用于使用工程化衬底的氮化镓电子器件的方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种用于使用工程化衬底的氮化镓电子器件的方法和系统，所述方法包括提供包括第III族氮化物籽层的工程化衬底，形成耦接至所述第III族氮化物籽层的GaN基功能层，形成电耦接至所述GaN基功能层的至少一部分的第一电极结构。该方法还包括在所述GaN基功能层的与工程化衬底相反一侧结合载体衬底，以及移除所述工程化衬底结构的至少一部分。该方法进一步包括形成电耦接至所述GaN基功能层的至少另一部分的第二电极结构以及移除所述载体衬底。

Method and system for gallium nitride electronic devices using engineered substrates

The present invention provides a method and system for using GaN electronic devices on an engineered substrate, including providing an engineered substrate including a class III nitride seed layer, forming a GaN-based functional layer coupled to the class III nitride seed layer, and forming at least a part of the GaN-based functional layer electrically coupled to the class III nitride seed layer. One electrode structure. The method also includes binding the carrier substrate on the opposite side of the GaN-based functional layer to the engineering substrate, and removing at least a portion of the engineering substrate structure. The method further comprises forming a second electrode structure electrically coupled to at least another part of the GaN-based functional layer and removing the carrier substrate.

【技术实现步骤摘要】
用于使用工程化衬底的氮化镓电子器件的方法和系统本申请是名为“用于使用工程化衬底的氮化镓电子器件的方法和系统”、申请号为201380042559.4的中国专利申请的分案申请，专利申请201380042559.4是根据专利合作条约于2013年8月6日提交的国际申请(PCT/US2013/053702)进入中国国家阶段的国家申请。
本专利技术涉及用于使用工程化衬底的氮化镓电子器件的方法和系统。
技术介绍
功率电子产品广泛地应用于各种应用中。功率电子器件常用于电路中以改变电能的形式，例如，从交流到直流，从一个电压水平至另一电压水平，或以其他的方式。这样的器件可在宽范围的功率水平内运行，从移动设备中的毫瓦级至高压电力传输系统中的数百兆瓦。尽管功率电子产品取得了进步，但本领域仍对改进的电子系统和其运行方法存在需求。
技术实现思路
本专利技术主要涉及电子器件。更具体地，本专利技术涉及使用工程化衬底(engineeredsubstrate)制造器件以提供器件性能参数的改善。该方法和技术可应用于各种化合物半导体系统中，包括垂直结型场效应晶体管(JFET)、电接触结构、二极管结构等。根据本专利技术的实施方案，提供一种制造电子器件的方法。该方法包括提供包括第III族氮化物籽层的工程化衬底结构，形成耦接至第III族氮化物籽层的GaN基功能层，以及形成电耦接至GaN基功能层的至少一部分的第一电极结构。该方法还包括在该GaN基功能层的与工程化衬底结构相反一侧结合载体衬底，以及移除该工程化衬底结构的至少一部分。该方法进一步包括形成电耦接至GaN基功能层的至少另一部分的第二电极结构以及移除该载体衬底。