一種垂直型氮化鎵功率開關器件及其制備方法
【專利說明】一種垂直型氮化鎵功率開關器件及其制備方法
[0001]
技術領域
[0002]本發明涉及電子元器件制造領域，具體涉及一種垂直型氮化鎵功率開關器件及其制備方法。
[0003]
【背景技術】
[0004]氮化鎵材料具有禁帶寬度大、飽和漂移速度高和耐高溫等特點，且由其形成的異質結構(如AlGaN/GaN異質結構)具有很高的二維電子氣濃度和迀移率，因而在制作高性能功率半導體器件方面，尤其在制作高速、低功耗、中低壓工作的電力電子器件方面具有明顯的潛在優勢。
[0005]自2000年以來，氮化鎵基功率半導體器件的研發有了重要進展。2000年，UCSB報道了擊穿電壓為570 V的AlGaN/GaN HEMT結構的電力電子器件;2008年，UCSB報道了垂直結構的氮化鎵基HEMT結構的功率開關器件;2009年，松下公司報道了擊穿電壓為10.4 kV的氮化鎵基功率開關器件;2009年，美國EPC公司研發出了商業化的增強型氮化鎵功率器件產品，隨后美國的IR、Transphorm公司，德國的MicroGaN、Inf ineon公司，日本Fujitsu、Panasonic公司等均實現了商業化的氮化鎵基功率開關器件。
[0006]氮化鎵基功率半導體器件的研發雖然取得了重要進展，但其性能與理論預期尚有較大差距。目前，國際的學者專家多數集中在橫向器件的研究。然而，由于橫向器件在漏極一側的材料表面會形成一個高電場區域，會產生器件的表面漏電或者表面擊穿；同時，高場下的表面態虛柵效應會導致電流崩塌的發生;而且，為了提高擊穿電壓，通常需要較大的柵漏間距，這樣就增大了器件的橫向尺寸。
[0007]

【發明內容】

[0008]針對【背景技術】中存在的問題，本發明的目的在于提供一種垂直型氮化鎵功率開關器件及其制備方法，該開關器件具有兩個高阻區HR-GaN做為電流阻擋區，電流窗口區g作為垂直的電流通道，可以實現垂直型氮化鎵基功率器件，漏極和其它電極(柵極、漏極)不在一個平面上，這樣可以避免在材料表面形成高場區，導致表面漏電、表面擊穿、虛柵效應引起的電流崩塌等問題;同時，可以減小器件的尺寸，提高晶圓的利用率。
[0009]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:
一種垂直型氮化鎵功率開關器件，所述開關器件包括:
襯底(a);
N型重摻雜氮化鎵層(b)，所述N型重摻雜氮化鎵層(b)制作在襯底(a)上方；
電流窗口層(c)，該層包括兩個高阻氮化鎵區(HR-GaN)和電流窗口區(g)，所述電流窗口層(C)制作在所述N型重摻雜氮化鎵層(b)上方，所述電流窗口區(g)位于兩個所述高阻氮化鎵區(HR-GaN)之間；
非故意摻雜高迀移率氮化鎵層(d)，所述非故意摻雜高迀移率氮化鎵層(d)制作在所述電流窗口層(C)上方；
氮化鋁插入層(e)，所述氮化鋁插入層(e)制作在所述非故意摻雜高迀移率氮化鎵層(d)上方;
非有意摻雜鋁鎵氮勢皇層(f)，所述非有意摻雜鋁鎵氮勢皇層(f)制作在所述氮化鋁插入層(e)上方；
歐姆接觸源極(Source)，所述歐姆接觸源極(Source)制作在所述非有意摻雜招鎵氮勢皇層(f)和氮化鋁插入層(e)上方；
歐姆接觸漏極(Drain)，所述歐姆接觸漏極(Drain)制作在所述N型重摻雜氮化鎵層(b)上方；
肖特基接觸柵極(Gate)，所述肖特基接觸柵極(Gate)制作在非有意摻雜鋁鎵氮勢皇層
(f)上方。
[0010]進一步，所述N型重摻雜氮化鎵層(b)的厚度為2-5μπι，其摻雜濃度為I X 116-1 X1019/cm—3;其用于連通所述電流窗口區(g)和器件漏極。
[0011 ] 進一步，所述高阻氮化鎵區(HR-GaN)的厚度為0.3_2μπι，室溫電阻率大于I X 16Ω.cm0
