一种垂直结构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，特指一种垂直结构高电子迁移率晶体管结构及其制造方法。所述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、位错调控结构、GaN沟道层、AlGaN势垒层、P型层、钝化层、源极电极和栅极电极，在栅极电极正下方的高阻层内设有垂直导电通道，使漏极欧姆接触金属层与GaN沟道层联通，所述位错调控结构在位错线附近形成对其余区域的相对高阻，从而使AlGaN/GaN HEMT器件在承受高电压的状态下，漏电流不从位错线处大量通过，而是被均匀分配到整个HEMT器件截面内，使得击穿性能向GaN理论击穿强度靠近，提升AlGaN/GaN HEMT器件的击穿电压。

A vertical structure high electron mobility transistor structure and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
一种垂直结构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
，特指一种垂直结构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，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(GaAsMOSFETforlow-powerhigh-speedlogicapplications,37thDeviceResearchConference,UniversityofColorado,Boulder,CO,1979)以及1994年M.A.Khan等人(HighelectronmobilitytransistorbasedonaGaN/AlxGa1-xNheterojunction,AppliedPhysicsLetters,65(1994):1121-1123)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。自GaNHEMT问世以来，击穿电压提升一直是难点之一。GaNHEMT源极和漏极之间的击穿电压由如下几个因素决定：GaN的击穿场强，器件的结构设计，异质结构的特性，栅极、源极和漏极上方的绝缘层设计，以及基底材料特性等。常见的几种击穿方式有:(1)源漏击穿，(2)栅漏击穿，(3)垂直击穿等。在器件结构方面，背势垒双异质结可以有效地抑制缓冲层漏电和短沟道效应，从而提高HEMT器件的击穿电压，采用场板调制电场也是提高HEMT器件击穿电压的重要手段，另外采用氧化铝或者氮化硅等作为栅绝缘层或者表面钝化层也可显著改善击穿特性。在沟道GaN层之前引入一层高阻GaN层也是提升击穿电压的常用方法，通常在GaN中掺入Fe、C等杂质元素来实现高阻。垂直GaNHEMT比横向GaNHEMT具有更高的击穿电压，成为高压HEMT的重要发展方向。经过近些年持续不断的技术进步，使得GaN基HEMT的击穿特性显著提升，然而目前商用1000V以上的功率器件仍然以SiC器件为主，GaN器件仍不能很好的满足高压高功率需求。这一事实与理论预测的击穿特性相矛盾。根据理论计算，GaN在导通电阻相同的情况下，比SiC具有更高的击穿电压。当器件结构经过很好的优化后，GaN基HEMT器件的击穿电压仍然远低于理论极限的重要原因来自于GaN材料的高位错密度。目前SiC的位错密度已经到了102/cm2量级，而GaN由于采用异质外延，位错密度高达108/cm2量级，即使采用价格极其高昂的GaN衬底，位错密度也达到105/cm2量级，仍远高于SiC的位错密度。和水平结构AlGaN/GaNHEMT器件承受高电压时电场主要集中在水平方向的源漏之间以及栅漏之间不同，当给一个垂直结构AlGaN/GaNHEMT器件承受高电压时，其电场主要集中在垂直方向，此时电流的方向和GaN内部的位错线方向一致。高密度的位错线处成为电场集中和漏电的主要通道而容易使AlGaN/GaNHEMT器件击穿，使AlGaN/GaNHEMT特性远低于理论值。可见，高位错密度带来的不利影响是现有垂直结构AlGaN/GaNHEMT器件击穿特性远低于理论水平的问题所在。
