一種降低漏電流的GaN器件的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種降低漏電流的GaN器件，涉及GaN功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。該GaN器件自下而上依次包括襯底、AlN緩沖層、非摻雜GaN外延層、高摻雜AlGaN勢壘層、高介電常數(shù)介質(zhì)材料層和復(fù)合介質(zhì)材料層；所述非摻雜GaN外延層和高介電常數(shù)介質(zhì)材料層之間設(shè)有注入?yún)^(qū)，所述高介電常數(shù)介質(zhì)材料層和復(fù)合介質(zhì)材料層刻蝕并淀積有源漏電極，所述復(fù)合介質(zhì)材料層刻蝕并淀積有柵電極。該GaN器件具有性能好、可靠性高等特性，進(jìn)而使GaN器件可在高壓大功率電力電子領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。
【專利說明】
一種降低漏電流的GaN器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實(shí)用新型涉及GaN功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN具有禁帶寬度寬、臨界擊穿電場強(qiáng)度大、飽和電子漂移速度高、介電常數(shù)小以及良好的溫度特性和抗輻照能力良好等特點(diǎn)，特別是基于GaN的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)具有更高的電子迀移率，使得GaN器件具有低的導(dǎo)通電阻、高的工作頻率，能滿足下一代電力電子系統(tǒng)對功率器件更大功率、更高頻率、更小體積和更高溫工作的要求，在汽車電子、光伏逆變、白色家電等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]傳統(tǒng)GaN器件工藝制備中，由于是在歐姆接觸等高溫工藝完成后，采用二氧化硅或氮化硅材料直接在GaN材料表面進(jìn)行鈍化，因此在界面處存在較多缺陷，從而引入大量的界面電荷和界面態(tài)，這就成為了漏電的通道，從而產(chǎn)生了關(guān)態(tài)時漏源電極之間漏電流大和柵極漏電大等問題，降低了 GaN器件的擊穿電壓，嚴(yán)重影響了器件性能和可靠性，限制了 GaN器件在高壓、大電流等電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種降低漏電流的GaN器件，該GaN器件通過生長一層高介電常數(shù)材料層，降低界面態(tài)，抑制表面漏電流，從而降低GaN器件源漏關(guān)態(tài)漏電流，進(jìn)而使GaN器件可在高壓大功率電力電子領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是:一種降低漏電流的GaN器件，該GaN器件自下而上依次包括襯底、AlN緩沖層、非摻雜GaN外延層、摻雜AlGaN勢皇層、高介電常數(shù)介質(zhì)材料層和復(fù)合介質(zhì)材料層;所述非摻雜GaN外延層和高介電常數(shù)介質(zhì)材料層之間設(shè)有注入?yún)^(qū)，所述高介電常數(shù)介質(zhì)材料層和復(fù)合介質(zhì)材料層刻蝕并淀積有源漏電極，所述復(fù)合介質(zhì)材料層刻蝕并淀積有柵電極。
[0006]進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案為襯底可以為藍(lán)寶石、SiC或者Si，非摻雜GaN外延層厚度為1-3μπι，摻雜AlGaN勢皇層厚度為20nm，Al組分為20%，摻雜濃度2_3 X 118Cnf3。
[0007]進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案為所述注入?yún)^(qū)注入的離子為Al+、He+。
[0008]進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案為所述高介電常數(shù)介質(zhì)材料層為氧化鋁或者氧化鉿，厚度范圍為l-3nm;并采用原子層淀積的方法生長。
[0009]進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案為所述復(fù)合介質(zhì)材料層為二氧化硅和氮化硅，厚度范圍為50-100nm，并采用低壓化學(xué)氣相淀積的方法生長。
[0010]進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案為所述源漏電極的電極材料為Ti/Al/Ni/Au或Ti/W/Pt/Au0
[0011 ]進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案為所述柵電極的電極材料為Ni/Au。
