一种氮化鎵基异质结场效应晶体管结构制造技术

本发明专利技术涉及一种氮化鎵基异质结场效应晶体管结构，包括以下特征：氮化鎵基异质结材料中的宽禁带材料(如势垒层AlGaN)与窄禁带材料GaN形成I型异质结，外延层表面有源极，栅极和漏极，其中至少有一P型区域被放置在源区内周围附近，这P型区域从半导体外延层表面延续至氮化鎵表面之下，深度大于0.1微米，源极金属与P型区域的接触部分为金属/P型区的欧姆接触或接近欧姆接触，与非P型区域外延层表面接触为金属/氮化鎵帽层或是金属/AlGaN层的N型欧姆接触，源极金属透过这P型区域能使器件有效地接走在击穿时所产生的电子空穴对中的空穴从而使得器件可以安全地被使用。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化鎵基异质结场效应晶体管结构
本专利技术涉及一种氮化鎵基异质结场效应晶体管结构，更具体地说是涉及一种氮化鎵基异质结的高电子迁移率场效应晶体管半导体器件结构。
技术介绍
碳化硅和氮化镓被誉为第三代半导体，它们将为半导体带来技术性的革命。之前，这些宽禁带半导体已被研发了数拾年，一直至2002年左右，英飞凌公司推出600V的肖特基二极管，宣布碳化硅正式开始提供有实用价值的产品。之后，栅控场效应碳化硅晶体管也开始投放市场，从事碳化硅功率器件有关的生产厂家也愈来愈多，就产品技术方面来看，当时期的碳化硅是比氮化镓成熟，然而氮化镓没有停下研发步伐，於2008年左右，一些公司如美国的IR，美国的Transform，日本的东芝也开始相继提供氮化镓功率器件的样品。之后，美国的EPC，日本的富士通，松下，Rohm，接着有ST，Onsemi和Ti等公司也相继推出他们的氮化鎵产品。在这些公司的推动下，整个氮化鎵功率器件的生态环境大为改善，从氮化镓的外延，工艺制作，封装，驱动集成电路和应用等方面都日趋成熟。一般认为，从现在的情况来看，击穿电压在1200伏或以下的宽禁带半导体器件市场，将会是GaNHEMT为主导，大于1200伏的则是碳化硅的天下。氮化镓(GaN)是宽禁带半导体材料，比硅有更大的击穿电场特性，也有高的电子饱和漂移速度，总的来说，GaN是可以用來制造高频和高压大功率半导体器件的优良材料。氮化镓(GaN)基异质结材料是延续了GaN材料的高击穿电场、高电子饱和漂移速度等优点。AlGaN/GaN是GaN基异质结材料中的主要结构代表，其中AlGaN为宽禁带材料，GaN为窄带材料，两者形成I型异质结，二维电子气(2DEG)位于异质结界面的GaN一侧，是目前氮化镓半导体材料和器件研究领域中的热点。由于氮化镓(GaN)单晶衬底过于昂贵和不成熟，一般(GaN)基器件是不使用垂直结构，而是使用横向结构的。用氮化鎵(GaN)制造的高压横向器件的结构一般如图1所示，由于氮化镓的掺杂工艺未成熟，尤其是P型掺杂，不容易控制，一直至今，图1的结构仍未有商业化的产品，相比之下，用AlGaN/GaN半导体材料形式成异质结，从而形成高电子迁移率晶体管(HEMT)器件，其基本结构如图2所示，与其它半导体材料，如AlGaAs/GaAs相比，AlGaN/GaN材料制造出的HEMT器件有更好的电学性能，因为用於制造器件的纤锌矿结构GaN为III族氮化物的六方晶体结构，是一种带隙宽并具有强压电、铁电性的半导体材料，这晶体结构缺少反演对称性，呈现很强的极化效应，包括自发极化和压电极化，压电系数比其它III-V族、II-VI族半导体材料大1个数量级以上，自发极化强度也很大，由于III族氮化物材料能隙相差悬殊，异质结构界面导带存在巨大能带偏移，形成深量子阱。