双向阻断的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种双向阻断的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管，主要解决现有单片异质集成Cascode结构场效应晶体管无反向阻断特性的问题。其包括：衬底(1)、GaN缓冲层(2)、AlGaN势垒层(3)和SiN隔离层(4)，该SiN隔离层的中间刻有隔离槽(15)；隔离槽一侧的SiN隔离层上印制有Si有源层(5)，以制备Si金属氧化物半导体场效应晶体管；隔离槽的另一侧制备GaN高电子迁移率晶体管，且其漏电极(8)与AlGaN势垒层采用肖特基接触，形成双向阻断的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管。本发明专利技术具有双向阻断特性，应用范围广，可用作汽车、航空航天、发电站的电源转换器或反相器。

Bi directional blocking monolithic heterostructure cascode FET and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
双向阻断的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管及制作方法
本专利技术属于半导体器件
，特别涉及一种Cascode结构场效应晶体管，可用作汽车、航空航天、发电站的电源转换器或反相器。技术背景20世纪80年代后期，科学家在碳化硅、蓝宝石衬底上通过插入氮化镓缓冲层的方法生长出高质量的GaN及AlGaN后，GaN高电子迁移率晶体管就进入了飞速发展的时期。GaN高电子迁移率晶体管器件拥有诸多的优势：一是具有较高的工作电压及工作频率，二是具有较低的导通电阻和较小的输入输出电容，三是具有更高的抗辐照性与更高的耐高温性。由于以上优势，GaN高电子迁移率晶体管器件经常被用于电力电子领域与微波领域，而增强型GaN高电子迁移率晶体管器件相比于耗尽型GaN高电子迁移率晶体管器件还具有降低设计成本、拓展应用领域的优势。比如，在设计微波大功率芯片时，增强型GaN高电子迁移率晶体管器件因为具有正向的阈值电压，所以不需要负栅压的电源设计，这会很大程度上降低芯片的设计成本；此外，增强型GaN高电子迁移率晶体管器件只有在正栅压时才导通，因此可以将其应用在低功耗数字电路中。由于增强型GaN高电子迁移率晶体管器件具有如此多的优势，故而人们对其展开了大量研究。为了实现增强型GaN高电子迁移率晶体管器件，业界已有多种制造方法，其中比较常用的方法就是采用由低压增强型的Si金属氧化物半导体场效应晶体管和高压耗尽型的GaN高电子迁移率晶体管器件组成的Cascode结构，如图1所示。通过这种结构，可以更加方便的使原本为耗尽型的GaN高电子迁移率晶体管器件在加正向栅压时导通工作。目前，国际整流公司IR和Transform公司都在致力研发基于该结构的增强型GaN高电子迁移率晶体管器件。但迄今为止，Cascode结构的GaN高电子迁移率晶体管器件的制作多数还是基于混合集成，即通过将硅芯片与氮化镓芯片封装键合而实现，如图2所示。用这种方法制作的Cascode结构的GaN高电子迁移率场效应晶体管HEMT在快速开关过程中，键合线引入了较大的寄生电感会产生振荡现象，导致系统稳定性降低，开关损耗增大。因此，近年来，人们想尽办法并成功地将Si与GaN集成在单片上实现了单片异质集成的Cascode结构的GaNHEMT来消除键合线引入的大寄生电感，从而提高了电路系统的工作频率及稳定性、减小开关损耗。反向阻断能力是许多电力电子应用的基础，比如矩阵变换器、多电平逆变器和一些谐振变换器。然而，一般的Cascode结构场效应晶体管没有反向阻断能力，这极大限制了其在电力电子领域中的应用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种双向阻断的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管及制作方法，以使单片异质集成的Cascode结构场效应晶体管不仅具有常规的正向阻断特性，而且具有反向阻断特性，扩大器件应用范围。为实现上述目的，本专利技术的双向阻断的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管，其自下而上包括：衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层和SiN隔离层，SiN隔离层的中间刻有深至GaN缓冲层的隔离槽；该隔离槽一侧的SiN隔离层上设有Si有源层，Si有源层上的两边设第一源电极和第一漏电极，该源、漏电极之间设有栅介质层，栅介质层上设有第一栅电极，形成Si金属氧化物半导体场效应晶体管的；所述隔离槽另一侧的AlGaN势垒层上横向设有第二源电极、第二栅电极和第二漏电极，形成GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：第二漏电极与AlGaN势垒层形成肖特基接触，以阻断GaN高电子迁移率晶体管的反向导通，实现Cascode结构场效应晶体管的反向阻断特性。