层结构竖直场效应晶体管及其制造方法技术

层结构III族氮化物竖直场效应晶体管，包括：基板；覆盖所述基板具有窗口,且用于部分暴露所述基板的掩膜层；在所述基板上从所述掩膜层的窗口外延生长出来的漏区；外延生长在所述漏区顶表面上的绝缘层；外延生长在所述绝缘层顶面上的源区；和外延生长在所述漏区，绝缘层和源区的侧面上的竖直氮化物叠层，它被置于所述掩膜层的上方，提供连接所述源区和所述漏区的导电通道。在所述竖直氮化物叠层的侧面施加电压，调制从所述源区到所述漏区的电流。还有所需的电极和边缘项。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】层结构竖直场效应晶体管及其制造方法
本专利技术涉及层结构半导体器件及其制造方法。
技术介绍
电力电子晶体管广泛用于各种邻域，例如移动电话网络，太阳能发电厂和电动汽车，用于改变电输出波形，例如，从DC(直流)到AC(交流)或从一个电压水平到另一个电压水平。这些晶体管需要在很宽的功率范围内工作，从移动手机的毫瓦量级到高压电力传输系统的数百兆瓦；有时需要工作在不同的频率，覆盖从无线电波到微波和毫米波。尽管在Si，SiC，砷化物和III族氮化物(GaN，AlN，InGaN，AlGaN等)晶体管的制造取得了进展，但这些器件各有优点和缺点。特别是现有器件还缺少在高电压(>1KV)和高能量密度下保持低损耗工作的能力。需要特别指出的是，在21世纪，人类在最优化电网中面临减少使用化石燃料和放射性材料的挑战。迄今为止，大规模地生产纯硅材料和硅太阳能电池，降低了太阳能电池板的成本，太阳能电站逐渐成为为全球电网的一部分。由太阳能电站产生的直流电必须使用逆变器高效率地变成三相交流电，或者使用升压器将电压提高到1200V以上，以减少电流，从而减少焦耳热。近年来，电动汽车(EV)和太阳能飞机的电力调控迫切需要类似的逆变器和升压器，即把电池的低直流电压(<40V)转换为大于1KV，或将直流电压转换为三相交流电来驱动电动机。对于电动汽车来说，这些电路可以占所有成本的四分之一。这些逆变器和升压器的转换效率取决于所使用的开关晶体管。这些晶体管必须满足以下要求：1)低能量损失使太阳能电站更具有经济效益，或使汽车或太阳能飞机能够行驶更长的距离；2)高击穿电压；3)在恶劣的操作环境下，具有可靠性和稳定性；4)内部包括有效的散热机制。然而，市场上出售的晶体管从来都不是理想的：1)Si绝缘栅双极晶体管(IGBT)已广泛用于逆变器/升压器模块。但是，它的主要缺点包括造成大的能量损失(>15％)，低击穿电压和低开关速率。2)由宽带隙SiC制成的晶体管(带隙：3.26eV)是迄今为止较好的。但SiC的生长技术还不成熟，晶圆成本预计在近几年内处于相同的水平(一般为400美元/片，2”或2000美元/片，4”)；此外，晶片含有微管和空心管等缺陷，它们被认为是SiC高功率、高压晶体管的致命缺陷。III-氮化物(如AlN和GaN)具有类似于SiC的性质，包括宽带隙，良好的导热性和高耐压。但它们与SiC不同。它们是极性材料，沿着一个称为C轴的方向具有自发极化。因此，对于具有C轴作为其表面法线的III族氮化物薄层而言，其顶部C面和底部C面不相等。从技术上讲，一个被称为III极面(以下称为III面或(0001)面，例如用于GaN的Ga面)，另一个被称为氮极面((000-1)面或N面)。但是，当C轴平行于薄晶片时，晶片通常称为非极性III-氮化物，因此C面、III-面和氮极面将与薄晶片的表面法线平行。在两种不同的C-平面III-氮化物(如Al0.25Ga0.75N/GaN和In0.36Al0.64N/GaN)的异质结处，，存在能量带和极化的不连续性。这些不连续性会导致高电子迁移率的电荷导电通道和二维电子气(2DEG)可由电场调制。因此，它们已经被用于形成场效应晶体管(FET)，也被称为高电子迁移率晶体管(HEMT)，其工作电流密度为1A/mm。但是这些晶体管的工作电压一般很低(<700V)。因此，已经尝试通过竖直结构设计来增加其击穿电压。