GaN基超结型垂直功率晶体管及其制作方法技术

一种GaN基超结型垂直功率晶体管及其制作方法，该晶体管包括：N

GaN-based superjunction vertical power transistor and its fabrication method

A GaN-based superjunction vertical power transistor and its fabrication method comprise:

【技术实现步骤摘要】
GaN基超结型垂直功率晶体管及其制作方法
本公开属于半导体大功率器件
，涉及一种GaN基超结型垂直功率晶体管及其制作方法。
技术介绍
GaN基横向结构功率晶体管的工艺已日趋成熟，能够具备大尺寸、低成本以及良好的CMOS兼容性，但是较难获得很高的输出电流，而且不可避免的受到由表面态导致的高压电流崩塌等难题的困扰。常规GaN基垂直结构功率晶体管的耐压层由P-GaN-电流阻挡层(CBL，CurrentBlockingLayer)和单一N型轻掺杂层组成，耐压能力有限，同时由于击穿电压和导通电阻之间的折衷关系，为达到最优值势必会牺牲器件的性能。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种GaN基超结型垂直功率晶体管及其制作方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种GaN基超结型垂直功率晶体管，包括：N--GaN层2；P-GaN层2，作为电流阻挡层，形成于N-GaN层2之上，该P-GaN层2中具有栅极区域开窗；薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构，共形制作于电流阻挡层之上并填充栅极区域开窗的底部和侧壁；其中，该N-GaN层2中具有刻蚀槽102，该刻蚀槽102中完全填充或部分填充有第二P型GaN层9，在第二P型GaN层9的下方形成有N+-GaN层10，该N+-GaN层10与第二P型GaN层9及N-GaN层2均直接接触，形成一超结复合结构。在本公开的一些实施例中，GaN基超结型垂直功率晶体管，还包括：源极、漏极和栅极。在本公开的一些实施例中，栅极形成于薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构中填充栅极区域开窗的部分之上，该栅极包括栅介质层14和栅极金属层15；薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构内还制作有源极区域开窗，用于制作源极，该源极区域开窗的底部和侧壁填充有源极金属层11；N+-GaN层10下方还形成有漏极金属层12。在本公开的一些实施例中，源极金属层11的上方覆有绝缘材料；其中，该绝缘材料为复合层结构，该复合层结构包括：隔离层13和栅介质层14；栅极和源极之间区域的栅介质层14与薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构之间设置有钝化层7和隔离层13。在本公开的一些实施例中，薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构中栅极和源极之间的二维电子气通过位于栅极和源极之间的钝化层的钝化、或者钝化层与隔离层整体的钝化来恢复，所述钝化层的材料包括如下材料的一种或几种：SiNx、SiO2或者极性AlN。在本公开的一些实施例中，薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构中的Al(In，Ga)N势垒层为如下材料的一种或几种：三元合金，包括：AlGaN、AlInN或InGaN；四元合金：AlInGaN；该Al(In，Ga)N势垒层的厚度介于0.5nm～5nm。在本公开的一些实施例中，该第二P型GaN层9的浓度范围为：1016cm-3～1020cm-3。根据本公开的另一个方面，提供了一种GaN基超结型垂直功率晶体管的制作方法，包括：步骤S21：在一衬底1上外延生长N--GaN层2；步骤S22：在N--GaN层2上外延生长P-GaN层2，作为电流阻挡层；步骤S23：通过栅槽刻蚀技术在电流阻挡层2中制作栅极区域开窗101；步骤S24：在电流阻挡层2之上共形生长薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构，该异质结构填充栅极区域开窗101的底部和侧壁；步骤S25：在N--GaN层2中制作刻蚀槽；步骤S26：在刻蚀槽中完全填充或部分填充第二P型GaN层9；步骤S27：在第二P型GaN层9的下方制作N+-GaN层10，该N+-GaN层10与第二P型GaN层9及N-GaN层2均直接接触，形成一超结复合结构。在本公开的一些实施例中，步骤S25包括：在薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构上表面沉积第二介质层7，作为钝化层，在N--GaN层2或GaN衬底下表面沉积第三介质层8；利用第三介质层8作为掩膜层，在N--GaN层2中进行选区刻蚀制作刻蚀槽；步骤S27的步骤之后还包括步骤S28：制作源极、漏极和栅极，该步骤S28包括：采用栅槽刻蚀技术刻蚀掉源极区域的第二介质层、薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构至P-GaN层，得到源极区域开窗103；在源极区域开窗103的侧壁和底部沉积源极金属层11；在N+-GaN层10下方沉积漏极金属层12；在源极金属层12和第二介质层7的上方生长一层钝化保护层13，作为进行器件隔离的隔离层13；在器件的有源区利用高能离子注入进行隔离；采用栅槽刻蚀技术刻蚀掉栅极区域的隔离层13和第二介质层7至薄势垒层Al(In，Ga)N上表面；在薄势垒层Al(In，Ga)N上表面和隔离层13上表面共形生长栅介质层14；以及在栅介质层14上生长栅极金属15层。在本公开的一些实施例中，衬底为如下平面型衬底的一种或几种：Si衬底、SiC衬底、蓝宝石衬底或GaN体材料衬底；和/或，第二介质层和第三介质层采用LPCVD或PECVD制备，第二介质层和第三介质层的材料包括如下材料的一种或几种：SiO2、极性AlN、SiNx或SiON；和/或，第二介质层和第三介质层的厚度介于10nm～120nm之间；和/或，刻蚀槽的深度为介于N--GaN层表面与N--GaN层和P-GaN层的界面之间，或者刻蚀至N--GaN层和P-GaN层的界面；和/或，栅介质层的材料包括如下材料的一种或几种：Al2O3、SiO2、SiNx或SiON。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的GaN基超结型垂直功率晶体管及其制作方法，具有以下有益效果：1、通过设置超结复合结构，实现了超结空间电荷区的扩展，增加了器件承受高电场的区域，有效缓和了器件的峰值击穿电场，从而提高了器件的击穿电压，同时利用薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构实现了无刻蚀的增强型栅结构，推动了GaN基垂直结构功率晶体管在高压大功率方面的应用。2、采用外延生长的p-GaN替代常规注入方法形成p-GaN的工艺，避开了注入激活难题。3、采用薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构形成增强型器件，而栅极和源极之间的二维电子气(2DEG)通过SiNx，SiO2或者极性AlN的钝化层来恢复，避免了栅槽刻蚀，以及与栅槽刻蚀技术伴随的刻蚀厚度控制等难题。附图说明图1-图19为根据本公开一些实施例所示的GaN基超结型垂直功率晶体管的制作过程示意图。图1为在衬底上形成N-GaN和P型GaN外延层的结构示意图。图2为在P型GaN上形成掩膜层的结构示意图。图3为利用上表面掩膜层图案化形成栅极区域开口的结构示意图。图4为基于图3中的栅极区域开口刻蚀电流阻挡层得到栅极区域开窗的结构示意图。图5为去除上表面掩膜层的结构示意图。图6为在电流阻挡层之上共形生长薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构的结构示意图。图7为在衬底为非氮化镓衬底时，去除衬底使得N--GaN层暴露于表面的结构示意图。图8为在薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构上表面沉积第二介质层，作为钝化层，在N--GaN层下表面沉积第三介质层作为掩膜层的结构示意图。图9为利用第三介质层作为掩膜层，在N--GaN层中进行选区刻蚀制作刻蚀槽后的结构示意图。图10为在刻蚀槽本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaN基超结型垂直功率晶体管，其特征在于，包括：N

