一种半导体晶体及其形成方法。该方法包括提供包含掺杂剂和III族元素的气体流、停止提供包含掺杂剂和III族元素的气体流降低温度、重新开始提供包含III族元素的气体流然后升高温度。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及氮化镓(GaN)晶体管的领域。尤其，本专利技术涉及一种用于捕获多余的掺杂剂的方法和装置。
技术介绍
对于功率半导体器件，氮化镓(GaN)半导体器件的需求日益增加，这是由于它们能够承载大电流并且支持高电压的能力。这些器件的发展通常旨在进行高功率/高频应用。为这些应用类型而制造的器件基于展示高电子迁移率的通用器件结构，并且这些器件被称为异质结场效应晶体管(HFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)或者调制掺杂场效应晶体管(MODFET)等各种名称。这些类型的器件典型地可以经受高电压，例如100伏特，同时在高频下运行，例如IOOkHz-IOGHz。GaN HEMT器件包括具有至少两个氮化物层的氮化物半导体。形成在该半导体或缓冲层上的不同材料使得这些层具有不同的带隙。相邻氮化物层中的不同材料还引起极化， 这有助于在两层接合处附近，尤其在具有较窄带隙的层中形成导电二维电子气ODEG)区。弓丨起极化的这些氮化物层通常包括临近GaN层的AlGaN阻挡层，以包括2DEG，其允许电荷流经器件。该阻挡层可以是掺杂或无掺杂的。由于在零栅偏压下门极下方存在2DEG 区，所以大部分氮化物器件是常开型或者是耗尽型器件。如果在施加零栅偏压时在门极下方2DEG区被耗尽，即被移除，则该器件可以是增强型器件。增强型器件是常关型，并且由于它们提供的附加安全性而符合需要。为了传导电流，增强型器件需要在门极施加正偏压。图1示出了常规GaN晶体管器件100。器件100包括由硅(Si)、碳化硅(SiC)、蓝宝石或其他材料形成的基底11，通常由氮化铝(AlN)和氮化铝镓(AKiaN)形成的厚度为约0. 1至约1. 0 μ m的过渡层12，掺杂Mg的GaN层10，通常由GaN形成的厚度为约0. 5至约3 μ m的缓冲层13，由GaN或氮化铟镓QnfeiN)形成的厚度通常为约0. 01至0. 5 μ m的电流传导区14，通常由AWaN、Al和钛(Ti)形成的可以具有Si的厚度通常为约0. 01至约 0. 03 μ m的接触区15，通常由AlGaN形成的厚度为约0. 01至约0. 03 μ m的阻挡层16，其中 Al和( 比例为约0. 1至约0. 5，由镍(Ni)和金(Au)金属触点形成的门极结构17，以及由具有诸如Ni和Au的封盖金属的Ti和Al形成的欧姆触点金属18和19。在常规GaN晶体管器件(例如图1)中生长掺杂Mg的GaN材料期间，将镁(Mg)添加至生长环境中。该Mg积聚在GaN的表面上，并且成为晶体的一部分。此外，在该部分生长期间，Mg覆盖了生长腔的壁。在生长掺杂Mg的材料之后，为了获得不具有Mg的材料而生长未掺杂的GaN是困难的，这是因为在GaN的表面仍然残留有Mg并且在室壁上也具有Mg。 由于Mg容易在生长腔移动，所以这些残余的Mg将继续污染晶体更长时间。常规GaN晶体管具有许多缺点。击穿电压受到门极17宽度的限制(如图1中所示)。为了实现高电压，需要宽的门极以及门极17和漏极触点18之间的大间隔，这是由于在未掺杂GaN材料13中由于氧污染和氮空位导致的残余η-型掺杂。此外，使用掺杂在缓冲层中的Mg的常规GaN晶体管受到由阻挡层附近的Mg所引起的导电性改变的不良影响。
技术实现思路
