垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体器件，特别是涉及一种垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件、及电流传输的导通沟道的方法。
【背景技术】
[0002]1993年Khan等人制作出第一支GaN基金属半导体场效应晶体管(MESFET)AlGaN/GaN 高电子迀移率晶体管(HEMT)，参见 Appl.Phys.Lett, 1993, Vol.63(9): 1214-1215。虽然水平结构AIGaN/GaN性能、能耗以及优值等问题优于Si器件，但是依然存在一些问题制约着GaN器件的商业化进程，例如AIGaN/GaN HFET在大栅极偏压或高频条件下会出现电流崩塌效应，当AIGaN/GaN HFET工作在高温、大功率环境下时会产生的“自热效应”，降低器件的微波功率特性，以及不易于Si功率型器件兼容性很差的问题。Si基功率型器件从双极性晶体管、晶闸管、双极性晶体管、M0SHFET以及到后来的IGBT为了满足不同额定功率、开关频率以及增益等要求，其实Si基功率型器件的电流传输方向从水平方向到垂直方向的传输，而这种传输模式对于后来器件的封装等商业化提供了便利。从水平型结构AIGaN/GaN到垂直型结构AIGaN/GaN HEMT的发展未来也有这样一个发展的趋势。
[0003]在垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件的发展过程中，电流阻挡层和电流导通通孔的制备一直是其中的难点。目前对于电流阻挡层电流导通通孔的制备一般有三种方案:
[0004](I)Mg掺杂形成P-GaN作为电流阻挡层与光刻刻蚀形成小孔进行二次外延。该方法采用首先生长P-GaN，生长完成以后光刻刻蚀形成一个小孔进行二次外延利用具有一定η型掺杂浓度的GaN填充小孔，这样对于二次外延生长带来了很大问题。具体参见A Vertical Insulated Gate AIGaN/GaN Heterojunct1n Field-Effect Transistor，Japanese Journal of Applied Physics,Vol.46, N0.21, 2007, pp.L503 - L505o AIGaN/GaNcurrent aperture vertical electron transistors with regrown channels, JOURNAL OFAPPLIED PHYSICS VOLUME 95，NUMBER 4。
[0005](2)Mg离子注入形成P-GaN作为电流阻挡层。该方法在生长的本征GaN通过Mg离子注入形成P-GaN，同时电流导通通孔上方利用掩膜不进行Mg离子注入实现一个P-GaN作为电流阻挡层提高势皇高度，同时未被离子注入的GaN作为一个电流导通通孔使电流沿着电流导通通孔传输。具体参见Enhancement and Deplet1n Mode AIGaN/GaN CAVETWith Mg-1on-1mplanted GaN as Current Blocking Layer, IEEE ELECTRON DEVICELETTERS, VOL.29, N0.6，JUNE 2008。
[0006](3) Al离子注入形成类似绝缘层作为电流阻挡层。该方法通过在本征GaN层通过Al离子注入使GaN晶格损伤形成类似绝缘层，电流电流导通通孔利用掩膜不进行Al离子注入，会使未被Al离子注入的小孔电阻率较低，电流会优先选择这里通过。具体参见Currentstatus and scope of galliumnitride-based vertical transistors for high-powerelectronics applicat1n, Semicond.Sc1.Technol.28 (2013)074014 (8pp)0
[0007]但是无论采用Mg离子注入或者掺杂，一方面会引入晶格损伤特别是对于作为电流阻挡层导致很大的漏电，另一方面Mg具有很强的记忆效应在二次外延过程中有很大的扩散作用。Al离子注入引入的晶格损伤导致的漏电以及电流崩塌效应特别严重，这种电流崩坍原因主要是由于Al注入引入的缺陷导致的，且Al注入带来的晶格损伤必须在很高的温度下才能修复，温度大概1350°C，对于工业用于比较复杂而且相对昂贵，同时大面积的离子注入带来的晶格损伤对二次外延的晶体质量有所影响。这些问题一直是制约着垂直结构HEMT器件发展的瓶颈。
【发明内容】
[0008]本发明的主要目的在于提供一种垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件及其制作方法，以克服现有技术中的不足。
[0009]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0010]本发明实施例公开了一种垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件，包括衬底、以及依次形成于所述衬底上的n+GaN层、作为电流阻挡层的高阻GaN层、本征GaN层和AlGaN层，与所述n+GaN层形成欧姆接触的漏电极、与所述AlGaN层形成欧姆接触的源电极，以及栅电极；所述高阻GaN层包含由Si离子注入形成的电流导通通孔，该电流导通通孔上下贯穿所述高阻GaN层。
[0011]进一步的，所述高阻GaN层采用C或者Fe掺杂而形成高阻，且掺杂浓度η 2el6cm 3。
[0012]优选的，在上述的垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件中，所述衬底包括蓝宝石衬底或硅衬底。