基于强极化诱导作用和巨大能带偏移，III族氮化物异质结构界面可形成一强量子局域化的高浓度二维电子气系统。如典型的AlGaN/GaN异质结构，其AlGaN势垒层中压电极化强度为传统AlGaAs/GaAs异质结构中的5倍之多，高性能二维电子气具有极其重要的技术应用价值。AlGaN/GaN体系作为一典型的GaN基异质结构，在微波功率，高温电子器件和军事领域等具有极为重要的应用价值。功率器件一般可以承受高的反偏置电压和大的正向导通电流，不同的功率器件有不同的规格，其所能承受的反偏置电压和正向电流是不同的。纵向功率器件在区域结构上可分为有源区和终端区，终端区一般是在外围紧接着有源区的边缘。横向功率器件没有终端区，只有有源区，有源区为电流从高电压电极流至低电压电极的流动区域，所以，当横向器件处于反偏置时，有源区(即从高电压电极至低电压电极之间的区域)需要用来承受从高电压电极至低电压电极之间的反偏置电压，有顾及此，横向器件在设计上除了减少导通电阻，减少寄生电容等等，还要兼顾击穿电压的要求，在反偏置时，从高电压电极至低电压电极之间需要形成耗尽区来承受反偏置的电压，要承受相当的反偏置电压便要相当宽度的耗尽区，在耗尽区域中，半导体材料间的电荷要平衡，在耗尽时要求几乎没有净电荷残留，否则耗尽区便无法扩展开來承受施加其上的反偏置的电压。现时的氮化镓功率器件，有从低压(小于100伏)至高压(200伏至1200伏)的D-mode场效应晶体管，或E-mode场效应晶体管，或是高压(400伏至1200伏)的肖特基二极管，都是HEMT结构。这些器件的结构简单，相对于碳化硅来说，氮化镓的AlGaN/GaNHEMT的前序工艺较为容易，前序工艺从所指的是包括从外延层材料完成后至芯片割切之前。现时一般的常用的HEMT结构是不用掺杂N型区，也不用掺杂P型区，器件的典型横切面结构如图2所示。这些器件的导通电阻和开关特性都比硅器件好很多，具典型的第三代半导体器件的优异特性。可是，这些器件有一重大缺点，就是不论是源极，栅极还是漏极，没有一个电极能有效快速地接收在AlGaN/GaN之间在击穿时产生的空穴。在某些应用下，尤其是驱动马达时，器件是无法避免有瞬间是处于击穿状态的，在击穿时，器件内会产生大量的电子空穴对，在高压偏置下，电子会跑到漏极被欧姆接触的漏极吸收接走了，空穴卻停留在栅极和源极周围，因为图2的栅极和源极都无法有效迅速地接走空穴，在高压反偏置下，这些停留在栅极和源极周围的空穴会导致器件烧毁失效。现时很多氮化鎵器件是避开了会有击穿发生的应用，它们主要用作射频功率放大器或是功率因数校正(PFC)的应用，但是氮化鎵功率器件最终是要克服这问题的，要不然，它的应用前景会大受限制。
技术实现思路
本专利技术所揭示的AlGaN/GaNHEMT结构可以避免以上的缺点，能使器件不论因动态引起的还是靜态时发生的击穿，击穿时所产生的空穴都能被有效地接走，不会停留在器件內，从而使得器件可以安全地被使用在一些有击穿发生的应用，如驱动马达的应用。本专利技术所用的基本器件原理是使击穿发生在源极和栅极整个周围附近，避免击穿过早发生在某些局部的小区域内，然后透过放置在这周围的P型区域收集击穿时产生的电子空穴对中的空穴並把这些空穴传至源极金属。本专利技术在工艺上会透过离子注入或浸没式离子注入或外延层生长方法把P型区域引进在氮化镓表面上，在设计上会透过版图和工艺流程使场板和P型区域放置在恰当的地方，场版能使电场不过分集中在器件某一局部小范围而导致过早击穿，放置在源区内周围附近恰当位置的P型区域可以帮助有效地使电场均匀地分布，而且可以帮忙接收击穿时产生的电子空六对中的空穴。实施本专利技术有多种方案，以下是实施各方案的主要步骤。