一种横向导通的GaN常关型MISFET器件及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件的技术领域，更具体地，涉及一种横向导通的GaN常关型MISFET器件及其制作方法。
【背景技术】
[0002]GaN半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子漂移速度大和热导率高等优越的性能，以及在AlGaN/GaN异质结界面存在高浓度和高电子迀移率的二维电子气(2DEG)，与Si材料相比，其更加适合制备高功率大容量、高开关速度的电力电子器件，成为下一代功率开关器件的理想替代品。
[0003]在以变流技术为基础的电力电子装置中，控制变流过程的功率开关晶体管都是常关型的(又称增强型)，这一点是保证电力电子回路“失效安全”的基础。然而，AlGaN/GaN异质结中极化场产生的高浓度的二维电子气，导致了场效应管中导电沟道很难被肖特基接触形成的耗尽区阻断，实现性能稳定的常关型GaN功率开关器件仍是目前国际科技界和产业界公认的难点。当前制作GaN基常关型场效应管，主要采用异质结的方式，主要的方法有:凹栅结构、薄势皇层结构、栅极氟化物等离子体注入、栅极下生长InGaN层、栅极下生长P型AlGaN层(或P型GaN层)等。作为主流技术的凹栅结构和栅极氟化物等离子体注入，由于等离子刻蚀和注入的方式，不可避免会造成材料的损伤，从而劣化器件的工作性能和可靠性。而其他实现方式，也存在各自的缺点等。
[0004]最近几年，已有相关报道采用选择区域生长技术(SAG)实现横向导通GaN常关型场效应晶体管的工艺方法(参见文献:Yuhua Wen, Zhiyuan He, Jialin Li, et al.Enhancement-mode AlGaN/GaN heterostructure field effect transistors fabricatedby selective area growth technique.APPLIED PHYSICS LETTERS 98， 072108 (2011)和文献 Yao Yao, Zhiyuan He, Fan Yang，et al.Normally-off GaN recessed-gateMOSFET fabricated by selective area growth technique.Applied Physics Express7，016502 (2014))。选择区域生长技术用于设计制备横向导通GaN常关型场效应晶体管，避免了等离子刻蚀或氟离子处理对凹栅处晶格损伤，提高器件性能。二次外延生长高质量的异质结构沟道，是确保器件实现低通态电阻和高开关比特性的基础，是这种器件制备方法和结构设计中的关键之一。然而在二次生长中，往往存在杂质元素背景掺杂。如美国乔治亚理工学院的W.Lee等人曾报道在GaN 二次生长界面存在高浓度的Si杂质，其对异质结构沟道2DEG浓度和迀移率有很大影响(参见文献:W.Lee, J.-H.Ryou, D.Yoo, etal.0ptimizat1n of Fe doping at the regrowth interface of GaN for applicat1nsto ΙΙΙ-nitride-based heterostructure field-effect transistors.APPLIED PHYSICSLETTERS 90, 093509(2007))。尤其在选择区域生长技术制备横向导通GaN常关型场效应晶体管中，二次生长的异质结构沟道(导电有源层)离二次生长界面非常近，其极易被二次生长界面背景掺杂元素污染，导致器件性能劣化。
【发明内容】
[0005]本发明的目的主要在于改善现有技术方案中二次外延生长的异质结构沟道的性能，提高异质结构沟道2DEG的迀移率，提供一种能够实现低导通电阻、高输出电流密度、高开关比的性能优越的横向导通GaN常关型MISFET器件及其制作方法。
[0006]本发明采用选择区域生长法制备横向导通常关型GaN场效应晶体管。选择区域生长一般需要图形化的掩膜层来选择需要生长的区域，通常形成图形化掩膜层的主要步骤包括:先在衬底GaN外延层上沉积一层S12作为掩膜层，而后通过光刻工艺在所述S1 2掩膜层上形成有一定图形的光刻胶保护层，再用腐蚀工艺将裸露出来的S12掩膜层去除，然后有机清洗去除光刻胶保护层，最后在GaN外延层上保留的S12即图形化的掩膜层，在无掩膜层的GaN外延层区域(二次生长界面)可进行二次生长非掺杂GaN层和异质结构势皇层。但是这种掩膜工艺过程中会遇到以下问题:采用腐蚀工艺去除3102掩膜层时很难将5102腐蚀干净，在二次生长界面会有大量残留，在二次外延生长时，该残留的杂质元素在高温下极易扩散至二次生长的异质结构沟道中，对沟道2DEG散射严重，造成2DEG迀移率的大幅度降低。
