一种减小GaN功率开关器件电流坍塌的器件结构的制作方法

本发明属于半导体技术领域，涉及gan基功率电子器件结构与制作工艺

背景技术：

gan作为第三代半导体的代表，具有禁带宽度大，高饱和漂移速度，高临界击穿场强，高热导率等优点，特别是gan异质结构不掺杂时通过强自发极化效应可以产生高浓度的二维电子气，优越的性能使其在电力电子、射频微波等领域有着广泛的应用。

以电流坍塌为代表的可靠性问题是gan基功率开关器件最终走向实用化的最严峻问题之一。电流坍塌导致器件动态电阻减小，增加了功率开关器件的动态响应时间，使得器件可靠性大大降低。表面及势垒层陷阱，高阻的gan缓冲层都被认为是产生电流坍塌现象的重要因素，其中高阻的gan缓冲层在漏端应力作用下所造成的电流坍塌是人们研究的重点之一。si基gan功率开关器件的缓冲层往往掺c，导致沟道和缓冲层之间形成pn结，器件关闭时，在高的漏极电压下pn结是耗尽的。器件打开后，由于缓冲层内的空穴恢复需要一定的时间，沟道电子也不能立刻恢复，从而导致电流坍塌现象的发生。

gan功率器件中的电流坍塌极大的降低了器件的工作特性，为了解决这一问题，许多研究工作者一直在探索减小电流坍塌的方法，目前，减小电流坍塌的主要方法有：1.表面钝化技术，在器件表面淀积si3n4等钝化层，减小表面缺陷对沟道电子的影响；2.场板技术，主要是采用与栅极或者源极相连的场板设计，调控沟道中的二位电子气，从而减小电流坍塌；3.能带工程，通过插入不同的材料，改变异质结的能带结构，进而提高沟道电子浓度，减小电流坍塌。

目前，减小gan功率器件电流坍塌的方法主要通过削弱表面或势垒层陷阱对沟道电子的影响来实现，而广泛使用的gan功率器件中，gan缓冲层往往掺杂一定浓度的c、fe等元素提高器件的耐压水平，但这往往会在gan缓冲层中引入相当数量的缺陷，这些缺陷也会在一定程度上造成电流坍塌，而gan缓冲层造成的电流坍塌并没有很好的解决措施。

技术实现要素：

本发明主要是为了更好地解决gan功率开关器件中的电流坍塌问题，提出了一种改进的器件结构，增加了高掺杂的p型区，作为空穴源，它可以为c掺杂的gan缓冲层提供空穴的注入，缩短缓冲层在关态应力消失后从空穴耗尽恢复到平衡状态所需要的时间，进而加快沟道电子的恢复，减小电流坍塌的影响。

本发明的技术思路是：提出一种改进的器件结构，在gan基功率开关器件的源端，通过注入mg离子形成较高掺杂的p型区，该p型区与gan缓冲层相连。器件从关闭到导通的过程中，该p型区可以为缓冲层提供足够的空穴，使得器件缓冲层中空穴的恢复时间变短，相应的沟道电子的恢复时间也变短，从而抑制了器件的电流坍塌。

根据上述设计思路，一种减小gan功率开关器件电流坍塌的器件结构包括衬底，gan缓冲层，gan沟道层、本征algan势垒层、掩膜介质层、绝缘栅介质层、源、漏、栅金属层以及源极下方的mg注入层；mg注入层将源极和缓冲层连接，源极面积大于mg注入层面积，使得部分algan势垒层仍与源极相连；在衬底上外延生长algan/gan异质结材料，并在该结构上形成源极和漏极；在晶元表面定义mg注入区域以及栅极区域，栅极区域下方掩膜介质层和algan层被刻蚀掉。