方案一：如图3所示，器件的栅极结构可以是多种不同的结构如平面型栅极或沟槽型栅极，栅极之上有场板，这场板使得栅极附近，尤其是靠近漏极的一边，的电场能较为均匀分布，P型区域被放置在源区内周围附近的恰当位置，这P型区域从半导体外延层表面延续至氮化鎵表面之下，深度大于0.1微米，源极金属与P型区域的接触部分为金属/P型区的欧姆接触或接近欧姆接触，与非P型区域外延层表面接触为金属/氮化鎵帽层或是金属/AlGaN层的N型欧姆接触。方案二：如图4所示，与方案一类同，不同之处是在P型区中至少有一部分区域，在其中的外延层氮化鎵之上的外延层AlGaN或是AlGaN/帽层氮化镓被清除掉，以至源金属在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化鎵基异质结场效应晶体管结构，包括以下特征：1.至少有一层宽禁带势垒层AlGaN与窄禁带材料GaN形成I型异质结，二维电子气(2DEG)位于异质结界面的GaN一侧；2.外延层表面有源极，栅极和漏极，栅极结构可以是平面型栅极或沟槽型栅极，源极和栅极之上可以有场板；3.其中至少有一P型区域被放置在源区内周围附近。

【技术特征摘要】
1.一种氮化鎵基异质结场效应晶体管结构，包括以下特征：1.至少有一层宽禁带势垒层AlGaN与窄禁带材料GaN形成I型异质结，二维电子气(2DEG)位于异质结界面的GaN一侧；2.外延层表面有源极，栅极和漏极，栅极结构可以是平面型栅极或沟槽型栅极，源极和栅极之上可以有场板；3.其中至少有一P型区域被放置在源区内周围附近。2.根据权利要求1之(1)所述的宽禁带势垒层AlGaN的厚度为10nm至50nm，窄禁带材料GaN为非故意掺杂的，其厚度为1um至5um。3.根据权利要求1之(3)所述的P型区域，其大小宽度为0.2um至5.0um，从半导体外延层表面延续至氮化鎵表面之下，深度大于0.1微米，源极金属与P型区域的接触部分为金属/P型区的欧姆接触或接近欧姆接触。4.根据权利要求1之(3)所述的P型区域，其特征在于所述的P型区域在工艺上是透过离子注入或是浸没式离子注入(PlasmaImmersionIonImplantation)或是外延层生长方法形成的。5.一种氮化鎵基异质结场效应晶体管结构，包括以下特征：1.至少有一层宽禁带势垒层AlGaN与窄禁带材料GaN形成I型异质结，二维电子气(2DEG)位于异质结界面的GaN一侧，其中宽禁带势垒层AlGaN的厚度为10nm至50nm，窄禁带材料GaN为非故意掺杂的，其厚度为1um至5um；2.外延层表面有源极，栅极和漏极，栅极结构可以是平面型栅极或沟槽型栅极，源极和栅极之上可以有场板；3.其中至少有一P型区域被放置在源区内周围附近；4.其中至少有一P型区域被放置在栅极与漏极之间而偏于靠近栅极，这部份分独立的P型区域是没有被连接到别的P型区域，也没有被连接至源极金属或栅极金属。6.根据权利要求5之(3)所述的P型区域，其大小宽度为0.2um至5.0um，从半导体外延层表面延续至氮化鎵表面之下，深度大于0.1微米，源极金属与P型区域的接触部分为金属/P型区的欧姆接触或接近欧姆接触。7.根据权利要求5之(3)所述的P型区域，其特征在于所述的P型区域在工艺上是透过离子注入或是浸没式离子注入(PlasmaImmersionIonImplantation)或是外延层生长...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄升晖，
申请(专利权)人：南京励盛半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32