[0012]采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:本實(shí)用新型的GaN器件制備工藝簡單，易實(shí)現(xiàn)，并且與現(xiàn)有GaN工藝兼容，不會增加額外的成本，GaN器件的制備過程中，在歐姆接觸等高溫工藝之前，通過生長一層超薄高介電常數(shù)材料并進(jìn)行退火，可以降低界面態(tài)，抑制表面漏電流，從而降低GaN器件源漏關(guān)態(tài)漏電流，同時，這層超薄高介電常數(shù)還可以降低柵極漏電流;可提高器件的性能和可靠性，使GaN器件在高壓大功率的電力電子領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0013]圖1是本實(shí)用新型GaN器件結(jié)構(gòu)不意圖；
[0014]圖2是圖1的GaN器件的擊穿曲線圖；
[0015]其中，I襯底，2 AlN緩沖層，3非摻雜GaN外延層，4摻雜AlGaN勢皇層，5注入?yún)^(qū)，6高介電常數(shù)介質(zhì)材料層，7復(fù)合介質(zhì)材料層，8源漏電極，9柵電極。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。在圖中，為了方便說明，放大或縮小了層和區(qū)域的厚度，所示尺寸比例并不代表實(shí)際尺寸比例關(guān)系。盡管這些圖并不能準(zhǔn)確的反應(yīng)器件的實(shí)際尺寸，但是它們還是完整反應(yīng)了各個區(qū)域和結(jié)構(gòu)之間的相互位置關(guān)系。
[0017]如圖1所示，本實(shí)用新型是一種降低漏電流的GaN器件，該GaN器件自下而上依次包括襯底1、A1N緩沖層2、非摻雜GaN外延層3、摻雜AlGaN勢皇層4、高介電常數(shù)介質(zhì)材料層6和復(fù)合介質(zhì)材料層7;所述非摻雜GaN外延層3和高介電常數(shù)介質(zhì)材料層6之間設(shè)有注入?yún)^(qū)5，所述高介電常數(shù)介質(zhì)材料層6和復(fù)合介質(zhì)材料層7刻蝕并淀積有源漏電極8，所述復(fù)合介質(zhì)材料層7刻蝕并淀積有柵電極9。
[0018]進(jìn)一步優(yōu)化的實(shí)施例為襯底I可以為藍(lán)寶石、SiC或者Si，非摻雜GaN外延層3厚度為1-3μπι，摻雜AlGaN勢皇層4厚度為20nm，Al組分為20%，摻雜濃度2_3 X 118Cnf3。
[0019]進(jìn)一步優(yōu)化的實(shí)施例為所述注入?yún)^(qū)5注入的離子為Al'He+，通過臺面光刻，在摻雜AlGaN勢皇層4上注入?yún)^(qū)5進(jìn)行臺面注入隔離，注入離子為Al'He+。
[0020]進(jìn)一步優(yōu)化的實(shí)施例為所述高介電常數(shù)介質(zhì)材料層6為氧化鋁或者氧化鉿，厚度范圍為l-3nm;并采用原子層淀積的方法生長。
[0021]原子層淀積氧化鋁時，選用三甲基鋁(TMA)和水(H2O)作為金屬源和氧源，反應(yīng)溫度為200-3000C，氣壓5-10托，單步反應(yīng)時間10ms，總共反應(yīng)15_20個周期。
[0022]原子層淀積氧化鉿時，選用四乙基甲基氨基鉿(TEMAH)和水(H2O)作為金屬源和氧源，反應(yīng)溫度為200-3000C，氣壓5-10托，單步反應(yīng)時間300ms，總共反應(yīng)15_20個周期。
[0023]進(jìn)一步優(yōu)化的實(shí)施例為所述復(fù)合介質(zhì)材料層7為二氧化硅和氮化硅，厚度范圍為50-100nm，并采用低壓化學(xué)氣相淀積的方法生長。
[0024]其中二氧化硅采用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)的方法生長，反應(yīng)氣體為硅烷和氧氣，生長溫度為300-450°C，工作壓力為0-1托，生長厚度10-50nm。氮化硅同樣采用LPCVD的方法生長，反應(yīng)氣體為二氯甲硅烷(SiH2Cl2)與氨氣(NH3),生長溫度為700-800 °C，工作壓力為0-1托，生長厚度20-50nm。
[0025]進(jìn)一步優(yōu)化的實(shí)施例為所述源漏電極8的電極材料為Ti/Al/Ni/Au或Ti/W/Pt/Au。
[0026]刻蝕復(fù)合介質(zhì)材料層7和高介電常數(shù)介質(zhì)材料層6，刻蝕出源漏電極通孔，淀積金屬形成源漏電極8;
[0027]采用干法刻蝕(SF6+ 02)工藝刻蝕復(fù)合介質(zhì)材料層7和高介電常數(shù)材料層6，形成源漏電極通孔。在干法刻蝕工藝步驟中，需要調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的組分，以控制刻蝕速率和選擇比。
[0028]源漏電極8可以為傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件歐姆接觸電極材料，如鈦、鋁、鉑、金等金屬或者它們之間的合金。其制作工藝可以采用真空蒸發(fā)、磁控濺射、電子束蒸發(fā)等多種工藝。
[0029]進(jìn)一步優(yōu)化的實(shí)施例為所述柵電極9的電極材料為Ni/Au。光刻并刻蝕復(fù)合介質(zhì)材料層7，刻蝕出柵極槽，淀積金屬形成柵電極9;
[0030]采用干法刻蝕(SF6+ 02)工藝刻蝕復(fù)合介質(zhì)材料層7，形成柵極槽;在干法刻蝕工藝步驟中，需要調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的組分，以控制刻蝕速率和選擇比，同時要求精確控制刻蝕時間，避免過刻蝕。
