本发明专利技术公开了一种提高GaN增强型MOSFET阈值电压的新型外延层结构及基于该结构的器件制备方法，涉及电力电子器件及功率开关领域。新型结构自下而上包括：衬底、GaN缓冲层、本征GaN层、Mg掺杂P型GaN层、GaN沟道层和AlGaN势垒层。在该结构上用凹槽栅工艺形成钝化层、凹槽栅、平面隔离、绝缘栅介质层、欧姆接触以及栅和源漏欧姆金属电极即可制备出高阈值电压增强型GaN MOSFET。本发明专利技术在本征GaN层中插入P型GaN层，将其完全刻蚀后，沟道反型区域除了本征GaN层还有P型GaN层，由此可以极大提高器件的阈值电压。有利于解决GaN增强型器件在实际应用中的可靠性问题，扩宽了其在功率开关领域的应用。
A novel epitaxial structure for increasing threshold voltage of Gan enhanced MOSFET
【技术实现步骤摘要】
一种提高GaN增强型MOSFET阈值电压的新型外延层结构
本专利技术属于微电子
，涉及基于化合物半导体材料的电力电子器件及功率开关领域。
技术介绍
宽禁带半导体GaN因其突出的材料性能，例如高击穿场强、高电子饱和迁移率等，而被认为是下一代高效率功率开关领域十分有前景的竞争者。此外，由于极强的自发极化效应，在常规的AlGaN/GaN异质结界面天然存在着浓度可高达1013cm-2的二维电子气(2DEG)，2DEG的迁移率可高达2000cm2/V·S，这一优势使得基于AlGaN/GaN异质结的GaN电力电子器件能有更快的开关速度，但同时也意味着常规异质结高迁移率晶体管(HEMT)为耗尽型器件，即在零栅压下，器件处于常开态，器件阈值电压为负值。然而在实际应用中，对于功率电子系统的安全操作而言，为了确保只加正栅压偏置时器件才有工作电流，增强型器件是必不可缺的。因此，国内外众多研究人员一直在致力于实现高性能的增强型GaNHEMT。目前主要有两种方式来实现GaN基器件的增强型操作，一是将一个低压增强型硅基MOSFET和一个高压耗尽型GaN器件采用共源共栅结构集成封装成一个能实现增强型操作的系统；二是直接采用增强型高压GaN功率器件。共源共栅结构的优势主要是栅控在硅基MOSFET上，而GaN基器件的栅并没有被直接控制，这样使得该系统在零偏压时没有工作电流，在阈值电压以上的正向偏压时，又能利用常开的GaN基器件快速开启。然而毕竟栅控没有直接作用在GaN基器件上，功率开关的转换效率控制就不太好，而这又会极大地影响系统的安全操作以及脉动噪声，因此直接栅控的高压增强型GaN功率器件依然十分有必要。增强型GaN功率器件的实现主要有以下两种方法：1.在AlGaN/GaN异质结表面生长一层P-typeGaN层，合理地设计该层的厚度以及掺杂即可有效地耗尽异质结界面处的2DEG，从而实现常关型GaN功率器件，P-TypeGaN栅结构虽然能够得到阈值电压一致性很好的增强型器件，但是由于P型GaN生长困难，材料质量差导致栅可靠性并不好。2.减薄栅区域的AlGaN层厚度，消除栅下的固有正极化电荷从而耗尽异质结界面处的2DEG实现常关型GaN功率器件，该法制得的金属-绝缘栅结构(MIS)器件虽然能得到不错的栅可靠性器件且工艺简单，但该器件的阈值电压很难做的很正，换言之很难保证零偏压下的绝对关断状态。
技术实现思路
为了解决上述方法2实现增强型GaN功率器件技术的缺点，本专利技术着眼于AlGaN/GaN异质结外延层结构的设计，提出一种新型外延层结构，采用简单易于实现的传统干法刻蚀工艺去除AlGaN势垒层，即可制备得到阈值电压很正的增强型GaN功率器件。本专利技术提出的新型外延层结构自下而上包括：衬底、GaN缓冲层、本征GaN层、Mg掺杂P型GaN层、本征GaN沟道层以及本征AlGaN势垒层，如附图1所示。该新型外延层结构在2DEG下方的本征GaN层中插入了一层Mg掺杂P型GaN层，采用传统栅槽刻蚀工艺，栅下方刻蚀到P-typeGaN层以下，形成栅下方的沟道，相比于传统外延层结构去除AlGaN势垒层后形成的沟道，该结构中多出了两侧的P-typeGaN沟道，也就是说，器件完全开启，不仅需要本征GaN层的反型，还需要P-typeGaN沟道的反型，由此器件的阈值电压将会比传统外延层结构制备出来的增强型器件要大。本专利技术依据上述技术思路，借助sentaurusTCAD仿真工具，对基于该新型外延层结构的简单MOS栅槽型器件(如附图2所示)进行仿真验证，得到的器件转移特性如附图3所示，可以看到阈值电压约为5V(线性外推法提取)，这相比于传统结构下的栅槽型器件有了极大的提高，初步仿真验证证实了本专利技术的可行性。为了实现该新型外延层的生长且保证器件的性能，插入的P-typeGaN层需要合理地设计其厚度、掺杂浓度，此外，为了避免P-typeGaN对GaN沟道层的影响，其与GaN沟道层的距离也应该合理地设计。综合考虑以上各项影响，该新型外延层结构关键层层分组成及材料种类如下所示：所述衬底材料为以下材料中的一种：Si、SiC、蓝宝石。