【技术特征摘要】
1.一种GaN基超结型垂直功率晶体管，其特征在于，包括：N--GaN层(2)；P-GaN层(2)，作为电流阻挡层，形成于N-GaN层(2)之上，该P-GaN层(2)中具有栅极区域开窗；薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构，共形制作于电流阻挡层之上并填充栅极区域开窗的底部和侧壁；其中，该N-GaN层(2)中具有刻蚀槽(102)，该刻蚀槽(102)中完全填充或部分填充有第二P型GaN层(9)，在第二P型GaN层(9)的下方形成有N+-GaN层(10)，该N+-GaN层(10)与第二P型GaN层(9)及N-GaN层(2)均直接接触，形成一超结复合结构。2.根据权利要求1所述的GaN基超结型垂直功率晶体管，其特征在于，还包括：源极、漏极和栅极。3.根据权利要求2所述的GaN基超结型垂直功率晶体管，其特征在于，所述栅极形成于薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构中填充栅极区域开窗的部分之上，该栅极包括栅介质层(14)和栅极金属层(15)；所述薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构内还制作有源极区域开窗，用于制作源极，该源极区域开窗的底部和侧壁填充有源极金属层(11)；所述N+-GaN层(10)下方还形成有漏极金属层(12)。4.根据权利要求3所述的GaN基超结型垂直功率晶体管，其特征在于，所述源极金属层(11)的上方覆有绝缘材料；其中，该绝缘材料为复合层结构，该复合层结构包括：隔离层(13)和栅介质层(14)；所述栅极和源极之间区域的栅介质层(14)与薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构之间设置有钝化层(7)和隔离层(13)。5.根据权利要求3所述的GaN基超结型垂直功率晶体管，其特征在于，所述薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构中栅极和源极之间的二维电子气通过位于栅极和源极之间的钝化层的钝化、或者钝化层与隔离层整体的钝化来恢复，所述钝化层的材料包括如下材料的一种或几种：SiNx，SiO2或者极性AlN。6.根据权利要求1所述的GaN基超结型垂直功率晶体管，其特征在于，所述薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构中的Al(In，Ga)N势垒层为如下材料的一种或几种：三元合金，包括：AlGaN、AlInN或InGaN；四元合金：AlInGaN；该Al(In，Ga)N势垒层的厚度介于0.5nm～5nm。7.根据权利要求1所述的GaN基超结型垂直功率晶体管，其特征在于，该第二P型GaN层(9)的浓度范围为：1016cm-3～1020cm-3。8.一种如权利要求1至7中任一项所述的GaN基超结型垂直功率晶体管的制作方法，其特征在于，包括：步骤S21：在一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王元琨，黄森，王鑫华，殷海波，魏珂，刘新宇，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11