層接觸的源極，漏極歐姆接觸金屬置于導電GaN襯底背面。本發明專利技術器件結構簡單，工藝重復性和可靠性高，能有效抑制二次生長界面處或電子阻擋層中雜質的擴散，以優化電子阻擋層和異質結構溝道2DEG的電學特性。

【技術實現步驟摘要】
一種縱向導通的GaN常關型MISFET器件及其制作方法
本專利技術涉及半導體器件的
，更具體地，涉及一種縱向導通的GaN常關型MISFET器件及其制作方法。
技術介紹
GaN半導體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子漂移速度大和熱導率高等優越的性能，以及在異質結界面存在高濃度和高電子遷移率的二維電子氣（2DEG），與Si材料相比，其更加適合制備高功率大容量、高開關速度的電力電子器件，成為下一代功率開關器件的理想替代品。GaN功率開關器件從器件結構上來看分為橫向導通器件和縱向導通器件。橫向導通器件直接利用AlGaN/GaN異質結2DEG溝道作為器件導通溝道，其有源區集中在器件外延層表面，器件源極、柵極和漏極都設計在器件的同一平面上。這種設計結構是目前GaN基HFET器件常用的器件結構，在低壓下器件能實現低導通電阻及高開關頻率。但是，在高壓工作環境下，橫向導通GaN器件存在很大問題，如①在柵極邊緣易形成電場集邊效應，器件易擊穿；②此外，由于異質結構勢壘層表面缺陷態電離以及GaN外延層內受主陷阱電離等效應，會造成器件的電流崩塌，使器件性能劣化?？v向導通器件相對橫向器件具有明顯優勢：①其源極位于異質結勢壘層上，漏極位于導電襯底之下，利用柵極控制縱向的導電通道，提高了單位面積芯片功率，增大了芯片利用效率；②電流縱向分布于器件內，電場分布更加均勻，有效提高器件擊穿電壓；③其高場區域在材料內部，遠離表面，從而可以弱化表面態的影響而減緩電流崩塌效應；因此，縱向導通GaN開關器件更加適合應用在大功率、高電壓的工作環境中。目前，基于AlGaN/GaN的異質結和絕緣柵極結構的縱向導通結構MISFET可以實現低導通電阻，高電壓，大導通電流等特性，但是這種器件多為常開型器件。本研究小組的自主專利技術（中國專利技術專利申請號：201110094519.7）提出了采用選擇區域生長法（SAG）制備縱向導通常關型GaN場效應晶體管，該器件將AlGaN/GaN異質結構和凹槽柵MOS結構相結合，通過二次外延生長的方式形成U型槽柵結構，可以有效地克服傳統干法刻蝕對柵溝道的晶格損傷。這種器件制備方法和結構設計中的關鍵之一在于，如何在輕摻的n型GaN二次生長界面上實現高質量p型GaN（電子阻擋層）的二次外延生長及在此p型GaN的基礎上繼續生長高質量的AlGaN/GaN異質結構，這是確保實現低通態電阻和良好電流路徑限制能力以及具備良好關斷特性的基礎。在二次生長中，往往存在雜質元素背景摻雜。如美國喬治亞理工學院的W.Lee等人曾報道在GaN二次生長界面存在高濃度的Si雜質，其對異質結構溝道2DEG濃度和遷移率有很大影響（參見文獻：W.Lee,J.-H.Ryou,D.Yoo,etal.OptimizationofFedopingattheregrowthinterfaceofGaNforapplicationstoIII-nitride-basedheterostructurefield-effecttransistors.APPLIEDPHYSICSLETTERS90,093509(2007)）。尤其在選擇區域生長技術制備縱向導通GaN常關型場效應晶體管中，二次生長的電子阻擋層直接與二次生長界面相接觸，其極易被二次生長界面背景摻雜元素污染，導致電子阻擋層質量劣化，器件性能不能得到保證。此外，電子阻擋層中的p型摻雜元素在高溫生長環境下會擴散進入異質結構有源區，一方面弱化了電子阻擋層電學特性，另外異質結構溝道2DEG濃度及遷移率也會被劣化。