所述Mg掺杂P型GaN层掺杂浓度为：5E16～2E18cm-3。所述Mg掺杂P型GaN层厚度为50nm～300nm。。所述Mg掺杂P型GaN层上面的本征GaN沟道层厚度为：100nm～300nm。本专利技术提供了基于该GaN新型外延层结构的一种简单易于实现的工艺方法来制备GaN增强型MOSFET，包括以下步骤：(1)在所述衬底上依次生长GaN缓冲层、本征GaN层、Mg掺杂P型GaN层、本征GaN沟道层以及本征AlGaN势垒层；(2)在AlGaN势垒层上用PECVD、ICPCVD或者LPCVD生长介质钝化层；(3)光刻出栅极图形，首先刻蚀介质钝化层，再刻蚀GaN层直至P-typeGaN层全部刻蚀干净，在650℃～800℃之间于N2保护气体中退火15分钟，激活P-typeGaN；(4)对已经退火激活沟道处P-typeGaN的GaN晶圆片进行光刻和刻蚀(或者离子注入)形成有源区台面；(5)对制备好有源区台面的GaN晶圆片进行光刻，刻蚀出源漏欧姆电极区域，通过电子束蒸发或者磁控溅射制备多层金属形成源极和漏极，并在800℃到900℃之间于保护气体中退火30秒，形成欧姆接触；(6)形成欧姆接触之后，将晶圆片放入原子层淀积设备中，在其表面生长绝缘栅介质层，随后光刻出源漏区域欧姆接触孔，去除掉绝缘栅介质层使得源漏欧姆接触露出来；(7)光刻栅电极区域，用电子束蒸发或者磁控溅射生长栅电极材料，随后对器件进行剥离工艺处理形成栅电极，最后在氮气环境下对整个晶元进行退火处理，完成整体器件的制备。以上工艺方法中所述介质钝化层的材料可为以下材料中的任意一种：Si3N4、SiO2、SiON。以上工艺方法中所述源极和漏极为：钛、铝、镍、金、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆、钨等中的一种或多种的合金。以上工艺方法中所述绝缘栅介质层为以下材料中的任意一种：Si3N4、Al2O3、AlN、HfO2、SiO2、HfTiO、Sc2O3、Ga2O3、MgO、SiNO。以上工艺方法中所述栅极金属为以下导电材料的一种或多种的组合：铂、铱、镍、金、钼、钯、硒、铍、TiN、多晶硅、ITO。本专利技术的优点是，从化合物半导体的材料结构设计角度出发，提出一种新型的AlGaN/GaN异质结结构，在该结构上用最简单的栅槽刻蚀工艺即可实现较大阈值电压的增强型器件，保证了器件在零偏压下的绝对关断状态从而有望解决GaN器件在实际应用中的相关可靠性问题。附图说明附图将会更加详细地阐述本专利技术提出的新型外延层结构以及基于该外延层结构的GaN增强型器件制备示例。附图说明如下：图1是本专利技术提出的新型外延层结构剖面结构示意图；图2是基于该新型外延层结构的简单MOS栅槽型GaN增强型器件的剖面结构示意图(sentaurusTCAD器件仿真结构)；图3是借助s本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种提高GaN增强型MOSFET阈值电压的新型外延层结构，自下而上包括：衬底、GaN缓冲层、本征GaN层、Mg掺杂P型GaN层、本征GaN沟道层以及本征AlGaN势垒层。在该新型外延层结构上用最传统的凹槽栅工艺形成钝化层、凹槽栅、平面隔离、绝缘栅介质层、欧姆接触以及栅和源漏欧姆金属电极即可形成高阈值电压的增强型GaN MOSFET。/n
【技术特征摘要】
1.一种提高GaN增强型MOSFET阈值电压的新型外延层结构，自下而上包括：衬底、GaN缓冲层、本征GaN层、Mg掺杂P型GaN层、本征GaN沟道层以及本征AlGaN势垒层。在该新型外延层结构上用最传统的凹槽栅工艺形成钝化层、凹槽栅、平面隔离、绝缘栅介质层、欧姆接触以及栅和源漏欧姆金属电极即可形成高阈值电压的增强型GaNMOSFET。
2.根据权利要求1所述的提高GaN增强型MOSFET阈值电压的新型外延层结构，其特征在于：其中的衬底材料为Si、SiC、蓝宝石。
3.根据权利要求1所述的提高GaN增强型MOSFET阈值电压的新型外延层结构，其特征在于：所述Mg掺杂P型GaN层掺杂浓度为：5E16～2E18cm-3。
4.根据权利要求1所述的提高GaN增强型MOSFET阈值电压的新型外延层结构，其特征在于：所述Mg掺杂P型GaN层厚度为：50nm～300nm。
5.根据权利要求1所述的提高GaN增强型MOSFET阈值电压的新型外延层结构，其特征在于：所述Mg掺杂P型GaN层上面的本征GaN沟道层厚度为：100nm～300nm。
6.根据权利要求1所述的提高GaN增强型MOSFET阈值电压的新型外延层结构，在其上用凹槽栅工艺形成的增强新GaNMOSFET，其特征在于：所述介质钝化层的材料为以下材料中的任意一种：Si3N4、AlN、Al2O3、SiO2。
【专利技术属性】
技术研发人员：王茂俊，陶明，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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