需要提供一种方法和装置，以实现利用掺杂缓冲层改善器件的击穿电压，同时消除由阻挡层附近的掺杂剂引起的器件性能波动。为了实现该目标，需要捕获多余的掺杂剂， 以便于避免现有技术的上述缺点。附图说明图1示出了常规GaN晶体管器件的横截面视图。图2示出了根据本专利技术第一实施例形成的增强型GaN晶体管器件的横截面视图。图3是与非中断或标准生长相比的单行中断和多行中断的缓冲层中的Mg浓度的曲线图。图4示出了根据本专利技术第二实施例形成的增强型GaN晶体管器件的横截面视图。 具体实施例方式在下列详述中，参考特定实施例。充分详细地描述这些实施例，以使得本领域技术人员能够实施这些实施例。应当理解的是，可以采用其他实施例，并且可以进行各种结构、 逻辑和电气改变。本专利技术涉及具有Mg生长中断层以捕获多余或残余的掺杂剂的GaN晶体管器件，以及用于制造该器件的方法。本专利技术被设计成迫使Mg与氮进行反应，例如形成较低挥发性的材料，即氮化镁。随后，该材料被一层GaN或AlGaN所覆盖。覆层步骤可以在较低的温度下进行，以协助覆层。通过降低温度，MgN与Al或( 之间将发生较少的反应。Al和MgN的反应使得形成A1N，而MgN还原成Mg。该反应与所需覆层和MgN的捕获相竞争。因而，如果可以通过降低温度而抑制该反应，Mg将更易于以MgN的形式存留。参考图2，现在参考增强型GaN晶体管的形成来描述第一实施例。图2示出器件 200的截面视图。器件200自底向上地包括基底31、过渡层32、Mg掺杂层33、生长中断层 39、缓冲层34、阻挡层35、欧姆接触金属36、37以及门极结构38。生长中断层(Mg扩散阻挡)39可以由一层或多层高度Mg掺杂的GaN构成。它们可以通过中断生长并且将表面暴露至氨而形成。可以使用除了 Mg之外的其他合适的掺杂剂，包括铁0 )、镍(Ni)、锰(Mn)、 钙(Ca)、钒(V)或其他过渡金属。现在将参考Mg作为掺杂剂的一个实例，描述图2的结构的形成。通过在基底31 上成核和生长形成过渡层32。基底31可以包括硅(Si)、碳化硅(SiC)、蓝宝石、氧化锂镓 (LiGaO2)、氮化镓(GaN)或其他合适的材料。过渡层32可以包括AlN、AlGaN、IniUGaN、Si02、 SiN、Mg0、Al203或其组合物，优选其厚度为约0. 1至约1. 0 μ m。过渡层32通常厚度小于约 1000埃。随后，生长Mg掺杂层33。Mg掺杂层33可以包括GaN，其厚度为约0. 1至约1. 0 μ m， 其中Mg的浓度在每cm3具有IO16个原子和每cm3具有IO19个原子之间。接着，生长阻挡Mg 的生长中断层39。生长中断层39的形成包括生长不具有含Mg材料的GaN，停止提供含镓材料、同时维持提供氨或其他活性氮源(例如，等离子体N2)，以形成一层氮化镁，开始提供 Ga以通过生长一层GaN而封盖该氮化镁层，再次中断生长并重复上述顺序，直到实现最终层中的Mg的目标含量。接着，生长缓冲层34、阻挡层35和门极结构38，并且进行材料处理以形成门极触点。缓冲层34可以包括GaN，优选厚度为约0.5至约3.0μπι。阻挡层可以包括AlGaN，其中Al组分比例为约0. 1至约0. 5，优选厚度在约0. 01和约0. 03 μ m之间。Al 组分比例是Al在AlGaN的含量，其中Al组分比例加上( 组分比例等于1。门极结构38可以包括P型GaN，其具有高熔点金属触点，诸如钽(Ta)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钨(W)或硅化钨(WSi2)。门极结构可以是简单金属，如Au下的Ni，或者具有金属的半导体，如TiN下的GaN，或者金属下的绝缘体下的半导体，如TiN下的SiN下的GaN。其他半导体可以是Si、 6&八8或hAlGaN。其他绝缘体可以是AlfeiN JnAl(iaN、Si02、SiN、Mg0、Al203。其他金属可以是Al、Ni、Au、Pt等。也可以使用多晶硅代替金属。金属和门极层优选厚度本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种半导体晶体，包括：基底；一组位于该基底上的过渡层；以及该组过渡层上的ＩＩＩ族氮化合物（ＩＩＩ－Ｎ），包含经调制并且逐渐降低浓度的掺杂剂原子。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·比奇，赵广元，
申请(专利权)人：宜普电源转换公司，
类型：发明
国别省市：US
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