高品质因数氧化镓晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高品质因数氧化镓晶体管，包括：由下到上依次叠置的单晶氧化镓衬底(1)、氧化镓外延层(2)和变掺杂沟道层(3)；源极(S)和漏极(D)，分别位于变掺杂沟道层(3)表面两端；介质层(4)，位于变掺杂沟道层(3)表面且连接源极(S)和漏极(D)；栅极(G)，位于介质层(4)表面；其中，变掺杂沟道层(3)中的对应位置的掺杂浓度与该对应位置与栅极(G)的距离有关。本发明专利技术突破了击穿电压与导通电阻之间的矛盾，在高功率电子器件领域有较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
高品质因数氧化镓晶体管及其制备方法
本专利技术涉及微电子
，尤其涉及一种高品质因数氧化镓晶体管结构及其制备方法。
技术介绍
氧化镓由于其优异的材料特性(高禁带宽度、高击穿电场、高功率品质因数)以及低廉的生产成本，被认为是应用于下一代功率半导体的优选材料。氧化镓的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)经过了近8年的发展，器件的性能指标已经取得了很大的进步，然而在性能的优化上还面临着诸多问题。功率品质因数是衡量器件是否适合于电力电子器件应用的重要指标，表达式为Vbr2/Ron，其中Vbr为击穿电压，Ron为导通电阻。然而导通电阻与击穿电压这两个指标是相互矛盾的(trade-off)，想要提升其中一个指标，需要牺牲另外一个指标。目前，一些终端结构如金属场板等被提出应用于氧化镓高击穿MOSFET。场板结构需在原有器件基础上生长一层钝化层(一般为SiO2或者SiN)，然后再刻蚀出源漏电极通孔，并采用lift-off工艺图形化生长与源电极或栅电极相连接的金属场板。现有的场板结构能够有效地使沟道中的电场峰值位置发生转移，从而在不影响器件导通电阻的前提下有效提升器件的耐压。然而金属场板的引入需要新的钝化层技术，从而引入了新的击穿点。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题针对现有技术存在的上述缺陷，本专利技术提供了一种高品质因数氧化镓晶体管及其制备方法，在实现具有较高耐压的同时，能够维持较低导通电阻，解决了氧化镓场效应晶体管导通电阻与击穿电压之间的权衡问题。(二)技术方案r>本专利技术一方面提供一种高品质因数氧化镓晶体管，包括：由下到上依次叠置的单晶氧化镓衬底1、氧化镓外延层2和变掺杂沟道层3；源极S和漏极D，分别位于变掺杂沟道层3表面两端；介质层4，位于变掺杂沟道层3表面且连接源极S和漏极D；栅极G，位于介质层4表面；其中，变掺杂沟道层3中的对应位置的掺杂浓度与该对应位置与栅极G的距离有关。可选地，单晶氧化镓衬底1为β-Ga2O3半绝缘衬底，掺杂元素为Fe或Mg；氧化镓外延层2为非故意掺杂的β-Ga2O3外延薄膜；变掺杂沟道层3为n型掺杂的β-Ga2O3，掺杂元素为Si、Sn或Ge。可选地，介质层4为厚度为10～50nm的A12O3材料，源极S和漏极D的材料均为Ti/Au两层金属，栅极G的材料为Pt/Ti/Au三层金属。可选地，变掺杂沟道层3的掺杂浓度在2×1016cm-3～1×1022cm-3之间。可选地，变掺杂沟道层3中的对应位置的掺杂浓度与该对应位置与栅极G的距离有关，包括：变掺杂沟道层3中的距离栅极G越远位置的掺杂浓度越高。可选地，变掺杂沟道层3位于栅极G与漏极D之间的第一对应位置内，按照第一对应位置与栅极G的距离大小划分为m个区域，m≥2，第i个区域比第i+1个区域距离栅极G更近，1≤i≤m；变掺杂沟道层3中的各区域长度满足以下关系：L1+L2+…+Lm＝Lgd+Lg+Ld且L1、L2、…、Lm≥0其中，Li1≤i≤m表示第i个区域的长度；Lg表示栅极G长度；Ld表示漏极D长度；Lgd表示栅极G与漏极D在水平方向的间距。可选地，变掺杂沟道层3中的各区域的掺杂浓度满足以下关系：0＜Nd1＜Nd2＜…＜Ndm＜1022cm-3其中，Ndi表示第i个区域的掺杂浓度，1≤i≤m。本专利技术另一方面提供一种高品质因数氧化镓晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，生长单晶氧化镓衬底1；S2，在单晶氧化镓衬底1上生长氧化镓外延层2；S3，在氧化镓外延层2上生长沟道层301；S4，将沟道层301形成变掺杂沟道层3；S5，在变掺杂沟道层3上淀积介质层4、源极S、漏极D和栅极G。可选地，步骤S4中，采用多次离子注入方式或高温扩散工艺形成变掺杂沟道层3。可选地，步骤S3中，沟道层301为单一恒定掺杂浓度，沟道层301采用分子束外延沉积或金属有机化学气相淀积形成。(三)有益效果与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术采用变掺杂沟道的技术无需引入新的钝化工艺，因此不会引入新的击穿点，使得击穿位置依然发生在氧化镓的本征材料上。(2)本专利技术采用的变掺杂沟道器件，在实现具有较高耐压的同时，能够维持较低导通电阻，突破击穿电压与导通电阻之间的trade-off。(3)本专利技术在高功率电子器件领域有较好的应用前景。附图说明为了更完整地理解本专利技术及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：图1示意性示出了本专利技术实施例的高品质因数氧化镓晶体管的结构图；图2示意性示出了本专利技术实施例的高品质因数氧化镓晶体管的变掺杂浓度设置；图3示意性示出了本专利技术实施例的高品质因数氧化镓晶体管的制备方法的流程图；图4示意性示出了常规结构与本专利技术实施例的高品质因数氧化镓晶体管的直流输出特征曲线对比图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在详细描述本公开的具体实施例之前，首先对技术术语进行阐释，以便于更好地理解本公开。MOSFET：氧化镓金属-氧化物-半导体场效应晶体管，广泛使用在模拟电路与数字电路的场效应晶体管。Trade-off：是指两个参数指标之间是相互矛盾的，提升其中一个性能参数需要牺牲另一个性能参数。在晶体管中，导通电阻与击穿电压之间往往是不可兼得的。为了实现高击穿电压的氧化镓MOSFET，需要一个相对低的沟道掺杂以及一个较长的栅极-漏极距离。然而，低掺杂通道和长栅极-漏极距离会导致较高的导通电阻，从而导致高功率损耗。为此，本专利技术提供了一种新型的氧化镓晶体管结构及其制备方法，采用了变掺杂沟道，在实现具有较高耐压的同时，能够维持较低导通电阻，突破击穿电压与导通电阻之间的trade-off。图1示意性示出了本专利技术实施例的高品质因数氧化镓晶体管的结构图。请参见图1所示，本专利技术实施例中，高品质因数氧化镓晶体管从下至上依次包括：单晶氧化镓衬底1、氧化镓外延层2和变掺杂沟道层3；源极S和漏极D，分别位于变掺杂沟道层3表面两端；介质层4，位于变掺杂沟道层3表面且连接源极S和漏极D；栅极G，位于介质层4表面。其中，变掺杂沟道层3中的对应位置的掺杂浓度与该对应位置与栅极G的距离有关。可以理解的是，功率场效应晶体管的品质因数的表达式为Vbr2/Ron，其中，Vbr为击穿电压，Ron为导通电阻。为提高功率品质因数，可通过提高击穿电压Vbr或降低导通电阻Ron两种方法。导通电阻与击穿电压均随掺杂浓度Nd成负相关Ron与Vbr均随Nd的增大而减小。对于晶体管来说，不同位置的沟道浓度对器件的击穿电压导通电阻的敏感度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高品质因数氧化镓晶体管，其特征在于，包括：/n由下到上依次叠置的单晶氧化镓衬底(1)、氧化镓外延层(2)和变掺杂沟道层(3)；/n源极(S)和漏极(D)，分别位于所述变掺杂沟道层(3)表面两端；/n介质层(4)，位于所述变掺杂沟道层(3)表面且连接所述源极(S)和漏极(D)；/n栅极(G)，位于所述介质层(4)表面；/n其中，所述变掺杂沟道层(3)中的对应位置的掺杂浓度与该对应位置与所述栅极(G)的距离有关。/n

