一種AlGaN/GaN高電子遷移率功率半導(dǎo)體器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及一種寬禁帶功率半導(dǎo)體器件，特別是涉及一種應(yīng)用于電力開關(guān)領(lǐng)域的高壓增強(qiáng)型高電子迀移率晶體管。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN材料具有良好的電學(xué)特性，如寬的禁帶寬度、高擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、耐腐蝕等，被譽(yù)為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料，是制作高頻、高壓、高溫、大功率電子器件和短波長(zhǎng)、大功率光電子器件的理想材料。
[0003]AIGaN/GaN高電子迀移率器件由于壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng)，在AIGaN/GaN界面的GaN層中出現(xiàn)了濃度很高的二維電子氣(2DEG)，因此AIGaN/GaN高電子迀移率器件具有擊穿電壓高、電子漂移速度快和抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，使其在高頻高溫大功率領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。溝道處2DEG高的迀移率使得它具有超高功率密度和低功耗特性。在此之前，對(duì)于AIGaN/GaN高電子迀移率器件的研究一直集中在微波器件領(lǐng)域，耐壓多在200V以下。近幾年隨著大尺寸Si基制作GaN器件成為可能之后，AIGaN/GaN高電子迀移率器件在中高壓功率器件領(lǐng)域的研究又成為了一個(gè)熱點(diǎn)。
[0004]AIGaN/GaN高電子迀移率器件作為橫向器件，在截止?fàn)顟B(tài)下，溝道耗盡區(qū)內(nèi)的正電荷發(fā)出的電力線集中指向柵極邊緣，在柵極靠近漏端一側(cè)形成電場(chǎng)峰值是制約器件擊穿電壓提高的主要原因之一。過大的峰值電場(chǎng)使器件電場(chǎng)峰值分布不均，器件容易在較低源漏電壓下被擊穿，無法充分發(fā)揮GaN材料的高耐壓優(yōu)勢(shì)。為了提高AIGaN/GaN高電子迀移率器件的擊穿電壓，最常采用的方法是引入場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，如柵場(chǎng)板、源場(chǎng)板等，場(chǎng)板的采用可以在場(chǎng)板的邊緣引入另一個(gè)電場(chǎng)峰值，使得柵漏之間的電場(chǎng)得到重新分布，降低了近漏端柵極邊緣的電場(chǎng)峰值，大大提高了擊穿電壓。然而，場(chǎng)板的加入會(huì)增加器件寄生電容的大小，使得器件的高頻特性受抑制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)上述問題，提出了一種AIGaN/GaN高電子迀移率功率半導(dǎo)體器件，該結(jié)構(gòu)在保持器件導(dǎo)通特性和頻率特性基本不變的基礎(chǔ)上，能夠有效提高擊穿電壓。
[0006]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種AIGaN/GaN高電子迀移率功率半導(dǎo)體器件，包括:Si基襯底，在Si基襯底上形成有AlN成核層，在AlN成核層上形成有本征GaN層，在本征GaN層上形成有AlGaN摻雜層，在AlGaN摻雜層中形成有柵氧化層，所述柵氧化層貫穿AlGaN摻雜層且始于AlGaN摻雜層的下表面并止于AlGaN摻雜層的上表面，在柵氧化層的上表面形成有柵極，在AlGaN摻雜層的上表面柵極的一側(cè)形成有源極，在AlGaN摻雜層的上表面柵極的另一側(cè)形成有漏極，在柵極、源極和漏極上形成有鈍化層，且源極和漏極通過鈍化層與柵極相隔離，其特征在于，在AlGaN摻雜層的內(nèi)部設(shè)有絕緣層且絕緣層的上表面裸露于AlGaN摻雜層的上表面，所述絕緣層與柵氧化層相接觸且位于所述柵氧化層與漏極之間。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0008](I)、本發(fā)明器件采用絕緣層10沿著柵寬方向均勻間隔分布的結(jié)構(gòu)，通過改變部分柵漏之間二維電子氣的濃度，在不顯著影響器件導(dǎo)通特性的基礎(chǔ)上，使得整個(gè)器件電場(chǎng)分布更加均勻，擊穿電壓得到提高。
