具有垂直结构的氮化镓功率半导体器件的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]氮化镓(GaN)是替代高功率应用中的硅(Si)的潜在材料。GaN具有高击穿电压、优异输运性质、快速切换速度和良好热稳定性。氮化镓还比碳化硅更具成本效益。另一个优点是由氮化铝镓(AlGaN)和氮化镓形成的异质结构产生高迀移率电子的二维沟道，从而使GaN器件能够在相同反向偏压下实现比硅和碳化硅更低的导通电阻。
[0002]GaN可提供多种多样不同半导体器件的技术平台，所述半导体器件包括例如二极管和晶体管。二极管用于范围广泛的电子电路。在用于高电压切换应用的电路中使用的二极管理想地需要下列特性。当以反向偏压时(即，阴极处于比阳极更高的电压)，二极管应能够支持大电压，同时允许尽可能少的电流通过。必须支持的电压的量取决于应用；例如，许多高功率切换应用需要这样的二极管，所述二极管可支持至少600V的反向偏压而不会通过大量电流。最后，在二极管被反向偏压时二极管中存储的电荷的量应尽可能少以便在二极管两端的电压变化时减少电路中的瞬态电流，从而减少切换损耗。
[0003]图1示出了常规GaN基二极管的例子。二极管100包括衬底110、GaN缓冲层120、GaN外延(“印i”)层130和氮化铝镓势皇层135。第一金属层形成与氮化铝镓势皇层135接触的肖特基接触140并且第二金属层形成与氮化铝镓势皇层135接触的欧姆接触150。肖特基接触140充当器件阳极并且欧姆接触150充当器件阴极。钝化层160位于肖特基接触140与欧姆接触150之间。
[0004]在AlGaN层与GaN层之间的异质结界面处形成量子阱，所述AlGaN层具有大带隙，并且所述GaN层具有较窄带隙。因此，电子被俘获在量子阱中。被俘获的电子由GaN外延层中的二维(2DEG)电子气170表示，并且因此，电子沿着阳极与阴极之间的沟道流动。从而，由于其操作基于二维电子气，沟道中的电荷载流子建立横向方向上的电流。
[0005]图1所示的二极管的一个问题是其导通电阻因增加的总接触电阻而相对较大，这是由于2DEG电子气的正向电流必须流过AlGaN势皇层135才能到达阴极150，其中与硅相比，对GaN基材料的欧姆接触电阻一般显著更高。另外，因为阳极和阴极位于器件的相同面上，所需的管芯面积也相对较大。此外，二极管的热性能相对较差，因为热耗散受限于管芯的仅一个面。
【发明内容】
[0006]根据本发明，半导体器件包括衬底和第一有源层，所述衬底具有第一面和第二面，并且所述第一有源层设置在衬底的第一面上方。第二有源层设置在所述第一有源层上。第二有源层具有比第一有源层更高的带隙，使得在第一有源层与第二有源层之间出现二维电子气层。至少一个沟槽延伸穿过第一有源层和第二有源层及二维电子气层并进入衬底中。导电材料内衬于所述沟槽上。第一电极设置在第二有源层上并且第二电极设置在衬底的第二面上。
【附图说明】
[0007]图1不出了常规GaN基二极管的例子。
[0008]图2示出了根据本发明构造的GaN基二极管的例子。
[0009]图3-图7示出了可用于制造图2所示GaN基二极管的一系列工艺步骤的一个例子。
[0010]图8和图9示出了根据本发明构造的GaN基金属-绝缘体-半导体(MIS)晶体管的例子。
[0011]图10和图11示出了根据本发明构造的GaN基高电子迀移率晶体管(HEMT)的例子。
【具体实施方式】
[0012]值得注意的是，本文对“一个实施例”或“实施例”的任何引用意指结合该实施例描述的具体特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书各个位置的出现不一定全都指相同实施例。此外，各种实施例可以许多方式组合，从而得出未在本文明确示出的另外实施例。
[0013]如下文详述，提供了例如GaN基功率器件诸如二极管或晶体管，其具有相对较低导通电阻。如此前提及，存在因横向GaN基器件(诸如图1所示)的使用而产生的多个缺点。这些缺点包括导通电阻增大、器件所占面积增加以及热耗散较差。