[0007]本发明的制作方法，通过二次外延首先生长一层杂质过滤层，该杂质过滤层能有效降低二次生长界面处杂质向上扩散对二次外延生长的异质结构沟道的污染，二次外延生长出高质量的异质结沟道，从而改善器件性能。
[0008]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种横向导通的GaN常关型MISFET器件，其结构由下往上依次包括衬底、应力缓冲层、GaN外延层、二次外延生长的杂质过滤层及非掺杂GaN层和异质结构势皇层，二次外延生长形成凹槽，凹槽沟道和异质结构势皇层裸露的表面覆盖一绝缘层，异质结构势皇层的两端形成有源极和漏极，凹槽沟道处的绝缘层上覆盖有栅极。
[0009]该凹槽呈U型或梯型结构。
[0010]所述衬底为Si衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底中的任一种。
[0011]所述应力缓冲层为A1N、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为100nm~10 μ m。
[0012]所述GaN外延层为非故意掺杂的GaN外延层或掺杂高阻GaN外延层，所述掺杂高阻层的掺杂元素为碳或铁；GaN外延层厚度为100 nm~5 μ m。
[0013]所述杂质过滤层材料为含铝氮化物，包括但不限于AlGaN、AlInN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合，厚度为1-500 nm，且铝组分浓度可变化。
[0014]所述非掺杂GaN层的厚度为10-500 nm ;所述异质结构势皇层材料包括但不限于AlGaN, AlInN, InGaN, AlInGaN, AlN中的一种或任意几种的组合，所述异质结构势皇层厚度为 5-50 nm。
[0015]在非掺杂GaN层与异质结构势皇层之间还生长一 AlN层，所述AlN层厚度为1_10nmD
[0016]所述绝缘层材料包括但不限于Si02、SiNx、Al203、AlN、HfO2、Mg0、Sc203、Ga203、AlHfOx或HfS1N中的一种或任意几种的堆叠组合，所述绝缘层厚度为1-100 nm ；
所述源极和漏极材料包括但不限于Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金或Ti/Al/Mo/Au合金，其他能够实现欧姆接触的各种金属或合金均可作为源极和漏极材料；所述栅极材料包括但不限于Ni/Au合金、Pt/Al合金或Pd/Au合金，其他能够实现高阈值电压的各种金属或合金均可作为栅极材料。
[0017]一种所述的横向导通的GaN常关型MISFET器件的制作方法，包括以下步骤:
51、在Si衬底上生长应力缓冲层；
52、在应力缓冲层上生长高阻GaN外延层；
53、在高阻GaN外延层上沉积一层S12，作为掩膜层；
54、通过光刻的方法，保留形成栅极区域之上的掩膜层；
55、选择区域二次外延生长杂质过滤层、非掺杂GaN层和异质结构势皇层，形成凹槽栅极；
56、去除栅极区域之上的掩膜层；
57、在异质结势皇层和凹槽部位沉积栅极的绝缘层；
58、干法刻蚀完成器件隔离，同时在绝缘层上刻蚀出源极和漏极欧姆接触区域；
59、在源极和漏极区域蒸镀上源极和漏极欧姆接触金属；
S10、在凹槽处绝缘层上栅极区域蒸镀栅极金属。
[0018]所述的步骤S1、S2中的应力缓冲层和GaN外延层及步骤S5中的杂质过滤层、非掺杂GaN层和异质结构势皇层的生长方法为金属有机化学气相沉积法或分子束外延法；
所述步骤S3中掩膜层以及步骤S7中绝缘层的生长方法为等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法或磁控溅射法。
[0019]与现有技术相比，有益效果是:本发明提出了一种横向导通的GaN常关型MISFET器件及其制作方法，该器件采用二次外延生长技术，在一次GaN外延层上，二次外延生长杂质过滤层、非掺杂GaN层以及异质结势皇层，利用杂质过滤层对杂质的阻挡功能，有效阻挡二次生长界面处杂质在高温生长环境下向二次外延层扩散，从而降低异质结构中2DEG杂质散射，提高迀移率，使器件获得低导通电阻、高输出电流密度、高开关比特性。
【附图说明】
[0020]图1-10为本发明实施例1的器件制作方法工艺示意图；
图11为本发明实施例2的器件结构示意图；