根据本专利技术另一实施方案，提供垂直第III族氮化物电子器件。该器件包括第一电接触结构，和耦接至第一电接触结构的第一导电类型的第III族氮化物外延层。该器件还包括耦接至第III族氮化物外延层的第III族氮化物外延结构和耦接至一层或更多层的第III族氮化物外延结构的第二电接触结构。根据本专利技术的替代方案，提供垂直第III族氮化物JFET。该垂直第III族氮化物JFET包括器件衬底，耦接至器件衬底的界面层，耦接至界面层的第一电极结构。垂直第III族氮化物JFET还包括连接至第一电极结构的第III族氮化物外延层，外延耦接至第III族氮化物外延层的第III族氮化物漂移层，外延耦接至第III族氮化物漂移层的第III族氮化物沟道区。垂直第III族氮化物JFET进一步包括外延耦接至第III族氮化物沟道区的第III族氮化物源极区；以及相邻第III族氮化物沟道区设置的一个或更多个栅极区。相比传统技术，通过本专利技术的方法实现很多益处。例如，本专利技术实施方案在制造高功率垂直GaN基器件(例如垂直EFTs)时采用工程化衬底。工程化衬底的使用导致在一些实施方案中成本降低。此外，一些实施方案的特征在于减少的衬底减薄和/或移除步骤。对于一些垂直器件，特别是高性能GaN基器件，衬底电阻是可观的并且会影响器件性能。为了降低与衬底相关的电阻，在初步加工后，可以减薄/移除衬底的部分或全部。本专利技术的实施方案采用具有预定的GaN基外延层的工程化衬底，所述GaN基外延层在移除处理衬底和接合层之后提供期望的器件特性。结合下文和附图更加具体地描述本专利技术的这些和其他实施方案，及其许多优势和特征。附图说明图1是示出根据本专利技术实施方案的工程化衬底的简化截面图；图2是示出在根据本专利技术实施方案的工程化衬底上的外延生长的简化截面图；图3是示出根据本专利技术实施方案的电极形成的简化截面图；图4是示出根据本专利技术实施方案的载体晶片结合的简化截面图；图5是示出根据本专利技术实施方案的处理晶片减薄的简化截面图；图6是示出根据本专利技术实施方案的层的移除和电极形成的简化截面图；图7是示出根据本专利技术实施方案的衬底结合的简化截面图；图8是示出根据本专利技术实施方案的载体晶片的移除的简化截面图；图9A是示出根据本专利技术实施方案的GaN肖特基二极管结构的简化示意图；图9B是示出根据本专利技术实施方案的GaNp-n二极管结构的简化示意图；图10是示出根据本专利技术实施方案的三端子GaNFET结构的简化示意图；图11是示出根据本专利技术实施方案的三端子GaN双级结构的简化示意图；图12是示出根据本专利技术实施方案的器件接合的简化示意图；以及图13是示出根据本专利技术实施方案的电子器件的制造方法的简化流程图。具体实施方式本专利技术实施方案涉及电子器件。更具体地，本专利技术涉及使用工程化衬底制造器件以使得器件性能参数得到提高。该方法和技术可应用于各种化合物半导体系统中，包括垂直结型场效应晶体管(JFETs)、电接触结构、二极管结构等。GaN基电子器件和光电器件正经历快速发展。与GaN、相关合金和异质结构相关联的期望的性能包括对可见和紫外光发射的高带隙能量，优越的传输性能(例如，高电子迁移率和饱和速度)、高击穿场以及高热导率。根据本专利技术的实施方案，使用在工程化衬底上形成的GaN籽层上的氮化镓(GaN)外延来制造使用传统技术不可能制造的垂直GaN基半导体器件。例如，传统生长GaN的方法包括使用异质衬底例如碳化硅(SiC)。由于GaN层和异质衬底之间在热膨胀系数和晶格常数上的差异，这会限制生长在异质衬底上的可用的GaN层的厚度。在GaN和异质衬底之间界面处的高缺陷密度进一步使得制造垂直器件(包括功率电子器件例如JFETs和其他场效应晶体管)的尝试复杂化。另一方面，这里描述的本专利技术实施方案中使用GaN籽层上的同质外延GaN层来提供比传统技术和器件优越的性能。例如，对于给定的背景掺杂水平N，电子迁移率μ更高。这提供了低电阻率ρ，因为电阻率反比于电子迁移率，如式(1)所示：其中q为元电荷。另一个由在GaN籽层上的同质外延GaN层提供的优越性能是雪崩击穿的高临界电场。相比具有较小临界电场的材料，高临界电场使得在较小的长度L上能够支持更大的电压。电流流过较小的长度以及低电阻率得到相比其他材料更低的电阻R，因为电阻可由下式决定：其中A是沟道或电流路径的横截面积。一般来说，在设备关断状态下支持高电压所需要的设备的物理尺寸，和在导通状态下使电流通过具有低电阻的同一设备的能力之间存在折衷。