一種積累型垂直hemt器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種積累型垂直HEMT器件。本發(fā)明正向?qū)顟B(tài)下，絕緣柵極結(jié)構(gòu)側(cè)壁處形成高濃度的電子積累層，大大地降低了器件的導(dǎo)通電阻，從而保證了器件具有很好的正向電流驅(qū)動(dòng)能力；反向阻斷狀態(tài)下，絕緣柵極結(jié)構(gòu)可以有效地改善器件阻擋層與緩沖層界面處的電場集中效應(yīng)，同時(shí)在絕緣柵極結(jié)構(gòu)末端處引入新的電場尖峰，使器件電場分布更加均勻，從而提高器件的關(guān)態(tài)擊穿電壓。本發(fā)明所公布的器件制備工藝與傳統(tǒng)工藝兼容。
【專利說明】
一種積累型垂直HEMT器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種積累型垂直HEMT (High ElectronMobility Transistor，高電子迀移率晶體管)器件。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的高耐壓GaN HEMT結(jié)構(gòu)主要為橫向器件，器件基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。器件主要包括襯底、GaN緩沖層、AlGaN勢皇層以及AlGaN勢皇層上形成的源極、漏極和柵極，其中源極和漏極與AlGaN勢皇層形成歐姆接觸，柵極與AlGaN勢皇層形成肖特基接觸。但是對于橫向GaN HEMT而言，在截止?fàn)顟B(tài)下，從源極注入的電子可以經(jīng)過GaN緩沖層到達(dá)漏極，形成漏電通道，過大的緩沖層泄漏電流會(huì)導(dǎo)致器件提前擊穿，無法充分發(fā)揮GaN材料的高耐壓優(yōu)勢，從而限制GaN HEMT在高壓方面的應(yīng)用。同時(shí)橫向GaN HEMT器件主要依靠柵極與漏極之間的有源區(qū)來承受耐壓，要獲得大的擊穿電壓，需設(shè)計(jì)很大的柵極與漏極間距，從而會(huì)增大芯片面積，不利于現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)便攜化、小型化的發(fā)展趨勢。
[0003]文獻(xiàn)(Enhancementand Deplet1n Mode AlGaN/GaN CAVET With Mg-1on-1mplanted GaN as Current Blocking Layer,IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,VOL.29,N0.6 JUNE 2008)提出垂直GaN HEMT結(jié)構(gòu)，有效地改善了上述橫向GaN HEMT所存在的問題。與橫向GaN HEMT相比，垂直GaN HEMT存在以下優(yōu)勢:器件耐壓不再受到橫向尺寸的限制，SP器件主要通過柵極與漏極之間的縱向間距來承受耐壓，器件橫向尺寸可以設(shè)計(jì)的非常小，有效節(jié)省芯片面積；同時(shí)P -GaN電流阻擋層與n -GaN緩沖層之間形成的P -η結(jié)可以有效阻擋從源極注入的電子，從而抑制器件緩沖層泄漏電流。
[0004]對于常規(guī)垂直GaN HEMT而言，縱向器件無法利用2DEG來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，導(dǎo)通電流需要流經(jīng)緩沖層，這使得導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)高于橫向器件;且器件主要依靠P-GaN電流阻擋層與n-GaN緩沖層之間形成的PN結(jié)來承受耐壓，為了實(shí)現(xiàn)高的擊穿電壓，n-GaN緩沖層濃度不宜過高，但低濃度的緩沖層會(huì)增大器件的導(dǎo)通電阻，大大限制了器件的正向電流能力，因此常規(guī)垂直GaN HEMT器件存在耐壓與導(dǎo)通電阻的矛盾關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的，就是針對上述問題，提出一種積累型垂直HEMT器件，在達(dá)到提高器件擊穿電壓的同時(shí)降低器件的導(dǎo)通電阻，緩解或解決耐壓與導(dǎo)通電阻的矛盾關(guān)系。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:如圖3所示，
[0007]—種積累型垂直HEMT器件，包括從下至上依次層疊設(shè)置的漏電極1、襯底2、緩沖層