进一步，所述Si有源层印制到隔离槽一侧的SiN隔离层上，形成Si与GaN异质集成的单片芯片。进一步，所述第一漏电极与所述第二源电极通过第一金属互联条进行电气连接；所述第一源电极与所述第二栅电极通过第二金属互联条进行电气连接。进一步，所述第一栅电极由氮化钽制成；所述第一源电极和第一漏电极均由镍制成，且分别与Si有源层形成欧姆接触。进一步，所述第二栅电极和第二漏电极均由镍和金制成，且第二栅电极与AlGaN缓冲层形成肖特基接触；所述第二源电极其由自下而上的钛、铝、镍和金制成，且与AlGaN缓冲层形成欧姆接触。进一步，所述第二源电极的厚度为262nm；所述第二栅电极和第二漏电极的厚度均为150-270nm。进一步，所述衬底的材料为蓝宝石或碳化硅或硅，厚度为400-500μm；所述GaN缓冲层的厚度为1-2μm；所述AlGaN势垒层的厚度为20-30nm；所述SiN隔离层的厚度为150-200nm；所述第一金属互联条和第二金属互联条的厚度均为200-300nm。进一步，所述Si有源层的厚度为100-200nm；所述第一栅电极的厚度为100-200nm；所述第一源电极和第一漏电极的厚度均为30-100nm；所述第一源电极和第一漏电极之间的栅介质层的厚度为20-30nm。为实现上述目的，本专利技术制作双向阻断的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管的方法，其特征在于，包括如下：1)采用金属有机物化学气相淀积和原子层沉积工艺，在衬底上外延GaN缓冲层；在GaN缓冲层上外延AlGaN势垒层；在AlGaN势垒层淀积SiN隔离层，得到SiN/AlGaN/GaN/衬底基片；2)采用光刻与反应离子刻蚀工艺，在SOI晶片上形成单晶硅薄膜孤岛；3)采用湿法刻蚀工艺，将2)得到的样品放入49％HF溶液中，刻蚀掉未被单晶硅薄膜孤岛覆盖的埋氧化层；4)采用光刻工艺，在单晶硅薄膜边缘制作锚点，以防止后续完全刻蚀埋氧化层后单晶硅薄膜的位移和脱落；5)采用湿法刻蚀工艺，将制有锚点的样品放入49％HF溶液中，完全刻蚀埋氧化层，使单晶硅薄膜掉落在SOI晶片的基底上；6)采用转移印刷技术，将5)得到的单晶硅薄膜转印到SiN/AlGaN/GaN/衬底基片上；7)采用光刻与反应离子刻蚀工艺，在6)得到的样品上刻蚀300-350nm深的隔离槽，在隔离槽的两侧分别形成Si/SiN/AlGaN/GaN孤岛和SiN/AlGaN/GaN孤岛；8)采用离子注入工艺，在Si/SiN/AlGaN/GaN孤岛的单晶硅薄膜上注入剂量为5×1015cm-2，能量为30keV的磷离子，并在1000℃的氮气氛围下退火60s，以激活杂质，形成N型重掺杂的源漏区；9)采用反应离子刻蚀与电子束蒸发工艺，将SiN/AlGaN/GaN孤岛上源区的SiN刻蚀掉，并在此源区上依次淀积22nm厚的钛金属、140nm厚的铝金属、55nm厚的镍金属、45nm厚的金金属，形成GaN电子迁移率晶体管的源电极，并在温度为875℃的氮气氛围下退火30s，使得源电极与AlGaN形成欧姆接触；10)采用反应离子刻蚀与电子束蒸发工艺，将SiN/AlGaN/GaN孤岛上栅区和漏区的SiN刻蚀掉，再在刻蚀掉SiN后的栅区和漏区上依次淀积45-70nm厚的镍金属、100-200本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双向阻断的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管，其自下而上包括：衬底(1)、GaN缓冲层(2)、AlGaN势垒层(3)和SiN隔离层(4)，SiN隔离层(4)的中间刻有深至GaN缓冲层(2)的隔离槽(15)；该隔离槽(15)一侧的SiN隔离层(4)上设有Si有源层(5)，Si有源层(5)上的两边设第一源电极(9)和第一漏电极(12)，该源、漏电极之间设有栅介质层(10)，栅介质层(10)上设有第一栅电极(11)，形成Si金属氧化物半导体场效应晶体管的；所述隔离槽(15)另一侧的AlGaN势垒层(3)上横向依次设有第二源电极(6)、第二栅电极(7)和第二漏电极(8)，形成GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：第二漏电极(8)与AlGaN势垒层(3)形成肖特基接触，以阻断GaN高电子迁移率晶体管的反向导通，实现Cascode结构场效应晶体管的反向阻断特性。/n

