一种基于离子注入的GaN功率器件及其制造方法与流程

本发明涉及半导体器件领域，具体是涉及一种基于离子注入的gan功率器件及其制造方法。

背景技术：

作为第三代宽禁带半导体材料的代表，gan是继以si、ge为代表的第一代及以gaas、inp为代表的第二代半导体材料之后，近二三十年来发展起来的新型半导体材料。gan材料具有临界击穿场强高、禁带宽度大、载流子迁移率高、饱和电子漂移速度高、热导率大等特点，具备传统si材料无法比拟的优势，非常适合于制作高温(300℃以上)、大功率、低损耗的电力电子器件，可实现系统的小型化、轻量化和低成本化，且可在提高系统驱动能力的情况下使系统更加高效节能。

尽管近年来gan基电力电子器件取得了巨大进展，但仍然面临着一些关键技术问题，如功率器件耐压偏低、关态漏电流较大、可靠性差等。目前，成熟的gan功率器件多采用横向传导进行工作，由algan势垒层与gan沟道层之间极化效应形成的二维电子气作为导电沟道。在生长gan沟道层之前需要沉积一层gan缓冲层，用来改善材料质量，减少位错，增强绝缘性，实现更好的沟道关断。

目前，报道的器件击穿电压还远小于gan材料的理论极限。一个主要原因是电流通过位错或缺陷进入gan缓冲层甚至生长衬底导致器件的提前击穿。提高耐压可通过高质量外延以及加大gan缓冲层材料厚度来实现，但是材料生长使用金属有机化学气相外延，沉积速率缓慢，生产成本很高，生长条件调控复杂。另一种提高耐压的方法是对gan缓冲层进行受主掺杂，通过在gan体材料中引入一定量的受主杂质，来补偿过剩的电子，从而降低体材料漏电，提高击穿电压。但是这些受主杂质会导致器件可靠性降低，动态特性变差。

对于这些存在的问题，国内国际都展开了一系列的研究，通过去除漏电路径或者将缓冲层变为高阻层来改善器件性能。

比利时的puneetsrivastava等人采用了si衬底部分剥离方案，通过选择区域剥离si衬底，有效改善了器件的击穿特性，使栅漏间距为20μm的器件的击穿电压达到了标志性的2200v[55]。但是，选择性衬底剥离技术工艺复杂，难度极大，增加了器件制作成本。而且，si衬底剥离后，其热导性能也变差，大功率工作下发热会非常明显，不适用于大功率器件的制备（参考文献：srivastavap,dasj,visallid,etal.recordbreakdownvoltage(2200v)ofgandhfetsonsiwith2-$\mu\hbox{m}$bufferthicknessbylocalsubstrateremoval[j].ieeeelectrondeviceletters,2011,32(1):30-32.）。

华中科技大学的shichuangsun等人通过al离子注入制备了algan/gan金属绝缘层半导体高电子迁移率晶体管，他们首先在si衬底上生长gan缓冲层，使用al离子注入进行绝缘化处理，然后通过二次生长制备gan沟道层及algan势垒层。采用离子注入的器件相比对照组，关态漏电流降低了3倍，同时击穿电压提高了6倍。然而，其离子注入会造成注入损伤，在二次外延时会引起材料生长的质量劣化，此外对样品的一系列处理也有可能引入污染（参考文献：suns,fuk,yug,etal.algan/ganmetal-insulator-semiconductorhighelectronmobilitytransistorswithreducedleakagecurrentandenhancedbreakdownvoltageusingaluminumionimplantation[j].appliedphysicsletters,2016,108(1):013507.）。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种结构新颖、抑制漏电流、击穿电压高的基于离子注入的gan功率器件及其制造方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的基于离子注入的gan功率器件，其特点是：包括由下往上依次设置的gan缓冲层、gan沟道层和algan势垒层，所述algan势垒层上设置有源电极、栅电极和漏电极，其中所述源电极和漏电极均为欧姆接触，所述栅电极为肖特基接触，且各电极之间覆盖有与algan势垒层相连接的钝化层，所述algan势垒层与gan沟道层为异质结构且在两者的界面处由于极化效应而形成有作为gan功率器件横向工作导电沟道的二维电子气，所述gan缓冲层中由gan缓冲层的底面通过离子注入形成有离子隔离区，所述离子隔离区位于gan缓冲层的上部并与gan沟道层相连接，且所述gan缓冲层中设置了离子隔离区后而在gan缓冲层的底面键合有高导热衬底。