[0012]進一步，所述電流窗口區(g)的寬度Lw大于0.5μπι。
[0013]進一步，所述非故意摻雜高迀移率氮化鎵層d的厚度為0-0.2μπι，室溫電子迀移率大于 500cmVVso
[OOM]進一步，所述氮化招插入層(e)的厚度為0.5_3nm。
[0015]進一步，所述非故意摻雜鋁鎵氮勢皇層(f)厚度為8-30nm，鋁鎵氮的分子式是AlxGai—xN，其中，0.10 <x< 0.35。
[0016]—種加工本申請的垂直型氮化鎵功率開關器件的制備方法，所述方法包括如下步驟:
1)選擇一襯底(a);
2)在所述襯底(a)上生長一層N型重摻雜氮化鎵層(b);
3)采用掩膜、刻蝕方法刻掉所述N型重摻雜氮化鎵層(b)的部分區域；
4)在未去除掩膜材料的情況下，生長高阻氮化鎵，其厚度與刻蝕掉的深度相等，然后去除掩膜材料；
5)繼續生長非故意摻雜高迀移率氮化鎵層(d)；
6)在所述非故意摻雜高迀移率氮化鎵層(d)上生長氮化鋁插入層(e);
7)在所述氮化鋁插入層(e)上生長非故意摻雜鋁鎵氮勢皇層(f);
8)采用刻蝕方法刻掉漏極區域，其刻蝕深度刻到所述N型重摻雜氮化鎵層(b)處，并且分別在此處和源極處經光刻、沉積金屬、退火的步驟，實現源極和漏極兩處的歐姆接觸制作；
9)在柵極位置沉積金屬，不做處理，形成肖特基接觸。
[0017]進一步，所述襯底(a)為碳化硅襯底、藍寶石襯底或硅襯底的任一種。
[0018]進一步，生長的方法包括但不局限于金屬有機物化學氣相沉積法、分子束外延和氣相外延。
[0019]本發明具有以下積極的技術效果:
本申請的開關器件具有兩個高阻區HR-GaN做為電流阻擋區，電流窗口區g作為垂直的電流通道，可以實現垂直型氮化鎵基功率器件，漏極和其它電極(柵極、漏極)不在一個平面上，這樣可以避免在材料表面形成高場區，導致表面漏電、表面擊穿、虛柵效應引起的電流崩塌等問題;同時，可以減小器件的尺寸，提高晶圓的利用率。
[0020]
【附圖說明】
[0021]圖1為本申請的垂直型氮化鎵基功率開關器件結構的剖面示意圖，圖中箭頭為電子的流動路徑和方向；
圖2為本申請的垂直型氮化鎵基功率開關器件掩膜、刻蝕步驟的剖面示意圖；
圖3為本申請的垂直型氮化鎵基功率開關器件生長高阻氮化鎵區之后的剖面示意圖； 圖4為本申請的垂直型氮化鎵基功率開關器件材料結構的剖面示意圖。
[0022]
【具體實施方式】
[0023]下面，參考附圖，對本發明進行更全面的說明，附圖中標示出了本發明的示例性實施例。然而，本發明可以體現為多種不同形式，并不應理解為局限于這里敘述的示例性實施例。而是，提供這些實施例，從而使本發明全面和完整，并將本發明的范圍完全地傳達給本領域的普通技術人員。
[0024]為了易于說明，在這里可以使用諸如“上”、“下”“左” “右”等空間相對術語，用于說明圖中示出的一個元件或特征相對于另一個元件或特征的關系。應該理解的是，除了圖中示出的方位之外，空間術語意在于包括裝置在使用或操作中的不同方位。例如，如果圖中的裝置被倒置，被敘述為位于其他元件或特征“下”的元件將定位在其他元件或特征“上” O因此，示例性術語“下”可以包含上和下方位兩者。裝置可以以其他方式定位(旋轉90度或位于其他方位)，這里所用的空間相對說明可相應地解釋。
[0025]如圖1-4所示，本申請提供了一種垂直型氮化鎵基功率開關器件，包括:襯底a;N型重摻雜氮化鎵層b，該N型重摻雜氮化鎵層b制作在襯底a上方，其中包括緩沖層的生長;電流窗口層c，該層包括兩個高阻氮化鎵區HR-GaN和電流窗口區g，高阻氮化鎵區c在掩膜、刻蝕之后制作在N型重摻雜氮化鎵層b上方，電流窗口區g是在掩膜、刻蝕之后留下的重摻雜氮化鎵區域，位于兩個高阻氮化鎵區之間；非故意摻雜高迀移率氮化鎵層d，該非故意摻雜高迀移率氮化鎵層d制作在電流窗口層c上