技術實現思路
本專利技術為克服上述現有技術所述的至少一種缺陷，專利技術目的主要在于改善現有技術方案中電子阻擋層的性能，提高電子阻擋層激活空穴量，增強其對柵極控制能力；同時優化異質結構溝道，提高2DEG濃度，提升其遷移率，提供一種能夠實現低導通電阻、高閾值電壓、開關控制能力高、性能穩定可靠的縱向導通GaN常關型MISFET器件及其制作方法。本專利技術采用選擇區域生長法制備縱向導通常關型GaN場效應晶體管。選擇區域生長一般需要圖形化的掩膜層（常用的如SiO2）來選擇需要生長的區域，但是這種掩膜工藝過程中會遇到以下問題：采用腐蝕工藝去除掩膜層時很難將其腐蝕干凈，在二次生長界面會有大量雜質殘留（如Si），在二次外延生長中，該殘留的雜質元素在高溫生長環境下極易向上擴散至電子阻擋層中，從而與該電子阻擋層的p型摻雜元素（常用的如Mg）發生補償作用，嚴重地劣化了該電子阻擋層的質量，造成器件性能大幅度下降。此外，電子阻擋層中的p型摻雜元素在高溫生長環境下會擴散進入異質結構有源區，一方面電子阻擋層中p型摻雜元素的減少降低了該層電學特性，另外擴散進入異質結構的p型雜質會耗盡溝道2DEG及降低其遷移率。本專利技術的制作方法，通過二次外延生長兩層雜質過濾層，以實現二次外延生長出高質量的電子阻擋層和異質結構溝道，從而提高器件的開關控制能力，降低導通電阻，改善器件性能。為解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案是：一種縱向導通的GaN常關型MISFET器件，包括柵極、源極、漏極、絕緣層、導電GaN襯底和其上的外延層，所述外延層包括一次外延生長的n型輕摻雜GaN層和其上的選擇區域生長的二次外延層，所述二次外延層自下至上為第一雜質過濾層、電子阻擋層、第二雜質過濾層、非摻雜外延GaN層和異質結構勢壘層，二次外延生長后形成凹槽溝道，凹槽溝道和異質結構勢壘層的表面覆蓋絕緣層，柵極覆蓋于絕緣層上的凹槽溝道處，刻蝕絕緣層兩端形成源極區域，源極區域處蒸鍍歐姆金屬形成與異質結勢壘層接觸的源極，漏極歐姆接觸金屬置于導電GaN襯底背面。所述的凹槽呈U型或梯型結構。所述導電GaN襯底為重摻雜GaN襯底，所述導電GaN襯底也可以由低阻硅襯底或低阻碳化硅和導電緩沖層組成；所述重摻雜GaN襯底，其摻雜濃度在1018以上，在這個數值之下為輕摻雜；所述n型輕摻雜GaN層的厚度為1-50μm。所述n型輕摻雜GaN層和二次外延層之間還含有n型重摻雜GaN層，其厚度為10-100nm。所述第一雜質過濾層和第二雜質過濾層材料為含鋁氮化物，包括但不限于AlGaN、AlInN、AlInGaN、AlN中的一種或任意幾種的組合，厚度為1-500nm，且鋁組分濃度可變化。所述電子阻擋層材料為p型摻雜的GaN層或者摻雜高阻GaN層，亦可為p型摻雜的AlGaN層或者摻雜高阻AlGaN層，所述摻雜高阻層GaN層和AlGaN層的摻雜元素包括但不限于碳或鐵，所述電子阻擋層厚度為10-500nm；所述非摻雜GaN層的厚度為10-500nm；所述非摻雜GaN層與所述異質結構勢壘層之間還生長一AlN層，所述AlN層厚度為1-10nm。所述異質結構勢壘層材料包括但不限于AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一種或任意幾種的組合，所述異質結構勢壘層厚度為5-50nm。