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/GaN高电子迁移率晶体管结构及其制造方法，通过位错调控结构的引入，在GaN位错附近形成对其余区域的相对高阻，从而使AlGaN/GaNHEMT器件在承受高电压的状态下，漏电流不从位错线处大量通过，而是被均匀分配到整个HEMT器件截面内，使得击穿性能向GaN理论击穿强度靠近，提升AlGaN/GaNHEMT器件的击穿电压。本专利技术的目的是这样实现的：一种垂直结构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、位错调控结构、GaN沟道层、AlGaN势垒层、P型层、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垂直导电通道，使漏极欧姆接触金属层与GaN沟道层联通，所述位错调控结构包括倒六角锥状坑形成层、势垒调控层以及倒六角锥状坑合并层，所述倒六角锥状坑形成层在位错线处形成倒六角锥状坑，所述势垒调控层在倒六角锥状坑侧壁以及倒六角锥状坑锥底位置形成比倒六角锥状坑之外区域的相对高阻，所述倒六角锥状坑合并层将所述倒六角锥状坑填平。更进一步，所述垂直导电通道由高阻层内的通孔以及通孔内填充的金属层构成，通孔内填充的金属层为漏极欧姆接触金属层或单独沉积的金属层。更进一步，所述垂直导电通道为在高阻层内利用Si离子注入形成的n型低阻区域。更近一步，所述势垒调控层在倒六角锥状坑侧壁以及倒六角锥状坑锥底位置为不掺杂AlxGa1-xN，在倒六角锥状坑之外区域为掺Si的AlxGa1-xN，其中0≤x≤0.3，利用Si掺杂差异使倒六角锥状坑内位错线附近区域成为相对高阻，从而使垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件在承受高电压的状态下，漏电流不从位错线处大量通过，而是被均匀分配到整个器件截面内，提升垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的击穿电压。更进一步，所述势垒调控层在倒六角锥状坑侧壁以及倒六角锥状坑锥底位置为平均Al组分x的AlxGa1-xN，在倒六角锥状坑之外区域为平均Al组分y的AlyGa1-yN，其中0.4≤x≤1，0<y≤0.3，且x/y≥1.5，利用Al组分差异使倒六角锥状坑内位错线附近区域成为相对高阻，从而使垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件在承受高电压的状态下，漏电流不从位错线处大量通过，而是被均匀分配到整个器件截面内，提升垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的击穿电压。更进一步，所述势垒调控层在倒六角锥状坑侧壁位置为厚度hp的AlxGa1-xN，在倒六角锥状坑之外区域为厚度hc的AlxGa1-xN，其中0≤x≤1，且hp/hc≥2，利用厚度差异使倒六角锥状坑内位错线附近区域成为相对高阻，从而使垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件在承受高电压的状态下，漏电流不从位错线处大量通过，而是被均匀分配到整个器件截面内，提升垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的击穿电压。更进一步，所述势垒调控层为前述势垒调控层的一种或者组合，也就是利用Si掺杂差异、Al组分差异及厚度差异中的一种或多种组合来使倒六角锥状坑内位错线附近区域成为相对高阻。更进一步，所述高阻层内的通孔的外边缘比栅极的外边缘小，定义高阻层内的通孔的外边缘与栅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插入层，AlN插入层厚度0～5nm，当AlN掺入层厚度为0nm时，相当于去掉AlN插入层。更进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种垂直结构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、位错调控结构、GaN沟道层、AlGaN势垒层、P型层、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垂直导电通道，使漏极欧姆接触金属层与GaN沟道层联通，所述位错调控结构包括倒六角锥状坑形成层、势垒调控层以及倒六角锥状坑合并层，所述倒六角锥状坑形成层在位错线处形成倒六角锥状坑，所述势垒调控层在倒六角锥状坑侧壁以及倒六角锥状坑锥底位置形成比倒六角锥状坑之外区域的相对高阻，所述倒六角锥状坑合并层将所述倒六角锥状坑填平。/n

