本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，尤其涉及一種垂直結(jié)構(gòu)GaN基增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法。

背景技術(shù)：

GaN材料作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表，與第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP半導(dǎo)體材料相比，具有禁帶寬度(E_g)大、電子飽和漂移速度(v_sat)高、遷移率(μ)高、熱導(dǎo)率(k)大、臨界電場(chǎng)(E_c)高、介電常數(shù)(ε)較小等特點(diǎn)，因此非常適合于制作耐高溫、耐高壓、大功率、低損耗、高密度集成的電力電子器件。

對(duì)于電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管，一般要求器件的閾值電壓大于3V，即為增強(qiáng)型器件，以保證電路的“失效安全”。此外，增強(qiáng)型器件的使用可以有效的簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，從而減少能量損耗以及降低噪音。如何實(shí)現(xiàn)“增強(qiáng)型”和提高器件的“閾值電壓”一直是人們研究的熱點(diǎn)，并且近年來(lái)已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展。

香港科技大學(xué)的陳敬等人在F^-離子注入方法的基礎(chǔ)上，同樣采用ALD方法淀積Al₂O₃作為柵極介質(zhì)層，制作出的增強(qiáng)型MISHFET的閾值電壓為5.1V，最大電流密度達(dá)到了500mA/mm，最大跨導(dǎo)為100mS/mm（參考文獻(xiàn)：Chang C T, Hsu T H, Chang E Y, Chen Y C. Trinh H D and Chen K J. Normally-off operation AlGaN/GaN MOS-HEMT with high threshold voltage. Electron. Lett., 2010, 46(18):1280-1282）。

日本名城大學(xué)的Sugiyama等人，在P-GaN/AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用氮化硅作為MIS柵介質(zhì)材料，形成復(fù)合型柵極結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)常關(guān)型器件的閾值電壓從+1V至+8V大幅度可調(diào)節(jié)(參考文獻(xiàn)：T. Sugiyama*, D. Iida, M. Iwaya, S. Kamiyama, H. Amano, and I. Akasaki. Threshold voltage control using SiN_x in normally off AlGaN/GaN HFET with p-GaN gate.Phys. Status Solidi C 7, No. 7–8,1980–1982 (2010) )。

上述均為橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在靠近柵極邊緣的電勢(shì)比較集中，電場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)峰值，因此器件在此處容易發(fā)生擊穿。增大柵-源距離在一定范圍內(nèi)可以提高擊穿電壓，但存在飽和現(xiàn)象，同時(shí)也增大了導(dǎo)通電阻。采用金屬與柵極或者源、漏極相連，可以形成柵場(chǎng)板或者源、漏場(chǎng)板。通過(guò)場(chǎng)板可以改變電極附近的電場(chǎng)分布，從而提高器件的耐壓能力。

采用縱向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)時(shí)，器件表面擊穿的概率大大降低，擊穿電壓會(huì)得到很大提升，但相關(guān)的研究報(bào)道較少。2009年，日本松下公司在源、柵雙場(chǎng)板的基礎(chǔ)上，采用通孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電，研制了擊穿電壓達(dá)到了10400V的器件。（參考文獻(xiàn)：Manabu Y, Yasuhiro U , Tetsuzo U , et al. Recent advances in GaN transistors for future emerging applications. Phys Stat Sol(a) , 2009 , 206(6) : 1221-1227）。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種器件結(jié)構(gòu)及工藝簡(jiǎn)單、擊穿電壓高、輸出電流密度大、漏電流小的垂直結(jié)構(gòu)GaN基增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種垂直結(jié)構(gòu)GaN基增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法，包括以下步驟：

A）依次在襯底上生長(zhǎng)緩沖層、i-GaN外延層、n-AlGaN層、n-AlN層；

B）在n-AlN層上淀積一層介質(zhì)掩蔽膜，光刻并通過(guò)腐蝕方法去除部分掩蔽膜，然后對(duì)未掩蔽區(qū)域進(jìn)行選擇性氧化，形成n-AlN氧化層，再去除剩余介質(zhì)掩蔽膜；

C）在n-AlN層及其氧化層上二次外延生長(zhǎng)i-GaN層與AlGaN層，形成AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)；

D）對(duì)n型AlN導(dǎo)電層上方的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)進(jìn)行等離子刻蝕，刻蝕深度進(jìn)入i-GaN再生長(zhǎng)層（即i-GaN二次外延生長(zhǎng)層），形成凹槽結(jié)構(gòu)；

E）在AlGaN再生長(zhǎng)層（即AlGaN二次外延生長(zhǎng)層）與凹槽結(jié)構(gòu)區(qū)域制作氧化層；

F）光刻漏極區(qū)域圖形，然后選擇性干法刻蝕半導(dǎo)體至n-AlGaN層;

G）光刻源極與漏極區(qū)域圖形，并通過(guò)濕法腐蝕去除源極區(qū)域氧化層，然后通過(guò)電子束蒸發(fā)金屬制作源極與漏極，并合金形成歐姆接觸；

H）再次光刻?hào)艠O區(qū)域圖形后蒸鍍金屬形成柵極。

步驟C中，在n-AlN層及其氧化層上二次外延生長(zhǎng)的材料可為含i-GaN層的GaN基單結(jié)或多結(jié)型異質(zhì)結(jié)、或者為含i-GaN層與n型重?fù)诫sGaN層構(gòu)成的同質(zhì)結(jié)。

