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，特别涉及一种垂直结构AIGaN/GaN HEMT外延生长及其制作方法，其可应用于制作低导通电阻、高频率、高击穿电压的高电子迀移率晶体管，属于微电子技术领域。
【背景技术】
[0002]随着无线通讯技术、航空航天技术以及混合动力汽车的飞速发展，作为第一代半导体Si和GaAs器件发展功率型器件越来越无法满足高频率、高功率以及恶略环境下工作等问题越来越明显，特别对于二者禁带宽度比较低、临界击穿电压比较低等在追求更高功率和频率上很难再提高。新兴的第三代半导体材料GaN禁带宽度宽、击穿电场高、电子饱和速率高，以及满足在更高温度、更好的抗化学腐蚀和辐射越来越成为关注的焦点。
[0003]目前垂直结构AIGaN/GaN HEMT发展中对于电流阻挡层和导通通孔Aperture—直是垂直结构HEMT发展的难点。现在对于垂直结构HEMT的电流阻挡层一般有三种方案:
[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。具体参见如下文献: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，NUMBER4。
[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作为一个导通通孔使电流沿着导通通孔传输。具体参见Enhancement and Deplet1n Mode AlGaN/GaNCAVET With Mg-1on-1mplantedGaN asCurrent Blocking Layer, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL.29，N0.6，JUNE
2008 o
[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，均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，而Al离子注入引入的晶格损伤引起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。这些缺陷一直是制约着垂直结构目前发展的瓶颈。
【发明内容】
[0008]本发明的主要目的在于提供一种新型的垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件及其制作方法，从而克服现有技术中的不足。
[0009]为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括:
[0010]一种垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件，包括衬底、外延结构以及源、漏、栅极，所述外延结构包括依次形成在所述衬底正面的电流阻挡层、第二半导体层、第一半导体层和钝化层，所述第一半导体层和/或第二半导体层内分布有二维电子气沟道，所述源极与第一半导体层电连接，所述栅极设置在所述钝化层上，所述漏极设置在所述衬底背面，其中所述电流阻挡层采用高阻GaN层，且所述高阻GaN层中于位于栅极下方的区域内分布有Si离子注入形成的η型重掺杂电流导通通孔。
[0011]进一步的，所述第一半导体层、第二半导体层之间还分布有AlN层。
[0012]进一步的，所述第一半导体层和/或第二半导体层与AlN层的界面处分布有所述二维电子气沟道。
[0013]优选的，所述AlN层的厚度为l-5nm0
[0014]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。
[0015]进一步的，所述电流阻挡层与第二半导体层之间还设有C掺杂GaN中和层。
[0016]优选的，所述C掺杂GaN中和层的厚度为l_10nm。
[0017]进一步的，所述衬底材料包括GaN或ZnO衬底，但不限于此。
[0018]优选的，所述高阻GaN层的厚度为〉10nm而< 10 μ m。
[0019]优选的，所述η型重掺杂电流导通通孔的孔径为〉10]11]1而< ΙΟΟμπι。
[0020]优选的，用以形成所述η型重掺杂电流导通通孔的Si离子注入能量为彡1KeV而< lOOOKeV，注入剂量为 1012-1016/cm2。
[0021]进一步的，所述钝化层的材质包括Al2O3、氮化硅或HfO2，但不限于此。
[0022]进一步的，所述第二半导体层采用本征GaN层。
[0023]优选的，所述本征GaN层的厚度彡200nm。
[0024]进一步的，所述第一半导体层采用本征AlGaN层。
[0025]进一步的，在本发明的AIGaN/GaN HEMT中，所述导通通孔孔径Lap，栅、源之间距离Lgs,以及栅极扩充距离Lg。的大小均是可变的。