【技术特征摘要】
1.一种高品质因数氧化镓晶体管，其特征在于，包括：
由下到上依次叠置的单晶氧化镓衬底(1)、氧化镓外延层(2)和变掺杂沟道层(3)；
源极(S)和漏极(D)，分别位于所述变掺杂沟道层(3)表面两端；
介质层(4)，位于所述变掺杂沟道层(3)表面且连接所述源极(S)和漏极(D)；
栅极(G)，位于所述介质层(4)表面；
其中，所述变掺杂沟道层(3)中的对应位置的掺杂浓度与该对应位置与所述栅极(G)的距离有关。


2.根据权利要求1所述的高品质因数氧化镓晶体管，其特征在于，所述单晶氧化镓衬底(1)为β-Ga2O3半绝缘衬底，掺杂元素为Fe或Mg；
所述氧化镓外延层(2)为非故意掺杂的β-Ga2O3外延薄膜；
所述变掺杂沟道层(3)为n型掺杂的β-Ga2O3，掺杂元素为Si、Sn或Ge。


3.根据权利要求1所述的高品质因数氧化镓晶体管，其特征在于，所述介质层(4)为厚度为10～50nm的Al2O3材料，所述源极(S)和漏极(D)的材料均为Ti/Au两层金属，所述栅极(G)的材料为Pt/Ti/Au三层金属。


4.根据权利要求1所述的高品质因数氧化镓晶体管，其特征在于，所述变掺杂沟道层(3)的掺杂浓度在2×1016cm-3～1×1022cm-3之间。


5.根据权利要求1所述的高品质因数氧化镓晶体管，其特征在于，所述变掺杂沟道层(3)中的对应位置的掺杂浓度与该对应位置与所述栅极(G)的距离有关，包括：
所述变掺杂沟道层(3)中的距离所述栅极(G)越远位置的掺杂浓度越高。


6.根据权利要求1所述的高品质因数氧化镓晶体管，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐光伟，周选择，赵晓龙，龙世兵，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34