步驟G中，通過(guò)蒸鍍形成源極與漏極，它們材質(zhì)為Ti/Al/Ni/Au、 Ti/Al/Pt/Au或Ti/Al/Mo/Au。

步驟H中，所述柵極金屬為Ni/Au、Pt/Au或Pd/Au。

由于器件的源極位于二次外延生長(zhǎng)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上，而漏極位于最初生長(zhǎng)的n-AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上，當(dāng)在柵極施加正向偏置電壓時(shí)，柵極下方n-AlN層為溝通提供導(dǎo)電電荷，漏極電流須經(jīng)過(guò)未氧化的n型AlN導(dǎo)電層流向源極，從而形成垂直導(dǎo)電的增強(qiáng)型器件。

該器件具有以下的特色與創(chuàng)新之處：

1）n-AlN氧化物的形成，對(duì)柵極電場(chǎng)可以起調(diào)制作用，并使導(dǎo)電溝道更遠(yuǎn)離器件表面，電流垂直導(dǎo)通，預(yù)期可能大幅度提高器件的耐壓能力。同時(shí)， n-AlN氧化物的存在也可能提高其下方異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的2DEG濃度，從而提升器件的大電流性能。

2）柵極區(qū)域下方的2DEG通過(guò)干法刻蝕被完全消除，所以器件理論上具有較高的閾值電壓。同時(shí)，閾值電壓通過(guò)調(diào)整刻蝕深度來(lái)控制。

3）柵極可采用圓形結(jié)構(gòu)，源極和漏極可采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，所以可形成大面積互聯(lián)的源、漏電極，從而極大提高單元器件的輸出電流，并且方便器件的封裝。

4）無(wú)掩膜二次外延生長(zhǎng)技術(shù)的使用，較之有介質(zhì)掩膜的選擇區(qū)域外延生長(zhǎng)，在材料質(zhì)量的提高上，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

附圖說(shuō)明

圖1（a）-（h）為本發(fā)明實(shí)施例1的器件工藝流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

實(shí)施例 1

圖1（h）為實(shí)施例1的器件結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)包括襯底層（1）、緩沖層（2）、非故意摻雜GaN（i-GaN）外延層（3）、n型AlGaN外延層（4）、n型AlN導(dǎo)電層（5）與n型AlN氧化隔離層（6）、i-GaN再生長(zhǎng)層（7）、AlGaN再生長(zhǎng)層（8）、柵極氧化層（9）、設(shè)置于（8）上的源極（10）、設(shè)置于（4）上的漏極（11）、設(shè)置于（9）上的柵極（12）。

上述垂直結(jié)構(gòu)GaN基增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造工藝流程如下：

A）如圖1（a）所示，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法，依次在襯底（1）上生長(zhǎng)緩沖層（2）、i-GaN外延層（3）、n-AlGaN層（4）、n-AlN層（5），外延生長(zhǎng)溫度在1050℃至1100℃之間，襯底（1）為藍(lán)寶石、硅、碳化硅或者氮化鎵之一，緩沖層（2）為AlN或者低溫GaN層；

B）如圖1（b）所示，在n-AlN層（5）上淀積一層介質(zhì)掩蔽膜，掩蔽膜可選用SiN或SiO₂，光刻并通過(guò)濕法腐蝕方法去除部分掩蔽膜，然后對(duì)未掩蔽區(qū)域進(jìn)行選擇性氧化，形成氧化層（6），再完全去除剩余介質(zhì)掩蔽膜；

C）如圖1（c）所示，在n-AlN層（5）及其氧化層（6）上二次外延生長(zhǎng)i-GaN層（7）與AlGaN層（8），形成AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)；

D）如圖1（d）所示，對(duì)n型AlN導(dǎo)電層（5）上方的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)進(jìn)行ICP等離子刻蝕，刻蝕深度進(jìn)入i-GaN再生長(zhǎng)層（7），形成凹槽結(jié)構(gòu)；

E）如圖1（e）所示，在AlGaN再生長(zhǎng)層（7）與凹槽結(jié)構(gòu)區(qū)域通過(guò)P ECVD或者原子層沉積方法制作氧化層（8）；

F）如圖1（f）所示，光刻漏極區(qū)域電極圖形，然后選擇性等離子體干法刻蝕半導(dǎo)體至n-AlGaN層（4）;

G）如圖1（g）所示，光刻源極與漏極區(qū)域電極圖形，并通過(guò)濕法腐蝕去除源極區(qū)域氧化層，然后通過(guò)電子束蒸發(fā)金屬制作源極（10）與漏極（11），并合金形成歐姆接觸；

H）如圖1（h）所示，再次光刻?hào)艠O區(qū)域圖形后蒸鍍金屬形成柵極（12），完成實(shí)施例 1的器件制作。

實(shí)施例 2

如圖2為實(shí)施例2的器件結(jié)構(gòu)示意圖。其與實(shí)施例1的器件結(jié)構(gòu)類似，區(qū)別僅在于制造工藝流程步驟C中，在n-AlN層（5）及其氧化層（6）上二次外延生長(zhǎng)了含有i-GaN層（7）與n⁺-GaN層（8）構(gòu)成的同質(zhì)結(jié)。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的垂直結(jié)構(gòu)GaN基增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。