3、溝道層5和勢皇層6，所述勢皇層6上表面兩端設(shè)置有源電極7;所述勢皇層6上表面中部設(shè)置有絕緣柵極結(jié)構(gòu)；所述源電極7與絕緣柵極結(jié)構(gòu)之間的勢皇層6上表面具有介質(zhì)鈍化層10;其特征在于，所述襯底2、緩沖層3、溝道層5為N型摻雜;所述電流阻擋層4為P型摻雜;所述緩沖層3中存在阻擋層4;所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)的中部沿垂直方向向下延伸，依次貫穿勢皇層6、溝道層5和阻擋層4并延伸入緩沖層3中，絕緣柵極結(jié)構(gòu)位于勢皇層6上表面的部分及向下延伸的部分形成“T”型結(jié)構(gòu);所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)由絕緣柵介質(zhì)8和被絕緣柵介質(zhì)8包圍柵電極9構(gòu)成;所述阻擋層4位于絕緣柵介質(zhì)8的兩側(cè)，且與絕緣柵介質(zhì)8之間具有間距，此間距并形成電流孔徑;所述源電極I和漏電極7為歐姆接觸。
[0008]進(jìn)一步的，所述絕緣柵介質(zhì)8的橫向?qū)挾葟纳现料轮饾u增加
[0009]進(jìn)一步的，所述柵電極9由第一柵電極91和第二柵電極92構(gòu)成，形成分裂柵，第一柵電極91位于第二柵電極92上方，且第一柵電極91和第二柵電極92之間被絕緣柵介質(zhì)8隔離;所述第二柵電極92所接電位為正電位、負(fù)電位或者零電位。
[0010]進(jìn)一步的，所述電流阻擋層4由多層在垂直方向上相互平行的P型摻雜阻擋層構(gòu)成。
[0011]進(jìn)一步的，所述緩沖層3的摻雜方式為均勻摻雜、縱向分段階梯摻雜和縱向線性摻雜中的一種。
[0012]進(jìn)一步的，所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)位于勢皇層6上表面的部分，垂直向下延伸入勢皇層6中。
[0013]進(jìn)一步的，所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)位于勢皇層6上表面的部分，垂直向下延伸入勢皇層6中，并與溝道層5的上表面連接。
[OOM]進(jìn)一步的，所述絕緣柵介質(zhì)8采用的材料為Al203、Hf02、Si02—種或幾種的組合。
[0015]進(jìn)一步的，所述襯底2、緩沖層3、電流阻擋層4、溝道層5和勢皇層6材料為GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一種或幾種的組合，且溝道層5和勢皇層6形成異質(zhì)結(jié)
[0016]本發(fā)明的有益效果為，一方面，反向阻斷狀態(tài)下絕緣柵極結(jié)構(gòu)可以有效地改善器件電流阻擋層與緩沖層界面處的電場集中效應(yīng)，同時(shí)在絕緣柵極結(jié)構(gòu)末端處引入新的電場尖峰，使器件電場分布更加均勻，從而提高器件的關(guān)態(tài)擊穿電壓；另一方面，正向?qū)顟B(tài)下絕緣柵極結(jié)構(gòu)側(cè)壁處形成高濃度的電子積累層，大大地降低了器件的導(dǎo)通電阻，從而保證了器件具有很好的正向電流驅(qū)動(dòng)能力。
【附圖說明】
[0017]圖1是常規(guī)橫向HEMT器件結(jié)構(gòu)。
[0018]圖2是常規(guī)垂直HEMT器件結(jié)構(gòu)。
[0019]圖3是本發(fā)明提出的積累型垂直HEMT器件結(jié)構(gòu)。
[0020]圖4是本發(fā)明提出的具有階梯形狀柵介質(zhì)的積累型垂直HEMT器件結(jié)構(gòu)。
[0021]圖5是本發(fā)明提出的具有分裂絕緣柵極結(jié)構(gòu)積累型垂直HEMT器件結(jié)構(gòu)。
[0022]圖6是本發(fā)明提出具有多層P型電流阻擋層的積累型垂直HEMT器件結(jié)構(gòu)。
[0023]圖7是本發(fā)明提出的緩沖層采用分段摻雜的積累型垂直HEMT器件結(jié)構(gòu)。
[0024]圖8是本發(fā)明提出的柵下勢皇層部分刻蝕的積累型垂直HEMT器件結(jié)構(gòu)。
[0025]圖9是本發(fā)明提出的柵下勢皇層全部刻蝕的積累型垂直HEMT器件結(jié)構(gòu)。
[0026]圖10是本發(fā)明提出的積累型垂直HEMT器件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)垂直HEMT結(jié)構(gòu)的反向耐壓電場分布比較圖。
[0027]圖11是本發(fā)明提出的積累型垂直HEMT器件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)垂直HEMT結(jié)構(gòu)的輸出曲線比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0029]圖3示出了一種積累型垂直HEMT器件的全元胞結(jié)構(gòu)示意圖。本例器件包括:
