一种垂直结构GaN基增强型场效应晶体管及其制造方法与流程

本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种垂直结构GaN基增强型场效应晶体管及其制造方法。

背景技术：

GaN材料作为第三代宽禁带半导体材料的代表，与第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP半导体材料相比，具有禁带宽度(E_g)大、电子饱和漂移速度(v_sat)高、迁移率(μ)高、热导率(k)大、临界电场(E_c)高、介电常数(ε)较小等特点，因此非常适合于制作耐高温、耐高压、大功率、低损耗、高密度集成的电力电子器件。

对于电力场效应晶体管，一般要求器件的阈值电压大于3V，即为增强型器件，以保证电路的“失效安全”。此外，增强型器件的使用可以有效的简化电路结构，从而减少能量损耗以及降低噪音。如何实现“增强型”和提高器件的“阈值电压”一直是人们研究的热点，并且近年来已经取得了较大的进展。

香港科技大学的陈敬等人在F^-离子注入方法的基础上，同样采用ALD方法淀积Al₂O₃作为栅极介质层，制作出的增强型MISHFET的阈值电压为5.1V，最大电流密度达到了500mA/mm，最大跨导为100mS/mm（参考文献：Chang C T, Hsu T H, Chang E Y, Chen Y C. Trinh H D and Chen K J. Normally-off operation AlGaN/GaN MOS-HEMT with high threshold voltage. Electron. Lett., 2010, 46(18):1280-1282）。

日本名城大学的Sugiyama等人，在P-GaN/AlGaN/GaN 异质结构的基础上，采用氮化硅作为MIS栅介质材料，形成复合型栅极结构，发现常关型器件的阈值电压从+1V至+8V大幅度可调节(参考文献：T. Sugiyama*, D. Iida, M. Iwaya, S. Kamiyama, H. Amano, and I. Akasaki. Threshold voltage control using SiN_x in normally off AlGaN/GaN HFET with p-GaN gate.Phys. Status Solidi C 7, No. 7–8,1980–1982 (2010) )。

上述均为横向导电结构的AlGaN/GaN场效应晶体管，在靠近栅极边缘的电势比较集中，电场会出现峰值，因此器件在此处容易发生击穿。增大栅-源距离在一定范围内可以提高击穿电压，但存在饱和现象，同时也增大了导通电阻。采用金属与栅极或者源、漏极相连，可以形成栅场板或者源、漏场板。通过场板可以改变电极附近的电场分布，从而提高器件的耐压能力。

采用纵向导电结构时，器件表面击穿的概率大大降低，击穿电压会得到很大提升，但相关的研究报道较少。2009年，日本松下公司在源、栅双场板的基础上，采用通孔技术实现垂直导电，研制了击穿电压达到了10400V的器件。（参考文献：Manabu Y, Yasuhiro U , Tetsuzo U , et al. Recent advances in GaN transistors for future emerging applications. Phys Stat Sol(a) , 2009 , 206(6) : 1221-1227）。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种器件结构及工艺简单、击穿电压高、输出电流密度大、漏电流小的垂直结构GaN基增强型场效应晶体管及其制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种垂直结构GaN基增强型场效应晶体管及其制备方法，包括以下步骤：

A）依次在衬底上生长缓冲层、i-GaN外延层、n-AlGaN层、n-AlN层；

B）在n-AlN层上淀积一层介质掩蔽膜，光刻并通过腐蚀方法去除部分掩蔽膜，然后对未掩蔽区域进行选择性氧化，形成n-AlN氧化层，再去除剩余介质掩蔽膜；

C）在n-AlN层及其氧化层上二次外延生长i-GaN层与AlGaN层，形成AlGaN/GaN异质结；

D）对n型AlN导电层上方的AlGaN/GaN异质结进行等离子刻蚀，刻蚀深度进入i-GaN再生长层（即i-GaN二次外延生长层），形成凹槽结构；

E）在AlGaN再生长层（即AlGaN二次外延生长层）与凹槽结构区域制作氧化层；

F）光刻漏极区域图形，然后选择性干法刻蚀半导体至n-AlGaN层;