本发明所述的基于离子注入的gan功率器件的制造方法，其特点是包括以下步骤：

①利用金属有机化学气相沉积法在生长衬底上依次外延生长gan缓冲层、gan沟道层和algan势垒层；

②在algan势垒层上使用紫外光刻制备第一次掩膜，作为有源区台面刻蚀的图案，并使用干法刻蚀工艺进行台面刻蚀以实现分立的gan功率器件，刻蚀深度为50nm～200nm；

③通过光刻在algan势垒层上进行第二次掩膜制备，蒸镀源电极和漏电极的金属，并使用有机溶剂进行超声对金属剥离，获得源电极和漏电极的金属图形，且通过快速热退火工艺实现源电极和漏电极与algan势垒层的欧姆接触；

④在algan势垒层的表面上沉积厚度为50nm～500nm的钝化层，并使用光刻制备掩膜，在钝化层上刻蚀源电极窗口、漏电极窗口以及栅槽；

⑤在栅槽中沉积用于形成栅电极的金属，且栅电极与algan势垒层形成肖特基接触；

⑥在钝化层的表面上制备一层覆盖了源电极、漏电极和栅电极的绝缘层作为临时转移层；

⑦去除生长衬底，露出gan缓冲层的底面，并从gan缓冲层的底面通过离子注入而在gan缓冲层中形成一高阻的离子隔离区，且该离子隔离区位于gan缓冲层的上部并与gan沟道层相连接；

⑧在gan缓冲层的底面上生长一层键合材料，并通过该层键合材料键合有高导热衬底；

⑨去除临时转移层，完成整个gan功率器件的制备。

其中，本发明在进行上述步骤①之后，可先对algan势垒层进行表面清洗，再进行上述步骤②，其清洗方式是分别在丙酮和异丙醇溶液中超声清洗5分钟，然后在硫酸与双氧水混合溶液以及纯盐酸中各浸泡10分钟，并在去离子水中漂洗后用氮气吹干，使用热板烘干表面残留的水分。

所述源电极和漏电极的金属均选自ti、al、mo、au、ni、w中的一种或几种的组合或它们的合金，厚度为50～200nm，且快速热退火工艺是在氮气环境下进行，处理温度为700～950℃。

所述钝化层选择由pecvd、lpcvd、ald或sputter沉积制备的sinx、sio2、sino、al2o3、aln中的一种或多种。

所述栅电极的金属选自ni、au、pt、al、tiw、tin中的一种或几种的组合，厚度为50～200nm。

所述键合材料为au、sn、in、ti、ni、pt、pb中的一种或几种的组合或它们的合金。

所述键合的温度为200～350℃，压力为0～5000kg。

所述高导热衬底为热导性好的硅或铜或碳化硅或陶瓷。

所述去除生长衬底的方法为激光剥离法、光辅助电化学法腐蚀法、湿法腐蚀法、研磨法、抛光法、icp/rie干法刻蚀法中的一种或几种的组合。

所述离子注入是使用fe、c、b、zn、al中的一种或多种元素，并采用20kev～150kev的能量进行注入，注入剂量为10¹²～10¹⁶/cm²。

本发明所采用的离子注入工艺能够在gan材料中形成深能级，将gan缓冲层转变为绝缘性能良好的高阻材料，实现电阻率＞10⁸ω·cm，从而抑制体材料漏电流，同时提高器件的击穿电压。与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

1、本发明通过离子注入将gan缓冲层变为高阻层，减少了器件经过gan缓冲层的漏电，提高了击穿电压；

2、与采用外延生长改善位错密度的方法相比，本发明采用离子注入的工艺不需要沉积较厚的gan缓冲层，减少了材料总厚度，缩短了生长时间，同时节省了生产成本；

3、本发明采用的离子注入方式的重复性高，可精确控制剂量与深度，采用不同离子可获得特定要求的材料绝缘性能，实用性广泛；

4、本发明采用背侧离子注入的方式，避免了常规正面注入对势垒层以及沟道层的损伤；

5、本发明通过衬底剥离隔绝了衬底漏电流，同时键合的新型导热衬底能够大幅改善器件散热特性，能够更好的支持gan功率器件的高功率、高电压应用。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明所述器件的结构示意图。