[0030]所述器件包括從下至上依次層疊設(shè)置的漏電極1、襯底2、緩沖層3、溝道層5和勢皇層6，所述勢皇層6上表面兩端設(shè)置有源電極7;所述勢皇層6上表面中部設(shè)置有絕緣柵極結(jié)構(gòu);所述源電極7與絕緣柵極結(jié)構(gòu)之間的勢皇層6上表面具有介質(zhì)鈍化層10;其特征在于，所述襯底2、緩沖層3、溝道層5為N型摻雜;所述電流阻擋層4為P型摻雜;所述緩沖層3中存在阻擋層4;所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)的中部沿垂直方向向下延伸，依次貫穿勢皇層6、溝道層5和阻擋層4并延伸入緩沖層3中，絕緣柵極結(jié)構(gòu)位于勢皇層6上表面的部分及向下延伸的部分形成“T”型結(jié)構(gòu);所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)由絕緣柵介質(zhì)8和被絕緣柵介質(zhì)8包圍柵電極9構(gòu)成;所述阻擋層4位于絕緣柵介質(zhì)8的兩側(cè)，且與絕緣柵介質(zhì)8之間具有間距，此間距并形成電流孔徑；所述源電極I和漏電極7為歐姆接觸。
[0031]本發(fā)明提供的積累型垂直HEMT器件緩解了傳統(tǒng)垂直HEMT器件耐壓與導(dǎo)通電阻的矛盾關(guān)系。反向阻斷狀態(tài)下，絕緣柵極結(jié)構(gòu)可以有效地改善器件電流阻擋層與緩沖層界面處的電場集中效應(yīng)，同時(shí)在絕緣柵極結(jié)構(gòu)末端處引入新的電場尖峰，使器件電場分布更加均勻，從而提高器件的關(guān)態(tài)擊穿電壓;正向?qū)顟B(tài)下，在正的柵壓作用下，絕緣柵極結(jié)構(gòu)側(cè)壁處形成高濃度的電子積累層，形成電子的低阻通道，大大地降低了器件的導(dǎo)通電阻，從而保證了器件具有很好的正向電流驅(qū)動(dòng)能力。
[0032]實(shí)施例2
[0033]與實(shí)施例1相比，本例器件的絕緣柵介質(zhì)8呈現(xiàn)階梯形狀，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，如圖4所示。階梯形狀的絕緣柵介質(zhì)8的引入可以有效地減小柵電容，提高器件的動(dòng)態(tài)性能，但柵的積累效果會(huì)受到削弱。
[0034]實(shí)施例3
[0035]與實(shí)施例1相比，本例器件的絕緣柵極結(jié)構(gòu)為分裂絕緣柵極結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例I相同，如圖5所示。采用分裂絕緣柵電極結(jié)構(gòu)，可以有效地降低柵-漏電容，從而提高器件的動(dòng)態(tài)性能；同時(shí)在柵電極91和分裂柵電極92的界面處引入新的電場尖峰，從而改善漂移區(qū)電場分布，提高器件耐壓。此外，分裂柵電極92的電位可以為正電位、負(fù)電位、或者零電位。
[0036]實(shí)施例4
[0037]與實(shí)施例1相比，本例器件的電流阻擋層4由多層在豎直方向上相互平行且大小相同的P型摻雜阻擋層構(gòu)成，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，如圖6所示。多層P型摻雜阻擋層的引入可以有效地改善緩沖層的電場分布，提高平均電場強(qiáng)度，提高器件耐壓;此外，由于P型摻雜阻擋層對緩沖層的耗盡作用，可在一定程度上提高緩沖層的摻雜濃度，從而降低器件的導(dǎo)通電阻，提高正向電流輸出能力。
[0038]實(shí)施例5
[0039]與實(shí)施例1相比，本例器件的緩沖層3采用分段摻雜，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，如圖7所示。緩沖層采用分段摻雜可以可以有效地優(yōu)化緩沖層的電場分布，并在摻雜分界面引入新的電場尖峰，從而提高器件耐壓。
[0040]實(shí)施例6
[0041]與實(shí)施例1相比，本例器件的柵下勢皇層6采取全部刻蝕，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，如圖8所示。柵下勢皇層采取全部刻蝕能夠有效地耗盡柵極下方2DEG濃度，極大地提高閾值電壓，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型，但是柵下勢皇層全部刻蝕會(huì)對緩沖層界面造成損傷，影響器件的電學(xué)性能。
[0042]實(shí)施例7
[0043]與實(shí)施例1相比，本例器件的柵下勢皇層6采取部分刻蝕，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，如圖9所示。與實(shí)施例6相比，柵下勢皇層部分刻蝕可在一定程度上避免因刻蝕所造成的界面損傷。
[0044]本發(fā)明的上述幾種實(shí)施例所描述的積累型垂直HEMT器件，可以采用GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一種或幾種的組合作為襯底2、緩沖層3電流阻擋層4、溝道層5和勢皇層6的材料;對于鈍化層10，業(yè)界常用的材料為SiNx，也可采用Al2O3, AlN等介質(zhì)材料，絕緣柵介質(zhì)8可采用與鈍化層相同的材料;源電極7、漏電極I 一般采用金屬合金，常用的有Ti/Al/Ni/Au或Mo/Al/Mo/Au等;柵電極9 一般采用功函數(shù)較大的金屬合金，例如Ni/Au或Ti/Au等。