[0026]所述垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件的制作方法包括:
[0027]在衬底正面一次外延生长电流阻挡层，并在电流阻挡层的选定区域通过Si离子注入而形成η型重掺杂电流导通通孔；
[0028]在所述电流阻挡层上二次外延形成C掺杂GaN中和层、本征GaN层、AlN层以及本征AlGaN层；
[0029]在所述衬底背面及本征AlGaN层上分别设置漏极和源极；
[0030]以及，在本征AlGaN层上形成钝化层，并在钝化层上设置栅极。
[0031]与现有技术相比，本发明至少具有以下优点:
[0032](I)本发明采用新型的垂直结构，利用高阻GaN作为电流阻挡层，并采用Si离子注入到高阻GaN形成导通通孔，实现了栅控的垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件；
[0033](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，更有效的实现导通通孔的低的电阻率，以达到栅控的开态与关断；
[0034](3)本发明采用厚度为数百纳米到数微米的高阻GaN作为电流阻挡层的同时，还可以有效消除P掺杂的扩散对二维电子气浓度的影响，并可以增强垂直结构AIGaN/GaNHEMT的耐压特性，对现有垂直结构AlGaN\GaN HEMT耐压特性有很好地改观；
[0035](4)本发明在电流阻挡层上方采用厚约1-1Onm的C掺杂GaN中和层(亦可认为是C掺杂GaN层Si原子扩散阻挡层)，可以有效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】
[0036]图1是本发明一具体实施方案之中第一次外延后高阻GaN层的剖面图；
[0037]图2是本发明一具体实施方案之中通过Si离子注入实现电流导通通孔的剖面图；
[0038]图3是本发明一典型实施方案之中利用高阻GaN作为电流阻挡层通过Si离子注入实现电流导通通孔的一种垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件的剖面图；
[0039]图4是本发明一典型实施方案之中利用高阻GaN作为电流阻挡层通过Si离子注入实现电流导通通孔的一种垂直结构AIGaN/GaN HEMT的制作工艺流程图；
[0040]附图标记说明:漏极l、GaN衬底2、高阻GaN3、Si离子注入形成导通通孔4、C掺杂GaN5、本征GaN层6、AlN层7、二维电子气沟道8、本征AlGaN层9、钝化层10、源极11、栅极
12ο
【具体实施方式】
[0041]如前所述，鉴于现有技术存在的诸多不足，本发明利用高阻GaN作为电流阻挡层同时采用Si离子注入形成电流导通通孔而实现了一种新型的垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件的制作方法，其可以替代传统的P-GaN提高势皇高度和Al离子注入形成类似绝缘层作为电流阻挡层的方法，并克服了其缺陷。
[0042]具体而言，在一较为具体的实施方案之中，本发明是这样实现的:
[0043]该垂直结构AIGaN/GaN HEMT器件包括漏极、衬底、高阻GaN层、Si离子注入导通通孔、C掺杂GaN层、本征GaN层、AlN层、二维电子气沟道、本征AlGaN层、介质钝化层、源极、以及栅极等，其中，通过在GaN衬底上通过MOCVD —次外延生长高阻GaN作为电流阻挡层，在电流阻挡层小孔区域通过Si离子注入实现η型重掺杂形成电流导通通孔，所述的C掺杂GaN层是为了能够中和残留在表面的Si离子，从而防止其在二次外延过程中扩散到上面的外延层；C掺杂GaN层、本征GaN层、AlN层以及本征AlGaN层都是利用MOCVD 二次外延形成的，AlN层一方面可以增加AIGaN/GaN界面处的极化效应，另一方面可以抑制Si原子在界面处的扩散，进而提高界面处的二维电子气浓度并在这结构上形成源极和漏极；以及，在沉积钝化层后制作栅极。
[0044]进一步的，所述垂直结构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(如下简称“导通通孔”)上方时，由于导通通孔电阻率较低电子从二维电子气沟道转向导通通孔传输，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，这时器件处于关态而不导通。
[0045]进一步的，所述垂直结构AIGaN/GaN HEMT使电子从源极沿着垂直方向到达漏极，同时还必须满足栅极控制器件的开态与关断，籍以通过将电子传输限制在一个小孔(即“导通通孔”)中以及将栅极设置在导通通孔上方，从而控制孔上方的二维电子气的耗尽和传输。为此，必须有一个很好的电流阻挡层，能够保证电子沿着小孔传输而在其它区域无漏电现象，同时小孔的电导率必须大于二维电子气，如此才能使整个器件的开态与关断达到一个栅极控制，因此，在该器件中