【技术特征摘要】
1.一种垂直结构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、位错调控结构、GaN沟道层、AlGaN势垒层、P型层、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垂直导电通道，使漏极欧姆接触金属层与GaN沟道层联通，所述位错调控结构包括倒六角锥状坑形成层、势垒调控层以及倒六角锥状坑合并层，所述倒六角锥状坑形成层在位错线处形成倒六角锥状坑，所述势垒调控层在倒六角锥状坑侧壁以及倒六角锥状坑锥底位置形成比倒六角锥状坑之外区域的相对高阻，所述倒六角锥状坑合并层将所述倒六角锥状坑填平。


2.根据权利要求1所述的一种垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构，其特征在于：所述垂直导电通道由高阻层内的通孔以及通孔内填充的金属层构成，通孔内填充的金属层为漏极欧姆接触金属层，或是单独沉积的金属层；或所述垂直导电通道为在高阻层内利用Si离子注入形成的n型低阻区域。


3.根据权利要求1所述的一种垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构，其特征在于：所述势垒调控层在倒六角锥状坑侧壁以及倒六角锥状坑锥底位置为不掺杂AlxGa1-xN，在倒六角锥状坑之外区域为掺Si的AlxGa1-xN，其中0≤x≤0.3，利用Si掺杂差异使倒六角锥状坑内位错线附近区域成为相对高阻；或所述势垒调控层在倒六角锥状坑侧壁以及倒六角锥状坑锥底位置为平均Al组分x的AlxGa1-xN，在倒六角锥状坑之外区域为平均Al组分y的AlyGa1-yN，其中0.4≤x≤1，0<y≤0.3，且x/y≥1.5，利用Al组分差异使倒六角锥状坑内位错线附近区域成为相对高阻；或所述势垒调控层在倒六角锥状坑侧壁位置为厚度hp的AlxGa1-xN，在倒六角锥状坑之外区域为厚度hc的AlxGa1-xN，其中0≤x≤1，且hp/hc≥2，利用厚度差异使倒六角锥状坑内位错线附近区域成为相对高阻；或所述势垒调控层为三种势垒调控层的两种以上组合，也就是利用Si掺杂差异、Al组分差异及厚度差异中的两种以上来使倒六角锥状坑内位错线附近区域成为相对高阻。


4.根据权利要求1所述的一种垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构，其特征在于：所述垂直导电通道的外边缘比栅极电极的外边缘小，定义垂直导电通道的外边缘与栅极电极的外边缘之间的距离为Lg，1μm≤Lg≤10μm。


5.根据权利要求4所述的一种垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构，其特征在于：Lg与高阻层厚度的差值小于1微米。


6.根据权利要求1所述的一种垂直结构AlGaN/GaN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插入层，AlN插入层厚度0～5nm，当AlN掺入层厚度为0nm时，相当于去掉AlN插入层；所述高阻层为掺C或Fe元素的GaN或AlGaN，所述高阻层的厚度为1～10μm；所述P型层为掺Mg元素的P-GaN或者P-AlGaN；所述基板为导电导热良好的材料。


7.根据权利要求1所述的一种垂直结构AlGaN/GaN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。


8.根据权利要求1所述的一种垂直结构AlGaN/GaN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。


9.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的一种垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构的制造方法，其特征在于，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、位错调控结构、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层、P型层在内的HEMT外延薄膜；
(2)在所述HEMT外延薄膜上通过光刻腐蚀技术腐蚀掉需制作栅极电极之外区域的P型层；
(3)在AlGaN势垒层和P型层上生长钝化层；
(4)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；
(5)利用光刻腐蚀技术腐蚀掉P型层上方的钝化层，之后利用剥离技术制作栅极电极；
(6)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；
(7)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；
(8)利用粘结层将所述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；
(9)在高阻层内形成垂直导电通道；
(10)在形成了垂直导电通道的过渡HEMT外延薄膜上依次沉积漏极欧姆接触层、键合金属层；
(11)提供基板，在基板正面沉积键合金属层，背面沉积漏极电极金属层，利用键合金属层将过渡HEMT外延薄膜和基板绑定在一起；

【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