[0009]AIGaN/GaN高電子迀移率器件由于強(qiáng)烈的極化效應(yīng)，會(huì)在AIGaN/GaN界面靠近GaN一側(cè)形成高濃度的二維電子氣。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，減小AlGaN勢(shì)皇層的厚度，可以使得極化效應(yīng)減弱，二維電子氣的濃度降低。因此本發(fā)明通過刻蝕AlGaN，在近漏端的柵氧化層一側(cè)形成絕緣層結(jié)構(gòu)，因?yàn)榻^緣層的引入，使得其下方對(duì)應(yīng)的AlGaN勢(shì)皇層厚度減薄，因此該區(qū)域的二維電子氣濃度減小，柵漏之間形成類似MOSFET中的LDD(Lightly Doped Drain)結(jié)構(gòu)。由于溝道中二維電子氣濃度的階梯分布，這時(shí)在絕緣層靠近漏極的邊緣就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新的電場(chǎng)峰值，因此柵漏之間的電場(chǎng)分布得到調(diào)整，從而擊穿電壓得到提高。然而，若是絕緣層10沿著器件柵寬方向無間隙分布，則器件的導(dǎo)通特性會(huì)因絕緣層下方溝道中的二維電子氣濃度減小而受到影響。為了減小由于絕緣層10的引入而導(dǎo)致的器件導(dǎo)通特性變壞，將絕緣層10沿著柵寬方向均勻間隔分布，此時(shí)沒有引入絕緣層10下方的二維電子氣濃度并不會(huì)減小，其導(dǎo)通特性也不會(huì)受到影響。圖5為本發(fā)明器件a-a’和b-b’兩個(gè)地方所對(duì)應(yīng)溝道處的二維電子氣濃度分布圖，可以發(fā)現(xiàn)在有絕緣層10的地方，二維電子氣濃度沿著柵漏方向是階梯式遞增的，而在沒有絕緣層10地方，二維電子氣濃度沿著柵漏方向是均勻分布的。圖6為本發(fā)明器件與常規(guī)器件的擊穿電壓對(duì)比曲線圖，可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明器件與常規(guī)器件相比，擊穿電壓得到了提高。
[0010](2)、本發(fā)明器件的好處在于絕緣層10的存在還在一定程度上減小了柵極漏電流。由于絕緣層10的引入，柵極近漏端峰值電場(chǎng)處的絕緣層加厚了，使得柵極漏電流得到了減小。
[0011](3)、本發(fā)明器件的好處在于提高了器件的擊穿電壓，減小了柵極漏電流的基礎(chǔ)上，導(dǎo)通特性基本保持不變。圖7為本發(fā)明器件與常規(guī)器件的導(dǎo)通特性對(duì)比圖，可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明器件與常規(guī)器件相比，器件的導(dǎo)通特性基本保持不變。
[0012](4)、本發(fā)明器件的好處在于提高了器件的擊穿電壓，減小了柵極漏電流的基礎(chǔ)上，器件的頻率特性基本保持不變。絕緣層10結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的場(chǎng)板結(jié)構(gòu)相比，前者通過在器件內(nèi)部做結(jié)構(gòu)調(diào)整，改變器件內(nèi)部的電場(chǎng)分布，并沒有引入額外的寄生電容，因此寄生電容基本保持不變，保證了器件的頻率特性不受影響。
【附圖說明】
[0013]圖1是常規(guī)的AIGaN/GaN高電子迀移率功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)剖面圖。
[0014]圖2是本發(fā)明的AIGaN/GaN高電子迀移率功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)剖面圖。
[0015]圖3是本發(fā)明的AIGaN/GaN高電子迀移率功率半導(dǎo)體器件去鈍化層后的結(jié)構(gòu)剖面圖。
[0016]圖4是本發(fā)明的AIGaN/GaN高電子迀移率功率半導(dǎo)體器件去鈍化層和金屬層后的結(jié)構(gòu)剖面圖。
[0017]圖5是本發(fā)明器件a-a’和b_b’所對(duì)應(yīng)溝道處的二維電子氣濃度分布曲線圖?？梢钥闯霰景l(fā)明器件使得柵漏間二維電子氣沿著柵漏方向呈階梯式增長(zhǎng)。
[0018]圖6是本發(fā)明器件與常規(guī)器件的擊穿電壓比較圖。可以看出本發(fā)明器件使得擊穿電壓得到了明顯的提高。