在很多情况，在使折衷最小化而性能最大化方面，GaN比其他材料更加优选。此外，相比生长在失配衬底上的GaN层，生长在工程化衬底上的GaN籽层上的GaN层具有低的缺陷密度。该低缺陷密度会带来优越的热导率、更少的陷阱相关(trap-related)的影响，如动态导通电阻，以及更好的可靠性。在垂直器件结构中，预期的是垂直JFET。按照掺杂水平、物理尺寸、导电类型(例如，n型或p型材料)、以及其他因素，垂直JFET可被设计为具有常断或常通的功能。常断垂直JFET由于其具有在没有电压施加到栅极时能够阻止电流流动的能力而特别有用，除了其他之外，其还可以作为功率应用中使用的垂直JEFTs的安全装置(safetyfeature)。可以以各种方式制造常断垂直JFET。例如，由p+栅极可在每一侧上拦截从源极到漏极的n型电流。通过足够低的背景掺杂，以及p+栅极中由于高空穴浓度带来的高正电荷，在零偏压下沟道可能耗尽载流子或被夹断。当施加正向电压至栅极时，沟道能够被重新打开以接通器件。因此，在本专利技术实施方案中，由于电流通过栅极区(gatedregio本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种垂直第III族氮化物双极器件，包括：第一电极结构；耦接至所述第一电极结构的第一导电类型的第III族氮化物外延缓冲层；耦接至所述第III族氮化物外延缓冲层的所述第一导电类型的第III族氮化物外延漂移层；耦接至所述第III族氮化物外延漂移层的第二导电类型的第III族氮化物层，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反；以及耦接至所述第III族氮化物层的第二电极结构。

【技术特征摘要】
2012.08.10 US 13/572,4081.一种垂直第III族氮化物双极器件，包括：第一电极结构；耦接至所述第一电极结构的第一导电类型的第III族氮化物外延缓冲层；耦接至所述第III族氮化物外延缓冲层的所述第一导电类型的第III族氮化物外延漂移层；耦接至所述第III族氮化物外延漂移层的第二导电类型的第III族氮化物层，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反；以及耦接至所述第III族氮化物层的第二电极结构。2.根据权利要求1所述的垂直第III族氮化物双极器件，其中，所述第一导电类型是n型，并且所述第二电极结构包括：包括三元第III族氮化物材料的第一层；在所述第一层上并包括二元第III族氮化物材料的第二层；以及在所述第二层上的第一电接触。3.根据权利要求2所述的垂直第III族氮化物双极器件，其中，所述三元第III族氮化物材料包括AlxGa1-xN，并且所述二元第III族氮化物材料包括GaN。4.根据权利要求2所述的垂直第III族氮化物双极器件，其中，所述第III族氮化物外延漂移层的掺杂剂浓度低于所述第III族氮化物外延缓冲层、所述第一层以及所述第二层的掺杂剂浓度。5.根据权利要求1所述的垂直第III族氮化物双极器件，其中，所述第III族氮化物外延漂移层包括具有不同掺杂剂浓度的两个或更多个子层。6.根据权利要求1所述的垂直第III族氮化物双极器件，还包括：耦接至所述第一电极结构的界面层；以及耦接至所述界面层的衬底。7.根据权利要求1所述的垂直第III族氮化物双极器件，其中，所述第III族氮化物外延缓冲层具有GaN晶体结构的氮面并且厚度在1μm与10μm之间的范围内。8.根据权利要求1所述的垂直第III族氮化物双极器件，其中，所述第一电极结构包括具有在25μm与100μm之间范围内的厚度的铜层用于支承所述第III族氮化物外延缓冲层、所述第III族氮化物外延漂移层、所述第III族氮化物层和所述第二电极结构。9.根据权利要求1所述的垂直第III族氮化物双极器件，其中，第一电极结构形成NPN晶体管的发射极，所述第III族氮化物层形成基极，并且所述第二电极结构形成集电极，当电流进入所述第III族氮化物层...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂辉，唐纳德·R·迪斯尼，伊舍克·C·克孜勒亚尔勒，
申请(专利权)人：阿沃吉有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US