图2为本发明制造所述器件的工艺流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的基于离子注入的gan功率器件，包括由下往上依次设置的gan缓冲层2、gan沟道层3和algan势垒层4，所述algan势垒层4上设置有源电极5、栅电极8和漏电极6，其中所述源电极5和漏电极6均为欧姆接触，所述栅电极8为肖特基接触，且各电极之间覆盖有与algan势垒层4相连接的钝化层7，所述algan势垒层4与gan沟道层3为异质结构且在两者的界面处由于极化效应而形成有作为gan功率器件横向工作导电沟道的二维电子气，所述gan缓冲层2中由gan缓冲层2的底面通过离子注入形成有离子隔离区10，所述离子隔离区10位于gan缓冲层2的上部并与gan沟道层3相连接，且所述gan缓冲层2中设置了离子隔离区10后而在gan缓冲层2的底面键合有高导热衬底11。其中，高导热衬底11为绝缘性及导热性能良好的材料，用于提高gan功率器件反向电压以及改善散热问题；所述源电极5、栅电极8和漏电极6用于控制gan功率器件的开启和关断；所述钝化层7为使用化学或物理沉积方式制备的高质量薄膜，用于降低半导体界面态，减少源电极和漏电极与栅电极之间的漏电流；所述离子隔离区10用于形成电学隔离以减少经过缓冲层及衬底传导的漏电流。

如图2所示，本发明所述的基于离子注入的gan功率器件的制造方法，包括以下步骤：

①利用金属有机化学气相沉积法在生长衬底1上依次外延生长gan缓冲层2、gan沟道层3和algan势垒层4；

②在algan势垒层4上使用紫外光刻制备第一次掩膜，作为有源区台面刻蚀的图案，并使用干法刻蚀工艺进行台面刻蚀以实现分立的gan功率器件，刻蚀深度为50nm～200nm；

③通过光刻在algan势垒层4上进行第二次掩膜制备，蒸镀源电极和漏电极的金属，源电极和漏电极的金属均选自ti、al、mo、au、ni、w中的一种或几种的组合或它们的合金，厚度为50～200nm，并使用有机溶剂进行超声对金属剥离，获得源电极5和漏电极6的金属图形，且通过快速热退火工艺实现源电极5和漏电极6与algan势垒层4的欧姆接触，快速热退火工艺是在氮气环境下进行，处理温度为700～950℃；

④在algan势垒层4的表面上沉积厚度为50nm～500nm的钝化层7，钝化层选择由pecvd、lpcvd、ald或sputter沉积制备的sinx、sio2、sino、al2o3、aln中的一种或多种，并使用光刻制备掩膜，在钝化层7上刻蚀源电极窗口、漏电极窗口以及栅槽；

⑤在栅槽中沉积用于形成栅电极8的金属，栅电极的金属选自ni、au、pt、al、tiw、tin中的一种或几种的组合，厚度为50～200nm，且栅电极8与algan势垒层4形成肖特基接触；

⑥在钝化层7的表面上制备一层覆盖了源电极5、漏电极6和栅电极8的绝缘层作为临时转移层9；

⑦采用激光剥离法、光辅助电化学法腐蚀法、湿法腐蚀法、研磨法、抛光法、icp/rie干法刻蚀法中的一种或几种的组合去除生长衬底1，露出gan缓冲层2的底面，并从gan缓冲层2的底面通过离子注入而在gan缓冲层2中形成一高阻的离子隔离区10，离子注入是使用fe、c、b、zn、al中的一种或多种元素，并采用20kev～150kev的能量进行注入，注入剂量为10¹²～10¹⁶/cm²，且该离子隔离区10位于gan缓冲层2的上部并与gan沟道层3相连接；

⑧在gan缓冲层2的底面上生长一层键合材料，键合材料为au、sn、in、ti、ni、pt、pb中的一种或几种的组合或它们的合金，并通过该层键合材料键合有高导热衬底11，键合的温度为200～350℃，压力为0～5000kg，且高导热衬底为热导性好的硅或铜或碳化硅或陶瓷；

⑨去除临时转移层9，完成整个gan功率器件的制备。

为了进一步提高本发明的质量，本发明在进行上述步骤①之后，可先对algan势垒层4进行表面清洗，再进行上述步骤②，其清洗方式是分别在丙酮和异丙醇溶液中超声清洗5分钟，然后在硫酸与双氧水混合溶液以及纯盐酸中各浸泡10分钟，并在去离子水中漂洗后用氮气吹干，使用热板烘干表面残留的水分。

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一：

本发明实施案例提供了一种基于离子注入的gan功率器件的制造方法，其包括以下步骤：

步骤1）、在硅衬底上使用金属有机化学气相沉积设备依次生长gan缓冲层、gan沟道层和algan势垒层，外延生长温度在950℃至1350℃之间；

步骤2）、将硅衬底上生长的algan/gan样品进行表面清洗，具体方法是：分别在丙酮和异丙醇溶液中超声清洗5分钟，然后在硫酸与双氧水混合溶液以及纯盐酸中各浸泡10分钟，并在去离子水中漂洗后用氮气吹干，使用热板烘干表面残留的水分；