[0013]优选的，在上述的垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件中，所述衬底和n+GaN层之间形成有AlN/AlGaN缓冲层。
[0014]优选的，在上述的垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件中，所述高阻GaN层和本征GaN层之间形成有C掺杂GaN层。
[0015]进一步地，所述C掺杂GaN层的厚度为l_10nm。
[0016]优选的，在上述的垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件中，所述本征GaN层和AlGaN层之间形成有AlN隔尚层，该AlN隔尚层的厚度为l_5nm。
[0017]优选的，在上述的垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件中，所述n+GaN层中η+的掺杂浓度^ 1018cm 3，所述n+GaN层的厚度^ lOOnm。
[0018]优选的，在上述的垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件中，所述Si离子注入的能量彡1KeV而小于13KeV,注入剂量为112-1OlfVcmi
[0019]优选的，在上述的垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件中，所述本征GaN层的厚度^ 200nmo
[0020]本发明还公开了所述垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件的制作方法，包括:
[0021]在衬底上设置高阻GaN层作为外延结构中的电流阻挡层，并对电流阻挡层的选定区域通过Si离子注入进行η型掺杂而形成电阻率小于电流阻挡层的电流导通通孔；
[0022]以及，在所述电流阻挡层上继续外延结构的其它结构层，之后在形成的器件上制作源、漏、栅电极。
[0023]与现有技术相比，本发明的优点包括:
[0024](I)本发明采用新型的垂直结构AIGaN/GaN HEMT,基于价格相对低廉的sapphire (蓝宝石)或者Si衬底，提出了一种不同于GaN衬底的器件结构及制作方法，为工业化生长和应用提供了便利。
[0025](2)本发明采用不同剂量和能量的Si离子注入可以控制注入深度和掺杂浓度，更有效的实现电流导通通孔的低的电阻率，以达到栅控的垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件的开态与关断。
[0026](3)本发明采用几百纳米到几微米的高阻GaN即可以作为电流阻挡层的同时，可以消除P掺杂的扩散对二维电子气浓度的影响，也可以增强垂直结构AIGaN/GaN HEMT的耐压特性，可以对现有垂直结构AlGaN\GaN HEMT耐压特性有很好地改观。
[0027](4)本发明在电流阻挡层上方采用厚约1-1Onm的C掺杂GaN层作为Si原子扩散阻挡层，可以抑制在二次外延过程中Si原子扩散对二维电子气浓度的影响。
【附图说明】
[0028]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1a-图1c所示为本发明具体实施例中垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件的制作结构流程图；
[0030]图2所示为本发明具体实施例中垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件的制作工艺流程图。
【具体实施方式】
[0031]本发明实施例公开了一种垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件，包括衬底、以及依次形成于所述衬底上的n+GaN层、高阻GaN层、本征GaN层和AlGaN层，还包括与所述n+GaN层形成欧姆接触的漏电极、与所述AlGaN层形成欧姆接触的源电极、以及栅电极，所述高阻GaN层作为电流阻挡层，其包括由Si离子注入形成的电流导通通孔，该电流导通通孔上下贯穿所述高阻GaN层。
[0032]上述的垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件中，n+GaN、高阻GaN通过MOCVD第一次外延生长，本征GaN层、以及AlGaN层都是利用MOCVD 二次外延形成的。
[0033]在该技术方案中，利用已有的高阻GaN作为电流阻挡层，通过NV-GSD-HE离子注入机引出Si离子束流，通过调节Si离子注入的剂量和能量，是使Si离子注入到利用光刻显现出来的小孔区域，对高阻GaN进行η型掺杂获得一个电阻率较低的电流导通通孔，作为电流在垂直方向传输的导通沟道。
[0034]所述的垂直结构AIGaN/GaN HEMT的原理是当器件处于导通状态下，电子从源极沿着二维电子气沟道传输，当电子传输到Si离子注入电流导通通孔上方时，由于电流导通通孔电阻率较低电子从二维电子气沟道转向电流导通通孔传输，到达漏极，当栅压小于阈值电压时，栅极下方的二维电子气耗尽，电子传输被阻挡，这是器件处于关态。
[0035]进一步地，所述衬底为蓝宝石衬底或硅衬底。也包括一些不具有导电性或者晶格适配比较大的衬底。
[0036]在该技术方案中，采用低廉的蓝宝石衬底或硅衬底，可以大大降低成本。
[0037]进一步地，所述衬底和n+GaN层之间形成有AlN/AlGaN缓冲层。
[0038]在该技术方案中，基于sapphire或者Si衬底都与GaN