Okada等人提出了一种基于GaNGa极性基层倾斜C平面上具有2DEG导电通道的竖直结构。但是由于倾斜的C平面，导电通道在生长过程中形成台阶，因此，通道的电子迁移率降低，形成高电阻。此外，Ben-Yaacov等人和Kanechika等人先后提出并展示了孔径垂直电子晶体管(CAVET)，其水平2DEG构成通道的一部分。源区由AlGaN/GaN异质结(即2DEG)组成，利用III族氮化绝缘物层，与漏区在竖直方向上分离开来。绝缘层包含有导电的Si:GaN材料的垂直孔型通道，与漏区一样。因此，电子可以沿着2DEG从源区进入导电通道，通过垂直孔型通道，最终在漏区收集。栅极位于孔型通道正上方，且大于孔型通道，用于调制2DEG导电通道中的电荷，以控制通过孔型通道的电流量。但是由于孔径生长在ICP(电感耦合等离子体)蚀刻表面上，这些晶体管常常表现出内部漏电，从而导致器件击穿。此外，显然这样的2DEG导电通道会在非极性基片III-面或N-面上垂直排列(即C方向是水平的)，正如Khalil等人所提出的(Pub.N0.:US2015/0014700A1)，仅作为从栅极到漏区的导电通道。另外，还有利用块状氮化物材料的高电子迁移率进行的设计。这些包括GaN结场效应晶体管(JFET)和竖直GaN沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。这些器件的高工作电压得益于竖直设计。但是，体状GaN的电子迁移率相对比较降低，导致器件电阻增加。因此，预计会出现较大的能源损耗。然而，InGaN的高电子迁移率尚未被利用。但是这些现有技术存在各种问题：首先，这些晶体管的制作过程通常包括在等离子体或化学蚀刻表面上进行III族氮化物MOVPE(金属有机气相外延)或MBE(分子束外延)的外延生长。因此，所得到的器件将具有高密度的缺陷，从而降低电子迁移率并增加漏电电流。其次，GaN和AlN晶片非常稀少且昂贵(约500美元/cm2)，不能满足该行业的需求。因此，必须使用诸如GaN/蓝宝石或GaN/SiC等低成本基片。但是，这些基片通常具有高浓度的缺陷，在形成高质量器件时必须避免这些缺陷。第三，现有的器件设计包括通过高电导、窄2DEG导电沟道(几纳米宽)与导电性较低的n型Si:GaN材料的连接来形成电流通道。因此，在器件运行过程中会产生“热点”，这可能会导致器件损坏。最后也是最重要的是，对于使用2DEG的场效应晶体管，在关闭状态下，在漏区侧的栅极边缘形成巨大的电场，可以通过表面缺陷诱发器件击穿。这种电场必须转移到介电强度高的区域。外延横向生长(ELOG)(在一些文献中，它被称为横向外延生长(LEO))用于生长低缺陷的III-氮化物已经是众所周知的方法，。它涉及使用诸如SO2或SixN的介质层作为掩膜层。这样掩膜层的某些区域被腐蚀掉，形成窗口式区域，露出III族氮化物基片的表面。因此，在生长期间，III族氮化物首先在开口窗口内部生长，然后不仅垂直生长，而且横向覆盖生长掩模。由于掩模阻挡缺陷的通过，在掩模上生长的III族氮化物具有很低的缺陷密度。该技术已成功用于蓝光激光二极管。然而，有实用价值的晶体管需要有不同导电特性的区域，所以尚未用于形成高质量晶体管。例如，晶体管的漏区和源区必须导电；它们之间的材料必须具有很高的电阻率，而用于连接它们的另一种材料必须具有较高的电子迁移率。因此，需要优化生长过程来避免“交叉沉积”，即高电阻材料不应该插入电流通路中，或者导电材料不能成为绝缘层的一部分。前者会局部增加串联电阻，导致热点，造成晶体管击穿；后者会导致漏电流，即晶体管不能关闭。此外，由于利用ELOG只能生长少量的材料，因此将其用于晶体管需要充分考虑。因此，如果能对生长和制造程序进行全面的考量，能够至少帮助解决上述的一些问题。专利技术内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种III族氮化物竖直场效应晶体管，包括：基板；掩膜层，覆盖所述基板并具有用于部分暴露所述基板的开口窗口；在所述的基板上，从所述生长掩膜的窗口外延生长出来的漏区，所述的漏区具有一个顶面和一个侧面；外延生长在所述漏区顶表面上的绝缘层，所述绝缘层具有一个顶面和一个侧面；外延生长在所述绝缘层顶面上的源区，所述源区具有一个顶面和一个侧面；外延生长在所述漏区，绝缘层和源区的侧面上的竖直氮化物叠层，置于所述掩膜层的上方，该叠层提供连接所述源区和所述漏区的导电通道。