步骤3）、在algan势垒层上使用常规紫外光刻工艺制备光刻胶掩膜，作为有源区台面刻蚀的图案，并使用干法刻蚀工艺进行台面刻蚀，去除部分区域的algan势垒层和部分gan沟道层，以实现分立的gan功率器件，具体的刻蚀方式为感应耦合等离子体刻蚀（icp），使用cl2/bcl3/ar作为工作气体，icp功率为250w，rf功率为400w，刻蚀深度为50nm～200nm；

步骤4）、通过光刻在algan势垒层上进行第二次掩膜制备，使用电子束蒸镀机蒸镀多层金属ti/al/ni/au，厚度分别为20/150/50/80nm，使用有机溶剂进行超声对金属剥离，获得源电极和漏电极的金属图形，并通过快速热退火工艺实现金属与半导体的欧姆接触，合金化处理在氮气环境下进行，处理温度为850摄氏度，时间为30s；

步骤5）、使用等离子体增强化学气相沉积设备（pecvd）在gan功率器件的上表面沉积厚度为100nm的sio2作为钝化层，沉积温度为300℃，使用的工作气体为n2o、n2、5%sih4/n2，并通过光刻制备掩膜，采用湿法腐蚀工艺在钝化层上刻蚀源电极窗口、漏电极窗口以及栅槽，具体的腐蚀溶液为boe，腐蚀时间为30s；

步骤6）、在栅槽中沉积用于形成栅电极的金属，栅电极的金属使用ni/au双层金属，厚度分别为20/200nm，使用有机溶剂进行超声对金属剥离，获得栅电极的金属图形，且栅电极与algan势垒层形成肖特基接触；

步骤7）、旋涂紫外固化胶覆盖钝化层、源电极、漏电极和栅电极的上表面作为临时转移层，使用紫外曝光机照射30min进行固化；

步骤8）、采用湿法腐蚀去除用于外延生长的硅衬底，具体是将样品浸泡在hf溶液中缓慢腐蚀掉si衬底；并在暴露出的gan缓冲层一面，通过离子注入而在gan缓冲层中形成一高阻的离子隔离区，且该离子隔离区是位于gan缓冲层靠近gan沟道层的一侧，离子注入使用b⁺离子，采用110kev的能量进行注入隔离，注入剂量为5×10¹⁵cm²；

步骤9）、在gan缓冲层暴露出的面上生长一层键合材料，并通过该层键合材料键合有陶瓷材料作为高导热衬底；具体地，键合材料采用金、锡、铟、钛、铅、镍、铂、钛等金属中的一种或几种组合或它们的合金，优选地，键合材料采用金锡合金和金铟合金，而且键合工艺采用的温度为200-350℃，压力为0-5000kg；

步骤10）、将样品浸泡在去胶剂中30分钟，加热到80℃，去除临时转移层，完成整个gan功率器件的制备。

实施例二：

该实施例与实施例一的不同之处在于：

步骤1）中是在sic衬底上依次生长gan缓冲层、gan沟道层和algan势垒层；

步骤5）中是使用lpcvd设备制作sinx作为gan功率器件的钝化层，沉积温度为780℃，sinx厚度为300nm；

步骤8）中是采用研磨结合icp刻蚀的方法去除碳化硅衬底。

实施例三：

该实施例与实施例一的不同之处在于：

步骤1）中是在蓝宝石衬底上依次生长gan缓冲层、gan沟道层和algan势垒层；

步骤5）中是使用原子层沉积设备（ald）制作al2o3作为器件的钝化层，沉积源采用al-ch3以及al-oh，沉积厚度为50nm；

步骤8）中是采用激光剥离的方法去除蓝宝石衬底；而且，离子注入是使用al离子进行注入隔离，并采用两次注入方式进行，第一次使用135kev的能量进行注入，注入剂量为5×10¹⁴cm²，第二次使用90kev的能量进行注入，注入剂量为3×10¹⁴cm²。

实施例四：

该实施例与实施例一的不同之处在于：

步骤4）中是使用电子束蒸镀多层金属pd/ni/au，厚度分别为50/100/200nm，作为源电极和漏电极的金属；

步骤6）中栅电极的金属是通过反应磁控溅射制备，具体金属层为tin/ti/au多层金属，厚度分别为150/100/200nm；

步骤9）中是采用高导热的高阻碳化硅材料作为高导热衬底。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。