所述的gan功率开关器件为si基ganhemt、ganmosfet或者mis-hemt。

该结构各组成成分及材料种类如下所示：

所述的gan沟道层厚度在0和20nm之间。

所述的掩膜介质层材料可以为：si3n4、sio2、sion。

所述的绝缘栅介质层的材料为以下材料中的任意一种：si3n4、al2o3、aln、hfo2、sio2、hftio、sc2o3、ga2o3、mgo、sino。

所述源极和漏极为：钛、铝、镍、金、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆、钨等中的一种或多种的合金。

所述栅极金属为以下导电材料的一种或多种的组合：铂、铱、镍、金、钼、钯、硒、铍、tin、多晶硅、ito。

所述的mg离子注入浓度为：10¹⁸～10²⁰cm^-3。

区别于现有的器件结构，本发明的有益效果是：提出了一种减小gan功率开关器件电流坍塌的结构，这是一种新的设计思路。在源端注入mg离子形成p型区，并与gan缓冲层相连，使得缓冲层在器件从关闭到开启的过程中有足够的空穴注入，缩短了耗尽层的恢复时间，从而缩短了沟道电流的恢复时间，减小了电流坍塌。该结构与已知的减小电流坍塌结构工艺兼容，可以与其它方法相结合，进一步削弱电流坍塌的影响。

附图说明

通过参照附图能更加详尽地描述本发明器件的结构以及本发明的示例性实施例，在附图中：

图1是本发明器件整体剖面结构图。

图2～图11是本发明的一种实施例在每一步制造工艺后的剖面示意图，反映了本发明的工艺制造流程。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整的描述。所描述的实施例仅是本发明中的一种实现形式，即本发明不应该解释为局限于在此阐述的实施例。基于该实施例，将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。

参照图1，该器件结构从下向上的顺序依次包括硅衬底、gan缓冲层、gan沟道本征algan势垒层、si3n4掩膜层、绝缘栅介质层、源、漏和栅金属层，mg注入层位于源极下方，与gan缓冲层相连。其制备方法包括以下步骤：

(1)如图2所示，首先用mocvd在si衬底上生长一层gan缓冲层，然后再生长一层本征gan层，最后生长24nm的algan。本征gan与algan边界处会形成二维电子气。

(2)在图2结构基础上，首先进行台面隔离，得到有源区，然后淀积一层sio2，之后光刻出mg离子注入窗口，利用sio2作为掩膜层，通过离子注入注入mg离子，形成p型掺杂区，通过控制离子注入条件使得mg离子的注入深度达到gan缓冲层的位置，浓度达到10¹⁸～10²⁰cm-3，其剖面图如图3和图4所示。

(3)在以上结构基础上，通过光刻形成源漏电极图形，然后电子束蒸发ti/al/ni/au四种金属，采用剥离工艺制备出源区和漏区的金属电极，并在900℃氮气氛围中进行快速退火30秒，形成欧姆接触，其剖面图如图5所示。

(4)在图5所示剖面结构基础上，用pecvd或icpcvd的方法淀积si3n4的钝化层，形成的结构剖面图如图6所示。

(5)用f基气体刻蚀si3n4，得到栅极区域，如图7所示。

(6)此实施例中采用氧化和湿法刻蚀的方法来实现增强型器件。首先用将已经刻蚀出栅区的晶元放入等离子体系统中氧化3min，如图8所示，接下来用比例为1∶10的hcl浸泡为1min，从而刻蚀掉本征algan势垒层，形成增强型器件如图9所示。

(7)不断重复(6)中步骤，直到测试出所制备器件的漏电流为零，这时说明本征algan层被刻蚀完全，已经成功地实现了常闭的增强型器件。

(8)在(7)的基础上，在晶元表面生长绝缘栅介质层，形成栅控结构，如图10所示。

(9)光刻出源、漏电极之后，用电子束蒸发在凹槽区域淀积ni/au合金，随后用剥离工艺形成栅金属电极，电极为t型栅结构，如图11所示。最后在氮气环境下对整个晶元 进行退火处理，退货条件为400℃下退火10min。

(10)通过以上步骤，即得到能够减小电流坍塌的gan功率开关器件结构，有效抑制了器件的电流坍塌。