[0045 ]圖1O、圖11分別是本發(fā)明提出的積累型垂直HEMT器件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)垂直HEMT結(jié)構(gòu)的反向耐壓時(shí)電場分布比較圖和輸出曲線比較圖。采用Sentaurus TCAD軟件進(jìn)行仿真，兩種結(jié)構(gòu)在器件縱向尺寸均為Ι?μπι，橫向尺寸均為4μπι，緩沖層厚度均為9.5μπι的條件下，本發(fā)明所提出的結(jié)構(gòu)的擊穿電壓從傳統(tǒng)垂直HEMT的585V提高到1848V，擊穿電壓提高215 % ;本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電阻從傳統(tǒng)垂直HEMT的1.86mΩ.cm2降低至0.83mΩ.cm2，導(dǎo)通電阻降低124 %。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種積累型垂直HEMT器件，包括從下至上依次層疊設(shè)置的漏電極(1)、襯底(2)、緩沖層(3)、溝道層(5)和勢皇層(6)，所述勢皇層(6)上表面兩端設(shè)置有源電極(7);所述勢皇層(6)上表面中部設(shè)置有絕緣柵極結(jié)構(gòu);所述源電極(7)與絕緣柵極結(jié)構(gòu)之間的勢皇層(6)上表面具有介質(zhì)鈍化層(10);其特征在于，所述襯底(2)、緩沖層(3)、溝道層(5)為N型摻雜;所述緩沖層(3)中存在電流阻擋層(4)，所述阻擋層(4)為P型摻雜;所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)的中部沿垂直方向向下延伸，依次貫穿勢皇層(6)、溝道層(5)和阻擋層(4)并延伸入緩沖層(3)中，絕緣柵極結(jié)構(gòu)位于勢皇層(6)上表面的部分及向下延伸的部分形成“T”型結(jié)構(gòu);所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)由絕緣柵介質(zhì)(8)和被絕緣柵介質(zhì)(8)包圍柵電極(9)構(gòu)成;所述阻擋層(4)位于絕緣柵介質(zhì)(8)的兩側(cè)，且與絕緣柵介質(zhì)(8)之間具有間距，此間距并形成電流孔徑;所述源電極(1)和漏電極(7)為歐姆接觸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種積累型垂直HEMT器件，其特征在于，所述絕緣柵介質(zhì)(8)的橫向?qū)挾葟纳现料轮饾u增加。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種積累型垂直HEMT器件，其特征在于，所述柵電極(9)由第一柵電極(91)和第二柵電極(92)構(gòu)成，形成分裂柵，第一柵電極(91)位于第二柵電極(92)上方，且第一柵電極(91)和第二柵電極(92)之間被絕緣柵介質(zhì)(8)隔離;所述第二柵電極(92)所接電位為正電位、負(fù)電位或者零電位。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的一種積累型垂直HEMT器件，其特征在于，所述電流阻擋層(4)由多層在垂直方向上相互平行的P型摻雜阻擋層構(gòu)成。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種積累型垂直HEMT器件，其特征在于，所述緩沖層(3)的摻雜方式為均勻摻雜、縱向分段階梯摻雜和縱向線性摻雜中的一種。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種積累型垂直HEMT器件，其特征在于，所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)位于勢皇層(6)上表面的部分，從表面垂直向下延伸入勢皇層(6)中。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種積累型垂直HEMT器件，其特征在于，所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)位于勢皇層(6)上表面的部分，從表面垂直向下延伸入勢皇層(6)中，并與溝道層(5)的上表面連接。8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任意一項(xiàng)所述的一種積累型垂直HEMT器件，所述絕緣柵介質(zhì)(8)采用的材料為Al2O3、Hf O2、S12—種或幾種的組合。9.根據(jù)權(quán)利要求8任意一項(xiàng)所述的一種積累型垂直HEMT器件，其特征在于，所述襯底(2)、緩沖層(3)、電流阻擋層(4)、溝道層(5)和勢皇層(6)材料為6&1411416&111^&1InAlN中的一種或幾種的組合，且溝道層(5)和勢皇層(6)形成異質(zhì)結(jié)。
【文檔編號】H01L29/778GK105845724SQ201610432032
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月17日
【發(fā)明人】羅小蓉, 楊超, 吳俊峰, 彭富, 魏杰, 鄧思宇, 張波
【申請人】電子科技大學(xué)