[0019]圖7是本發(fā)明器件與常規(guī)器件的導(dǎo)通特性比較圖?？梢钥闯霰景l(fā)明器件與常規(guī)器件相比，導(dǎo)通特性基本保持不變。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合圖2和圖3詳細(xì)說明，一種AIGaN/GaN高電子迀移率功率半導(dǎo)體器件，包括:Si基襯底1，在Si基襯底I上形成有AlN成核層2，在AlN成核層2上形成有本征GaN層3，在本征GaN層3上形成有AlGaN摻雜層4，在AlGaN摻雜層4中形成有柵氧化層5，所述柵氧化層5貫穿AlGaN摻雜層4且始于AlGaN摻雜層4的下表面并止于AlGaN摻雜層4的上表面，在柵氧化層5的上表面形成有柵極6，在AlGaN摻雜層4的上表面柵極6的一側(cè)形成有源極7，在AlGaN摻雜層4的上表面柵極6的另一側(cè)形成有漏極8，在柵極6、源極7和漏極8上形成有鈍化層9，且源極7和漏極8通過鈍化層9與柵極6相隔離，其特征在于，在AlGaN摻雜層4的內(nèi)部設(shè)有絕緣層10且絕緣層10的上表面裸露于AlGaN摻雜層4的上表面，所述絕緣層10與柵氧化層5相接觸且位于所述柵氧化層5與漏極8之間。所述絕緣層10在器件的柵寬方向至少分布有2個(gè)，且它們沿著器件柵寬方向均勻分布。所述絕緣層10的下表面距離本征GaN層3的距離為15?20nm。所述絕緣層10的長(zhǎng)度與柵極6到漏極8的長(zhǎng)度比例為0.5?1:1。所述絕緣層10的寬度與相鄰兩個(gè)絕緣層10之間間隙的寬度比例為I?2:1。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種AlGaN/GaN高電子迀移率功率半導(dǎo)體器件，包括:Si基襯底(I)，在Si基襯底(I)上形成有AlN成核層(2)，在AlN成核層(2)上形成有本征GaN層(3)，在本征GaN層(3)上形成有AlGaN摻雜層(4)，在AlGaN摻雜層(4)中形成有柵氧化層(5)，所述柵氧化層(5)貫穿AlGaN慘雜層⑷且始于AlGaN慘雜層⑷的下表面并止于AlGaN慘雜層⑷的上表面，在柵氧化層(5)的上表面形成有柵極(6)，在AlGaN摻雜層(4)的上表面柵極(6)的一側(cè)形成有源極(7)，在AlGaN摻雜層(4)的上表面柵極(6)的另一側(cè)形成有漏極(8)，在柵極出)、源極(7)和漏極(8)上形成有鈍化層(9)，且源極(7)和漏極(8)通過鈍化層(9)與柵極(6)相隔離，其特征在于，在AlGaN摻雜層(4)的內(nèi)部設(shè)有絕緣層(10)且絕緣層(10)的上表面裸露于AlGaN摻雜層(4)的上表面，所述絕緣層(10)與柵氧化層(5)相接觸且位于所述柵氧化層(5)與漏極(8)之間。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AlGaN/GaN高電子迀移率功率半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述絕緣層(10)在器件的柵寬方向至少分布有2個(gè)，且它們沿著器件柵寬方向均勻分布。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AlGaN/GaN高電子迀移率功率半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述絕緣層(10)的下表面距離本征GaN層(3)的距離為15?20nm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AlGaN/GaN高電子迀移率功率半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述絕緣層(10)的長(zhǎng)度與柵極(6)到漏極⑶之間的長(zhǎng)度比例為0.5?1:1。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AlGaN/GaN高電子迀移率功率半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述絕緣層(10)的寬度與相鄰兩個(gè)絕緣層(10)之間間隙的寬度比例為I?2:1。
【專利摘要】一種AlGaN/GaN高電子遷移率功率半導(dǎo)體器件，包括：Si基襯底，在Si基襯底上形成有AlN成核層，在AlN成核層上形成有本征GaN層，在本征GaN層上形成有AlGaN摻雜層，在AlGaN摻雜層中形成有柵氧化層，所述柵氧化層貫穿AlGaN摻雜層且始于AlGaN摻雜層的下表面并止于AlGaN摻雜層的上表面，在柵氧化層的上表面形成有柵極，在AlGaN摻雜層的上表面柵極的一側(cè)形成有源極，在AlGaN摻雜層的上表面柵極的另一側(cè)形成有漏極，在柵極、源極和漏極上形成有鈍化層，且源極和漏極通過鈍化層與柵極相隔離，其特征在于，在AlGaN摻雜層的內(nèi)部設(shè)有絕緣層且絕緣層的上表面裸露于AlGaN摻雜層的上表面，所述絕緣層與柵氧化層相接觸且位于所述柵氧化層與漏極之間，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效提高器件的擊穿電壓。
【IPC分類】H01L29/778, H01L29/06
【公開號(hào)】CN105185827
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510566720
【發(fā)明人】劉斯揚(yáng), 魏家行, 周遷, 任曉飛, 孫偉鋒, 陸生禮, 時(shí)龍興
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年9月8日