【技术特征摘要】
1.一种双向阻断的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管，其自下而上包括：衬底(1)、GaN缓冲层(2)、AlGaN势垒层(3)和SiN隔离层(4)，SiN隔离层(4)的中间刻有深至GaN缓冲层(2)的隔离槽(15)；该隔离槽(15)一侧的SiN隔离层(4)上设有Si有源层(5)，Si有源层(5)上的两边设第一源电极(9)和第一漏电极(12)，该源、漏电极之间设有栅介质层(10)，栅介质层(10)上设有第一栅电极(11)，形成Si金属氧化物半导体场效应晶体管的；所述隔离槽(15)另一侧的AlGaN势垒层(3)上横向依次设有第二源电极(6)、第二栅电极(7)和第二漏电极(8)，形成GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：第二漏电极(8)与AlGaN势垒层(3)形成肖特基接触，以阻断GaN高电子迁移率晶体管的反向导通，实现Cascode结构场效应晶体管的反向阻断特性。


2.根据权利要求1，所述的晶体管，其特征在于：所述Si有源层(5)印制到隔离槽一侧的SiN隔离层(4)上，形成Si与GaN异质集成的单片芯片。


3.根据权利要求1，所述的晶体管，其特征在于：
第一漏电极(12)与第二源电极(6)通过第一金属互联条(13)进行电气连接；
第一源电极(9)与第二栅电极(7)通过第二金属互联条(14)进行电气连接。


4.根据权利要1所述的晶体管，其特征在于：
第一栅电极(11)由氮化钽制成；
第一源电极(9)和第一漏电极(12)均由镍制成，且分别与Si有源层(5)形成欧姆接触。


5.根据权利要求1，所述的晶体管，其特征在于：
第二栅电极(7)和第二漏电极(8)均由镍和金制成，且第二栅电极(7)与AlGaN缓冲层(3)形成肖特基接触；
第二源电极(6)其由自下而上的钛、铝、镍和金制成，且与AlGaN缓冲层(3)形成欧姆接触。


6.根据权利要1所述的晶体管，其特征在于：
第二源电极(6)的厚度为262nm；
第二栅电极(7)和第二漏电极(8)的厚度均为150-270nm。


7.根据权利要1所述的晶体管，其特征在于：
衬底(1)的材料为蓝宝石或碳化硅或硅，厚度为400-500μm；
GaN缓冲层(2)的厚度为1-2μm；
AlGaN势垒层(3)的厚度为20-30nm；
SiN隔离层(4)的厚度为150-200nm；
第一金属互联条(13)和第二金属互联条(14)的厚度均为200-300nm。


8.根据权利要1所述的晶体管，其特征在于：
Si有源层(5)的厚度为100-200nm；
第一栅电极(11)的厚度为100-200nm；
第一源电极(9)和第一漏电极(12)的厚度均为30-100nm；
第一源电极(9)和第一漏电极(12)之间的栅介质层(10)的厚度为20-30nm。


9.一种双向阻断的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采用金属有机物化学气相淀积和原子层沉积工艺，在衬底上外延GaN缓冲层；在GaN缓冲层上外延AlGaN势垒层；在AlGaN势垒层淀积SiN隔离层，得到SiN/AlGaN/GaN/衬底基片；
2)采用光刻与反应离子刻蚀工艺，在SOI晶片上形成单晶硅薄膜孤岛；
3)采用湿法刻蚀工艺...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春福，张苇杭，张家祺，杨国放，武毅畅，陈大正，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61