AlGaN/GaN異質結場效應晶體管及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體器件，特別是涉及AlGaN/GaN異質結場效應晶體管及其制備方法。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)代社會中，電力電子技術不斷跟新發(fā)展，穩(wěn)壓器、整流器、逆變器等電力電子器件在日常生活中應用越來越廣泛，涉及高壓供電、電能管理、工廠自動化、機動車能源分配管理等諸多領域。二極管和開關器件是電力電子應用領域中不可或缺的組成部分。近年來，具有高頻、大電流、低功耗特性的肖特基二極管以其獨特的性能優(yōu)勢越來越引人注目。
[0003]傳統(tǒng)的功率型肖特基二極管主要是在硅(Si)基材料上制作。硅材料發(fā)展歷史悠久，硅單晶制備成本低、硅器件加工工藝成熟，因此硅基肖特基二極管的發(fā)展也是最為成熟的。但是，由于禁帶寬度、電子迀移率等材料特性的限制，硅基功率肖特基二極管的性能已經接近其理論極限，不能滿足當今高頻、高功率、高耐溫的需求。硅基肖特基二極管耐壓低、電流輸運能力有限、在高溫條件下對系統(tǒng)散熱要求苛刻，這造成了器件體積重量大、能耗大，不利于電力電子系統(tǒng)向集成化、小型化、節(jié)能化發(fā)展。
[0004]為了突破硅材料的自身限制，人們開始尋找具有更優(yōu)性能的材料，以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為代表的第三代寬禁帶半導體材料進入了人們視野。它們具有優(yōu)異的物理和化學性質，如禁帶寬度大、擊穿電場強度高、飽和電子漂移速度大、抗輻射能力強、化學穩(wěn)定性好等，特別適合制作高耐壓、高耐溫、高頻、大功率肖特基二極管器件。GaN材料另一突出的特點就是利用自身的極化效應，如圖1所示，在非摻雜的AlGaN/GaN就可以形成電子面密度達到1013cm 2量級的高濃度二維電子氣(2DEG-Two-dimens1nal electrongas)。2DEG面密度大、在溝道二維平面內迀移率高，利用這一特性制作的橫向導通的GaN肖特基二極管是目前最常見的，也是最有潛力的外延結構形式。
[0005]在傳統(tǒng)AlGaN/GaN場效應晶體管中，由于器件導通層在半導體外延結構的表面，當器件屬于關斷工作狀態(tài)時，器件的電場分布過于集中在外延層表面，限制了器件耐壓特性。因此，如何提升該器件結構的耐壓特性成為目前亟需解決的技術難點之一。
[0006]超結技術(Super Junct1n)是來源于Si基的功率絕緣柵場效應晶體管(M0SFET)，外延層中的η型柱和ρ型柱通過電荷補償原理將外延層中載流子濃度提高1個量級的同時，在反向耗盡狀態(tài)下，實現(xiàn)電場在外延層中的分布接近處處相等的理想狀態(tài)，使得外延層耐壓能力的最優(yōu)化。
[0007]在GaN材料中，也有類似的思想，如圖2所示，現(xiàn)有技術提出了一種基于超結結構的AlGaN/GaN異質結場效應晶體管。該發(fā)明的關鍵技術是通過離子注入的手段，在η型GaN層上形成ρ型GaN，從而實現(xiàn)超結結構(如圖2中所示44)。通過超結結構建立的電場垂直于柵極和漏極之間建立的電場，改變了電場的空間分布，降低了外延層中的電場最大值，因此相應提升了擊穿電壓。但目前現(xiàn)有科技文獻中還沒有該器件的制作數(shù)據(jù)報道，足以說明要實現(xiàn)這一器件的工藝難度之大。另外，通過離子注入手段實現(xiàn)Ρ-GaN將嚴重劣化外延層的晶體質量及外延層表面平整度，在此基礎上再生長形成的AlGaN/GaN異質結界面特性也會同時劣化，降低了 2DEG的導通能力，從而影響到器件的電流傳輸能力及穩(wěn)定性。
[0008]基于超結結構的垂直導通AlGaN/GaN異質結場效應晶體管結構也有類似器件的報道，如圖3所示。但該現(xiàn)有技術的原則上只是提出了一種理論設計結構，并沒有說明具體的器件實現(xiàn)制作方法。該器件結構外延工藝難度同樣很大，難以指導實際器件研發(fā)生產，與此同時，該結構中的柵極肖特基金屬在反向高壓情況下易擊穿，影響了器件耐壓性能的提升