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.24 GB 1603187.41.一种III族氮化物竖直场效应晶体管，包括：基板；掩膜层，覆盖所述基板并具有用于部分暴露所述基板的开口窗口；在所述的基板上，从所述生长掩膜的窗口外延生长出来的漏区，所述的漏区具有一个顶面和一个侧面；外延生长在所述漏区顶表面上的绝缘层，所述绝缘层具有一个顶面和一个侧面；外延生长在所述绝缘层顶面上的源区，所述源区具有一个顶面和一个侧面；外延生长在所述漏区，绝缘层和源区的侧面上的竖直氮化物叠层，置于所述掩膜层的上方，该叠层提供连接所述源区和所述漏区的导电通道。2.根据权利要求1所述的竖直场效应晶体管，其中所述漏区至少部分地覆盖所述掩膜层。3.根据权利要求1所述的竖直场效应晶体管,所述基板在上部包括一层非极性InyAlxGa1-x-yN，其中0≤y≤0.4且0≤x≤0.2。4.根据权利要求3所述的竖直场效应晶体管,所述非极性InyAlxGa1-x-yN，的厚度在200纳米到10微米之间，n-型掺杂浓度在1×1017cm-3至3×1020cm-3之间。5.根据权利要求1所述的竖直场效应晶体管，所述的生长掩膜包括诸如SiO2，SixN，Ti，W，旋涂玻璃，旋涂电介质和可流动氧化物等中的至少一种。6.根据权利要求5所述的竖直场效应晶体管，从所述生长掩膜有矩形窗口，尺寸在5微米到500微米之间。7.根据权利要求1所述的竖直场效应晶体管，所述漏区高出所述生长掩膜100纳米。8.根据权利要求7所述的竖直场效应晶体管，其中所述漏区包括InyAlxGa1-x-yN中的至少一个，其中0≤y≤0.4且0≤x≤0.4。9.根据权利要求8所述的竖直场效应晶体管，其中所述InyAlxGa1-x-yN具有200nm至50μm的厚度和1×1017cm-3至3×1020cm-3的n型掺杂浓度。10.根据权利要求1所述的竖直场效应晶体管，其中所述绝缘层包括InyAlxGa1-x-yN中的至少一种材料，其中0≤y≤0.2且0≤x≤1，并且具有300nm至30μm的厚度。11.根据权利要求10所述的竖直场效应晶体管，其中所述绝缘层包括至少一层p型材料，掺杂浓度在1×1016cm-3至3×1020cm-3之间。12.根据权利要求1所述的竖直场效应晶体管，其中所述源区包括InyAlxGa1-x-yN中的至少一种材料，其中0≤y≤0.4,0≤x≤0.4。13.根据权利要求12所述的竖直场效应晶体管，其中所述InyAlxGa1-x-yN具有的厚度在200nm至50μm之间和n型掺杂浓度在1×1017cm-3至3×1020cm-3之间。14.根据权利要求1所述的竖直场效应晶体管，所述竖直氮化物叠层包括至少一层InyAlxGa1-x-yN，其中0≤y≤0.4,0≤x≤1，厚度：10nm至300nm，置于所述漏区，所述源区和所述绝缘层的侧面。15.根据权利要求14所述的竖直场效应晶体管，其中所述竖直氮化物叠层包括至少一层n型InxGa1-xN，其中0≤x≤0.4作为导电通道，其厚度在20nm至300nm之间，以及n型掺杂浓度在1×1015cm-3至1×1020cm-3之间。16.根据权利要求14所述的竖直场效应晶体管，当所的述漏区、缘层和源区包括非极性氮化物层时，其中所述竖直氮化物叠层提供至少一个竖直二维电子气导电沟道。，通过包括至少一层InyAlxGa1-x-yN，其中0≤y≤0.4,0≤x≤1x≤1，厚度在0.5nm到100nm之间。17.根据权利要求16所述的竖直场效应晶体...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜全忠，
申请(专利权)人：姜全忠，
类型：发明
国别省市：英国,GB