G）光刻源极与漏极区域图形，并通过湿法腐蚀去除源极区域氧化层，然后通过电子束蒸发金属制作源极与漏极，并合金形成欧姆接触；

H）再次光刻栅极区域图形后蒸镀金属形成栅极。

步骤C中，在n-AlN层及其氧化层上二次外延生长的材料可为含i-GaN层的GaN基单结或多结型异质结、或者为含i-GaN层与n型重掺杂GaN层构成的同质结。

步骤G中，通过蒸镀形成源极与漏极，它们材质为Ti/Al/Ni/Au、 Ti/Al/Pt/Au或Ti/Al/Mo/Au。

步骤H中，所述栅极金属为Ni/Au、Pt/Au或Pd/Au。

由于器件的源极位于二次外延生长的AlGaN/GaN异质结构上，而漏极位于最初生长的n-AlGaN/GaN异质结构上，当在栅极施加正向偏置电压时，栅极下方n-AlN层为沟通提供导电电荷，漏极电流须经过未氧化的n型AlN导电层流向源极，从而形成垂直导电的增强型器件。

该器件具有以下的特色与创新之处：

1）n-AlN氧化物的形成，对栅极电场可以起调制作用，并使导电沟道更远离器件表面，电流垂直导通，预期可能大幅度提高器件的耐压能力。同时， n-AlN氧化物的存在也可能提高其下方异质结构中的2DEG浓度，从而提升器件的大电流性能。

2）栅极区域下方的2DEG通过干法刻蚀被完全消除，所以器件理论上具有较高的阈值电压。同时，阈值电压通过调整刻蚀深度来控制。

3）栅极可采用圆形结构，源极和漏极可采用环形结构，所以可形成大面积互联的源、漏电极，从而极大提高单元器件的输出电流，并且方便器件的封装。

4）无掩膜二次外延生长技术的使用，较之有介质掩膜的选择区域外延生长，在材料质量的提高上，具有明显的优势。

附图说明

图1（a）-（h）为本发明实施例1的器件工艺流程图；

图2为本发明实施例2的器件结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

实施例 1

图1（h）为实施例1的器件结构示意图。其结构包括衬底层（1）、缓冲层（2）、非故意掺杂GaN（i-GaN）外延层（3）、n型AlGaN外延层（4）、n型AlN导电层（5）与n型AlN氧化隔离层（6）、i-GaN再生长层（7）、AlGaN再生长层（8）、栅极氧化层（9）、设置于（8）上的源极（10）、设置于（4）上的漏极（11）、设置于（9）上的栅极（12）。

上述垂直结构GaN基增强型场效应晶体管的制造工艺流程如下：

A）如图1（a）所示，采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）方法，依次在衬底（1）上生长缓冲层（2）、i-GaN外延层（3）、n-AlGaN层（4）、n-AlN层（5），外延生长温度在1050℃至1100℃之间，衬底（1）为蓝宝石、硅、碳化硅或者氮化镓之一，缓冲层（2）为AlN或者低温GaN层；

B）如图1（b）所示，在n-AlN层（5）上淀积一层介质掩蔽膜，掩蔽膜可选用SiN或SiO₂，光刻并通过湿法腐蚀方法去除部分掩蔽膜，然后对未掩蔽区域进行选择性氧化，形成氧化层（6），再完全去除剩余介质掩蔽膜；

C）如图1（c）所示，在n-AlN层（5）及其氧化层（6）上二次外延生长i-GaN层（7）与AlGaN层（8），形成AlGaN/GaN异质结；

D）如图1（d）所示，对n型AlN导电层（5）上方的AlGaN/GaN异质结进行ICP等离子刻蚀，刻蚀深度进入i-GaN再生长层（7），形成凹槽结构；

E）如图1（e）所示，在AlGaN再生长层（7）与凹槽结构区域通过P ECVD或者原子层沉积方法制作氧化层（8）；

F）如图1（f）所示，光刻漏极区域电极图形，然后选择性等离子体干法刻蚀半导体至n-AlGaN层（4）;

G）如图1（g）所示，光刻源极与漏极区域电极图形，并通过湿法腐蚀去除源极区域氧化层，然后通过电子束蒸发金属制作源极（10）与漏极（11），并合金形成欧姆接触；

H）如图1（h）所示，再次光刻栅极区域图形后蒸镀金属形成栅极（12），完成实施例 1的器件制作。

实施例 2

如图2为实施例2的器件结构示意图。其与实施例1的器件结构类似，区别仅在于制造工艺流程步骤C中，在n-AlN层（5）及其氧化层（6）上二次外延生长了含有i-GaN层（7）与n⁺-GaN层（8）构成的同质结。

以上对本发明所提供的垂直结构GaN基增强型场效应晶体管及其制造方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。