[0009]從上述現(xiàn)有技術方案的研究分析，從橫向導通結構到垂直導通結構，超結的應用都體現(xiàn)出來，但是沒有形成比較易產業(yè)化生產的技術方案。主要的缺點有:1、工藝對晶體質量損傷較大，通過離子注入工藝實現(xiàn)的超結結構，由于十分靠近氮化鎵異質結有源區(qū)，對器件的電流傳輸能力影響較大，在提升耐壓的同時，犧牲了較大器件的輸出特性；2、器件結構復雜，實際器件工藝實施難度較大，不利于產業(yè)化推廣。

【發(fā)明內容】

[0010]基于此，有必要提供一種AlGaN/GaN異質結場效應晶體管及其制備方法。
[0011]—種AlGaN/GaN異質結場效應晶體管，包括柵極、源極、漏極、襯底、外延結構以及絕緣介質層，所述漏極、襯底、外延結構依次層疊設置；
[0012]所述外延結構包括依次層疊設置的η型GaN層、垂直超結層、溝道層以及勢皇層，其中，所述垂直超結層包括交替排列的輕摻雜P型GaN層和重摻雜η型GaN層，所述重摻雜η型GaN層的厚度較所述輕摻雜ρ型GaN層小，所述溝道層和勢皇層層疊于所述輕摻雜的ρ型GaN層之上；
[0013]所述源極設置于所述外延結構的側面，且一端延伸至所述勢皇層的上表面，另一端延伸至所述輕摻雜P型GaN層；
[0014]所述絕緣介質層設置于所述重摻雜η型GaN層之上，且端部延伸至所述勢皇層，由此阻擋導通時電子的流失，該絕緣介質層可與器件本身所需的鈍化層同時制備；
[0015]所述柵極設置于所述絕緣介質層之上，且端部延伸至所述勢皇層的上表面。
[0016]其中，本發(fā)明所述襯底可以為η摻雜的低阻硅、碳化硅或氮化鎵等，但并不局限于上述材料，只要能完成GaN外延材料生長、形成低阻導通的襯底材料都可以使用在本發(fā)明結構中。
[0017]在其中一個實施例中，所述輕摻雜ρ型GaN層的厚度范圍在1 μ m?10 μ m，所述重摻雜η型GaN層的厚度較所述輕摻雜ρ型GaN層的厚度小lOOnm?1 μ m。
[0018]所述輕摻雜ρ型GaN層的功能為電子阻擋層，器件處于反向耐壓工作狀態(tài)時與重摻雜η型GaN層形成相互耗盡層的超結結構，所述重摻雜η型GaN層在器件導通時作為電子的導通溝道，器件關斷時與輕摻雜P型GaN層形成相互耗盡層的超結結構，其生長厚度根據(jù)輕摻雜P型GaN層的厚度調控。
[0019]在其中一個實施例中，所述輕摻雜ρ型GaN層的摻雜濃度為1016?1017cm3，所述重摻雜η型GaN層的摻雜濃度為1017?10 19cm 3。
[0020]在其中一個實施例中，所述η型GaN層為輕摻雜η型GaN層，摻雜濃度為1016?1017cm 3，厚度范圍在1 μ m?20 μ m。輕摻雜η型GaN層的生長一方面提高上層GaN外延層晶體質量，另一方面可形成垂直導通時的電子漂移區(qū)。
[0021]在其中一個實施例中，所述絕緣介質層的材料為Si02、SiN、A1203、A1N、Hf02、MgO、Sc203、Ga203、AlHfOx、HfS1N中的任意一種或任意幾種組合，厚度為lnm?lOOnm。
[0022]在其中一個實施例中，所述溝道層為非摻雜的GaN層，厚度為lnm?500nm，由此形成高質量平坦的GaN溝道層以利于2DEG導通；所述勢皇層為非摻雜的AlGaN、AlN、AlInN層或其組合，厚度為lnm?50nm，可以調控不同組合厚度及組分以在勢皇層/溝道層界面形成高濃度、高迀移率的2DEG。
[0023]在其中一個實施例中，所述漏極和源極的材料分別任選自Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/Au合金；所述柵極的材料為Ni/Au合金、Pt/Au合金或Pd/Au合金。
[0024]在其中一個實施例中，所述垂直超結層包括兩個輕摻雜ρ型GaN層，以及位于兩個輕摻雜P型GaN層之間的重摻雜η型GaN層，所述源極對稱設置于所述外延結構相對的兩側面，且一