一种常开型高电子迁移率晶体管结构及其制造方法技术

本发明专利技术属于半导体技术领域，特指一种常开型垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构及其制造方法。所述晶体管自下而上依次包括：漏极电极、基板、键合金属层、漏极欧姆接触金属层、高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层、钝化层、源极电极和栅极电极，特征是：在所述栅极电极正下方的高阻层内设有通孔，使漏极欧姆接触金属层与GaN沟道层联通，形成由漏极欧姆接触金属层导电的垂直导电通道，可以获得更低的导通电阻。还公开了所述高电子迁移率晶体管结构的制造方法，制造过程无需二次外延和离子注入，从根源上消除了传统制造方法中二次外延带来的界面污染以及离子注入所带来的晶格损伤、工艺复杂、成本较高等不利影响。

【技术实现步骤摘要】
一种常开型高电子迁移率晶体管结构及其制造方法
本专利技术属于半导体
，特别是涉及一种常开型垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构及其制造方法。
技术介绍
相比于第一、二代半导体材料，第三代半导体材料GaN材料具有禁带宽度大、击穿场强高、电子迁移率大、抗辐射能力强等优点，在GaN基高电子迁移率晶体管无线通信基站、雷达、汽车电子等高频大功率领域具有极大的发展潜力。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(AlGaN/GaNHEMT)结构的出现是基于1975年T.Mimura等人以及1994年M.A.Khan等人所描述的现象：在AlGaN和GaN异质结构界面区域显示出异常高的电子迁移率。目前常规的AlGaN/GaNHEMT器件为平面结构，器件的源极、漏级和栅极均在器件的顶面，容易引起可靠性下降，例如在大栅极偏压或者高频条件下会出现电流崩塌效益，当工作在高温、大功率环境时会产生“自热效应”等。同时，平面结构AlGaN/GaNHEMT也不利于与其他元器件的集成。垂直结构AlGaN/GaNHEMT从原理上可以很好的解决水平结构AlGaN/GaNHEMT的上述问题，成为AlGaN/GaNHEMT器件的发展趋势。在垂直结构AlGaN/GaNHEMT器件的制作过程中，垂直电流导电通道的形成一直是一个难点。现有垂直电流导电通道的形成有如下几种方案：(1)利用P-GaN作为电流阻挡层，然后利用光刻技术在P-GaN形成小孔，再进行二次外延用N-GaN填充小孔作为垂直导电通道。这种方法需要进行二次外延，非常容易引起界面的污染从而影响器件的性能，且成本较高。具体方法见AlGaN/GaNcurrentapertureverticalelectrontransistorswithregrownchannels，JournalofAppliedPhysics，2004，95(4)：2073-2078。(2)通过离子注入在本征GaN上选区形成高阻，作为电流阻挡层，在需要导通的区域不进行离子注入而成为垂直导电通道。可利用Mg离子注入形成P-GaN电流阻挡层，见EnhancementanddepletionmodeAlGaN/GaNCAVETwithMg-Ion-ImplantedGaNascurrentblockinglayer,IEEEElectronDeviceLetters,2008,29(6):543-545；或利用利用Al离子注入造成的晶格缺陷形成高阻，作为电流阻挡层，见Currentstatusandscopeofgalliumnitride-basedverticaltransistorsforhigh-powerelectronicsapplication,SemiconductorScienceandtechnology,2013,28:074014。然而，离子注入会带来显著的晶格损伤，容易引起严重的漏电甚至电流崩塌。同时离子注入工艺复杂，成本较高，不利于生产成本的控制。(3)先进行一次外延，形成高阻GaN层作为电流阻挡层，利用Si离子注入在高阻GaN上选区形成低阻区域，作为垂直导电通道，然后二次外延生长后续沟道层、势垒层等，见CN201510103132.1，CN201510109496.0。该方法相比利用Mg和Al离子注入有明显提升，对外延层的损伤显著降低，然而依然需要二次外延，容易造成界面污染从而影响器件的性能，且成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新的垂直结构AlGaN/GaNHEMT器件结构及其制造方法，无需二次外延和离子注入，从根本上避免了二次外延和离子注入所带来的不利影响。本专利技术的目的是这样实现的：一种常开型垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构，自下而上依次包括：漏极电极、基板、键合金属层、漏极欧姆接触金属层、高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层、钝化层、源极电极和栅极电极，其特征是：在所述栅极电极正下方的高阻层内设有通孔，使漏极欧姆接触金属层与GaN沟道层联通，形成由漏极欧姆接触金属层导电的垂直导电通道。更进一步，所述高阻层内的通孔的外边缘比栅极电极的外边缘小，定义高阻层内的通孔的外边缘与栅极电极的外边缘之间的距离为Lg，1μm≤Lg≤10μm。优选地，Lg与高阻层厚度之间的差值小于1微米。更进一步，在所述GaN沟道层与AlGaN势垒层之间设有AlN层，AlN层厚度0～5nm，当AlN层厚度为0nm时，相当于去掉AlN层。更进一步，所述高阻层为掺C元素的GaN或掺Fe元素的GaN或掺C元素的AlGaN或掺Fe元素的AlGaN，所述高阻层的厚度为1～10μm。更进一步，所述基板为导电导热良好的材料，如Si、Ge、Cu、Cu合金等，但不限于此。更进一步，所述GaN沟道层为非故意掺杂的GaN层，厚度为100nm～500nm。更进一步，所述AlGaN势垒层为AlxGa(1-x)N层，厚度为10nm～30nm，其中0.1≤x≤0.5。一种常开型垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管制造方法，包括以下步骤：(1)提供衬底，在所述衬底上依次生长包括缓冲层、高阻层、GaN沟道层、AlN层、AlGaN势垒层在内的HEMT外延薄膜；(2)在AlGaN势垒层上生长钝化层；(3)利用光刻腐蚀技术腐蚀掉需制作源极电极位置的钝化层，之后利用剥离技术制作源极电极；(4)利用光刻腐蚀技术腐蚀掉需制作栅极电极位置的钝化层，之后利用剥离技术制作栅极电极；(5)在制作了源极电极和栅极电极的HEMT外延薄膜表面制作粘接层；(6)提供过渡基板，在所述过渡基板正面制作粘结层，在过渡基板反面制作保护层；(7)利用粘结层将制作了源极电极和栅极电极的HEMT外延薄膜和过渡基板粘贴在一起，腐蚀掉衬底及缓冲层得到过渡HEMT外延薄膜，在腐蚀衬底及缓冲层的过程中，过渡基板反面的保护层能确保过渡基板不被腐蚀；(8)利用光刻腐蚀技术，在过渡HEMT外延薄膜的栅极电极对应区域的高阻层内形成通孔并在通孔位置露出GaN沟道层，使高阻层内的通孔的外边缘比栅极电极的外边缘小；(9)在形成了通孔的过渡HEMT外延薄膜上依次沉积漏极欧姆接触层、键合金属层；(10)提供基板，在基板正面沉积键合金属层，背面制作漏极电极，利用键合金属层将过渡HEMT外延薄膜和基板绑定在一起；(11)去除过渡基板保护层、过渡基板和粘结层，获得常开型垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管。更进一步，所述衬底为硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底或氮化铝衬底。更进一步，所述粘结层为热固型胶黏剂、热熔型胶黏剂、光固化有机胶、石蜡或者低熔点金属。相比于现有技术，本专利技术有如下有益效果：与现有常规垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管相比，本专利技术提供的结构无需采用二次外延和离子注入过程，从根源上消除了二次外延带来的界面污染以及离子注入所带来的晶格损伤、工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种常开型高电子迁移率晶体管结构，自下而上依次包括：漏极电极、基板、键合金属层、漏极欧姆接触金属层、高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层、钝化层、源极电极和栅极电极，其特征在于：在所述栅极电极正下方的高阻层内设有通孔，使漏极欧姆接触金属层与GaN沟道层联通，形成由漏极欧姆接触金属层导电的垂直导电通道。/n