[0014]相比之下，如下文详述，垂直GaN基功率器件诸如二极管或晶体管可克服这些问题。这种器件可通过将阴极从器件的顶部(如图1的常规器件中所示)移动到器件的背部来实现，其中阴极与低电阻率衬底210接触。这样，电流在横向(穿过2-D沟道)和垂直两种方向上于阳极与阴极之间传导。因此，从顶部电极流出的电流可在2D沟道中传输，然后流动到底部电极，从而降低总电阻。在2-D沟道与阴极之间提供导电通路以将电流传导到阴极。在一个实施例中，通过用导电材料内衬一个或多个沟槽来提供导电通路。
[0015]图2示出了根据本发明构造的GaN基二极管的例子。二极管200包括低电阻率衬底210、GaN缓冲层220、第一有源层诸如GaN外延层230以及第二有源层诸如氮化铝镓(AlxGa!—χΝ;0〈Χ〈1)势皇层235。一对沟槽240被蚀刻穿过势皇层235、GaN外延层230和GaN缓冲层220，并延伸到低电阻率衬底210中。沟槽240上内衬有导电材料245，诸如钛、铝或金。第一金属层与氮化铝镓势皇层235形成肖特基接触250并充当阳极。第二金属层与衬底210的背侧形成欧姆接触260并充当阴极。钝化层270填充沟槽240并覆盖势皇层235的暴露部分。
[0016]如图2中所指出，现在在横向方向上穿过2D沟道225且在垂直方向上穿过内衬于沟槽240的导电材料245来提供连续导电通路。这样，当在阳极与阴极之间施加电压差时，在这两者之间产生电流。有利的是，与图1的器件相比，电流必须穿过图2所示器件中的二维沟道传输的横向距离减小。此外，电流可穿过低电阻率衬底传导到阴极，从而降低总电阻。
[0017]可以使用外延生长工艺来制造GaN基二极管200。例如，可以使用反应溅射工艺，在该工艺中，在紧邻衬底设置的金属靶和衬底都处于包括氮和一个或多个掺杂物的气氛中时，从金属靶逐出诸如镓、铝和/或铟的半导体的金属组分。作为另外一种选择，可以采用金属有机化学气相沉积(M0CVD)，其中在将衬底保持在升高的温度，通常在700°C至1100°C左右下的同时，将衬底暴露于包含金属的有机化合物的气氛，以及诸如氨的反应含氮气体和含掺杂物气体中。气体化合物分解，并且在衬底的表面上形成晶体材料膜的形式的掺杂的半导体。然后将衬底和生长的膜冷却。作为另外的替代形式，可以使用诸如分子束外延(MBE)或原子层外延的其它外延生长方法。可以采用的另外的技术包括但不限于流量调制有机金属气相外延(FM-OMVPE)、有机金属气相外延(OMVPE)、氢化物气相外延(HVPE)和物理气相沉积(PVD)。
[0018]图3-图5示出了可用于制造图2所示GaN基二极管的一系列工艺步骤的一个例子。为了开始生长结构，可以在衬底210上沉积任选的成核层212(图3)。衬底210是适用于GaN沉积的低电阻率衬底。合适衬底的示例性例子可由例如重掺杂硅或重掺杂碳化硅形成。成核层212可以是例如富铝层，诸如AlxGaL，其中X在0至1的范围内。成核层212通过形成衬底210的晶体结构与GaN缓冲层220的晶体结构之间的界面，而起到校正GaN缓冲层220与衬底210之间的晶格失配的作用。
[0019]在沉积成核层212(如果采用的话)之后，在成核层212上沉积GaN缓冲层220，在缓冲层220上形成GaN外延层230，并且在GaN外延层230上沉积AlxGa1-xN势皇层235 (图4)。二维导电沟道225为薄的高迀移率沟道，其使载流子局限于GaN外延层230与AlxGai—xN势皇层235之间的界面区域。
[0020]延伸到衬底210中的沟槽240可通过蚀刻工艺形成(图5)。例如，可采用光刻技术，其中光致抗蚀剂涂覆在氧化物层上，所述氧化物层形成于势皇层235上以限定沟槽240，所述沟槽240使用例如等离子体蚀刻工艺诸如反应离子蚀刻(RIE)或电感耦合等离子体蚀刻(ICP)来蚀刻。应该指出的是，沟槽底部可具有多种构型，包括例如V形、倒圆u