所述絕緣層材料包括但不限于SiO2、SiNx、Al2O3、AlN、HfO2、MgO、Sc2O3、Ga2O3、AlHfOx或HfSiON中的一種或任意幾種的堆疊組合，所述絕緣層厚度為1-100nm；所述源極和漏極材料包括但不限于Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金或Ti/Al/Mo/Au合金，其他能夠實現歐姆接觸的各種本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種縱向導通的GaN常關型MISFET器件，包括柵極、源極、漏極、絕緣層、導電GaN襯底和其上的外延層，所述外延層包括一次外延生長的n型輕摻雜GaN層和其上的選擇區域生長的二次外延層，所述二次外延層自下至上為第一雜質過濾層、電子阻擋層、第二雜質過濾層、非摻雜外延GaN層和異質結構勢壘層，二次外延生長后形成凹槽溝道，凹槽溝道和異質結構勢壘層的表面覆蓋絕緣層，柵極覆蓋于絕緣層上的凹槽溝道處，刻蝕絕緣層兩端形成源極區域，源極區域處蒸鍍歐姆金屬形成與異質結勢壘層接觸的源極，漏極歐姆接觸金屬置于導電GaN襯底背面。

【技術特征摘要】
1.一種縱向導通的GaN常關型MISFET器件，包括柵極（11）、源極（8）、漏極（9）、絕緣層（10）、導電GaN襯底（1）和其上的外延層，所述外延層包括一次外延生長的n型輕摻雜GaN層（2）和其上的選擇區域生長的二次外延層，所述二次外延層自下至上為第一雜質過濾層（3）、電子阻擋層（4）、第二雜質過濾層（5）、非摻雜GaN層（6）和異質結構勢壘層（7），二次外延生長后形成凹槽溝道，凹槽溝道和異質結構勢壘層（7）的表面覆蓋絕緣層（10），柵極（11）覆蓋于絕緣層（10）上的凹槽溝道處，刻蝕絕緣層（10）兩端形成源極區域，源極區域處蒸鍍歐姆金屬形成與異質結勢壘層（7）接觸的源極（8），漏極歐姆接觸金屬置于導電GaN襯底（1）背面。2.根據權利要求1所述的一種縱向導通的GaN常關型MISFET器件，其特征在于：所述的凹槽呈U型或梯型結構。3.根據權利要求1所述的一種縱向導通的GaN常關型MISFET器件，其特征在于：所述的導電GaN襯底（1）為重摻雜GaN襯底，所述導電GaN襯底（1）也可以由低阻硅襯底或低阻碳化硅（15）和導電緩沖層（16）組成。4.根據權利要求1所述的一種縱向導通的GaN常關型MISFET器件，其特征在于：所述的n型輕摻雜GaN層（2）的厚度為1-50μm。5.根據權利要求4所述的一種縱向導通的GaN常關型MISFET器件，其特征在于：所述的n型輕摻雜GaN層（2）和二次外延層之間還含有n型重摻雜GaN層（13），其厚度為10-100nm。6.根據權利要求1所述的一種縱向導通的GaN常關型MISFET器件，其特征在于：所述第一雜質過濾層（3）和第二雜質過濾層（5）材料為含鋁氮化物，可為AlGaN、AlInN、AlInGaN、AlN中的一種或任意幾種的組合，厚度為1-500nm，且鋁組分濃度可變化。7.根據權利要求1所述的一種縱向導通的GaN常關型MISFET器件，其特征在于：所述的電子阻擋層（4）材料為p型摻雜的GaN層或者摻雜高阻GaN層，亦可為p型摻雜的AlGaN層或者摻雜高阻AlGaN層，所述摻雜高阻GaN層和高阻AlGaN層的摻雜元素為碳或鐵；所述電子阻擋層（4）厚度為10-500nm；所述非摻雜GaN層（6）的厚度為10-500nm；所述異質結...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉揚，何亮，楊帆，姚堯，倪毅強，
申請(專利權)人：中山大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44