[0031]柵電極9可以為傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件肖特基接觸電極材料，如鎳、鉑、金等金屬或者它們之間的合金。其制作工藝可以采用真空蒸發(fā)、磁控濺射、電子束蒸發(fā)等多種工藝。
[0032]對于原子層淀積:
[0033]與其他薄膜淀積方式相比，原子層淀積能夠精確控制薄膜的厚度和組分。同時淀積薄膜與襯底有陡直的界面，能夠在大面積上淀積厚度均勻、無晶粒晶界及保形性優(yōu)良的超薄薄膜。此外原子層淀積技術(shù)所需的工藝溫度遠(yuǎn)低于其他化學(xué)氣相淀積方法，一般都在400°C以下，可以在相對低的工藝溫度下生長高質(zhì)量的薄膜，是一種非常有前景的薄膜制備方法。
[0034]原子層淀積是一種氣-固相反應(yīng)，每一步的生長都是自限制，最大特點(diǎn)是每個步驟僅生長一個單原子層。原子層淀積具有很好的三維保形性，100%臺階覆蓋，良好的厚度均勻性，大面積淀積下薄膜無針孔，低缺陷密度，很好的粘附性，低應(yīng)力，對襯底無損傷，生產(chǎn)效率高，低成本等優(yōu)點(diǎn)，其薄膜質(zhì)量遠(yuǎn)高于濺射，和電子束蒸發(fā)所獲得的Al2O3t3并且原子層淀積Al2O3能夠與AlGaN形成高質(zhì)量的Al203/AlGaN界面，可以作為良好的鈍化介質(zhì)。另外Al2O3還具有大禁帶寬度(9eV)，高介電常數(shù)(?9)，高擊穿電場(8MV/cm)，很好的熱穩(wěn)定性(在1000°C高溫下仍保持無定型)，與AlGaN之間有很好的化學(xué)穩(wěn)定性(相互之間無擴(kuò)散)的優(yōu)點(diǎn)。原子層淀積在控制薄膜的均勻性、厚度、以及介質(zhì)質(zhì)量等方面有較大優(yōu)勢，是目前生長高介電常數(shù)介質(zhì)最好的方法之一。
[0035]圖2是采用本實(shí)用新型GaN功率開關(guān)器件的電壓擊穿曲線，柵極施加負(fù)電壓使器件關(guān)斷，漏極施加高壓，源極接地，測得的電流為器件的關(guān)態(tài)漏電流。從圖2中可以看出，淀積超薄氧化鋁介質(zhì)層后，器件漏電流明顯降低，同時擊穿電壓得到了提高。
[0036]對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本實(shí)用新型。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實(shí)用新型的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本實(shí)用新型將不會被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種降低漏電流的GaN器件，其特征在于:該GaN器件自下而上依次包括襯底(I)、AlN緩沖層(2)、非摻雜GaN外延層(3)、摻雜AlGaN勢皇層(4)、高介電常數(shù)介質(zhì)材料層(6)和復(fù)合介質(zhì)材料層(7);所述非摻雜GaN外延層(3)和高介電常數(shù)介質(zhì)材料層(6)之間設(shè)有注入?yún)^(qū)(5)，所述高介電常數(shù)介質(zhì)材料層(6)和復(fù)合介質(zhì)材料層(7)刻蝕并淀積有源漏電極(8)，所述復(fù)合介質(zhì)材料層(7 )刻蝕并淀積有柵電極(9 )。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低漏電流的GaN器件，其特征在于:襯底(I)可以為藍(lán)寶石、SiC或者Si，非摻雜GaN外延層(3)厚度為1-3μπι，摻雜AlGaN勢皇層(4)厚度為20nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低漏電流的GaN器件，其特征在于:所述注入?yún)^(qū)(5)為P型注入?yún)^(qū)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低漏電流的GaN器件，其特征在于:所述高介電常數(shù)介質(zhì)材料層(6 )為氧化鋁或者氧化鉿，厚度范圍為1-3nm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低漏電流的GaN器件，其特征在于:所述復(fù)合介質(zhì)材料層(7)為二氧化硅和氮化硅，厚度范圍為50-100nm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低漏電流的GaN器件，其特征在于:所述源漏電極(8)的電極材料為鈦、鋁、鎳、金、鎢或鉑金屬。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低漏電流的GaN器件，其特征在于:所述柵電極(9)的電極材料為鎳或金。
【文檔編號】H01L29/772GK205542792SQ201521094175
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年12月26日
【發(fā)明人】王敬軒, 王永維, 王勇
【申請人】中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所