【技术特征摘要】
1.一种常开型高电子迁移率晶体管结构，自下而上依次包括：漏极电极、基板、键合金属层、漏极欧姆接触金属层、高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层、钝化层、源极电极和栅极电极，其特征在于：在所述栅极电极正下方的高阻层内设有通孔，使漏极欧姆接触金属层与GaN沟道层联通，形成由漏极欧姆接触金属层导电的垂直导电通道。


2.根据权利要求1所述的一种常开型高电子迁移率晶体管结构，其特征在于：所述高阻层内的通孔的外边缘比栅极电极的外边缘小，高阻层内通孔的外边缘与栅极电极的外边缘之间的距离为Lg，1μm≤Lg≤10μm。


3.根据权利要求2所述的一种常开型高电子迁移率晶体管结构，其特征在于：Lg与高阻层厚度之间的差值小于1微米。


4.根据权利要求1所述的一种常开型高电子迁移率晶体管结构，其特征在于：在所述GaN沟道层与AlGaN势垒层之间设有AlN层，AlN层厚度0～5nm；所述高阻层为掺C元素的GaN或掺Fe元素的GaN或掺C元素的AlGaN或掺Fe元素的AlGaN，所述高阻层的厚度为1～10μm。


5.根据权利要求1所述的一种常开型高电子迁移率晶体管结构，其特征在于：所述基板为导电导热良好的材料。


6.根据权利要求5所述的一种常开型高电子迁移率晶体管结构，其特征在于：所述基板为Si、Ge、Cu或Cu合金，但不限于此。


7.根据权利要求1所述的一种常开型高电子迁移率晶体管结构，其特征在于：所述GaN沟道层为非故意掺杂的GaN层，厚度为100nm～500nm，所述AlGaN势垒层为AlxGa(1-x)N层，厚度为10nm～30nm，其中0.1≤x≤0.5。


8.如权利要求1-7中任...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘军林，吕全江，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32