一种氮化镓功率晶体管和用于制造氮化镓功率晶体管的方法与流程

本发明涉及用于功率器件应用的氮化镓(gallium nitride，gan)。具体地，本发明涉及一种gan功率晶体管和用于制造这种gan功率晶体管的方法，尤其是具有电导调制增强效应的gan功率场效应晶体管(field effect transistor，fet)。

背景技术：

1、在过去15年至20年中，半导体行业为开发氮化镓技术而做出了大量努力，以取代传统的硅基场效应晶体管。宽带隙材料的使用为器件级和系统级的性能提供了前所未有的提高的可能性。如今，增强型gan功率fet正在成为现实，几家主要半导体制造商已经在市场上推出了产品。绝大多数玩家都在使用的最成熟的gan器件概念是pgan常闭概念。

2、在传统的pgan功率mosfet中，使用具有一定厚度和铝(al)含量的单个algan势垒来限定二维电子气体(two-dimensional electron gas，2deg)的电特性。这种方法有很多缺点：1)阈值电压(threshold voltage，vth)和2deg特性不能独立控制；2)该方法对表面效应(即动态效应)非常敏感；3)该方法对栅极模块细节(即肖特基与欧姆克)非常敏感；4)该方法显示电流能力降低，这意味着由于可靠性问题，必须权衡性能；5)通常获得非常低的vth，例如，在约1到1.5v之间；6)杂散导通可能会出现问题；7)该方法对寄生以及电压和电流过冲非常敏感。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供没有上述缺点的gan功率晶体管的解决方案。

2、具体地，本发明的一个目的是提供一种用于gan基功率晶体管的新器件概念，该gan基功率晶体管是新颖的、工业相关的并且与传统器件相比具有很大的优势。

3、该目的通过独立权利要求的特征来实现。其它实现方式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。

4、这种gan基功率晶体管的新器件概念是基于具有电导调制增强效应的gan场效应功率晶体管。引起这种电导调制增强效应的新型gan功率晶体管的结构如下所述。

5、本发明的基本思想是实现gan基功率晶体管的新器件概念。该器件是第一个公开的用于gan技术的类igbt功率器件。由于p-gan集电极的少数载流子注入，该器件可以在电导调制下运行，因此可以大幅降低导通状态的电阻。该器件采用pgan栅极概念，该pgan栅极概念可以使得在导通导电状态期间积累的少数载流子快速耗尽。因此，与传统的硅igbt相比，该器件具有快速的断开转换。利用这个概念，可以实现尾电流的抑制，因此可以在vceon与eoff之间实现更好的权衡。这是横向器件概念。因此，通过增加横向漂移区域的长度，可以很容易地增加横向击穿。

6、在本发明中，描述了绝缘栅极双极晶体管(igbt)和基于gan igbt的类晶体管。igbt方法是仅用于硅技术的行业标准。如今，在其发明大约30年后，双极-mos bimos控制开关被称为绝缘栅极双极晶体管igbt，是大多数电力电子转换器的首选器件，额定功率从几千瓦到超过1gw标志。igbt的特点是它能够同时处理大电流和大电压。igbt结合了功率mosfet的简单栅极驱动特性与双极晶体管的高电流和低饱和电压能力。igbt将用于控制输入的隔离栅极fet和双极性功率晶体管作为单个器件中的开关结合在一起。igbt硅晶体管的主要特点可以总结如下：结合高效和快速开关；由于绝缘栅极结构而引起的高输入阻抗；由于p型集电极的少数载波注入而引起的导通状态下的电导调制；vcon与eoff的权衡；由于少数载波重组时间和尾电流，与mosfet相比，开关缓慢。在较高的阻塞电压额定器件中，与传统的mosfet相比，igbt的特征在于正向压降明显更低，虽然由于igbt的输出bjt中没有二极管vf而使mosfet在较低的电流密度下表现出较低的正向电压。

7、本发明中提出的基于gan的功率晶体管结合了igbt器件的优势和gan技术的优势。

8、为了详细描述本发明，将使用以下术语、缩略语和符号：

9、gan 氮化镓

10、fet 场效应晶体管

11、pgan p掺杂gan

12、algan氮化铝镓

13、2deg二维电子气体

14、vth阈值电压

15、在本发明中，描述了制造金属/pgan界面的两种方法，即欧姆界面方法和肖特基界面方法。

16、在欧姆界面方法中，金属栅极与pgan表面之间的界面几乎是理想的。这转化为大直流电流，在导通状态条件下该大直流电流维持器件运行，但也使驱动策略复杂化，并在很大程度上增加驱动损耗。

17、在肖特基界面方法中，反向偏置肖特基二极管与pn-pgan/algan二极管串联插入。这允许大规模降低直流栅极电流。在肖特基界面方法中，pgan节点通过反向偏置肖特基二极管与栅极端子分离。

18、根据第一方面，本发明涉及一种氮化镓功率晶体管，包括：氮化镓缓冲层，其包括顶表面和与顶表面相对的底表面，氮化镓缓冲层包括在顶表面处的第一区域、第二区域和第三区域；氮化铝镓势垒层，其沉积在氮化镓缓冲层的顶表面处；发射极接触，其在氮化铝镓缓冲层的第一区域上方在与氮化镓缓冲层在氮化铝镓缓冲层的界面处形成；第一p型掺杂氮化镓层，其沉积在氮化镓缓冲层的第二区域上方的氮化铝镓势垒层处，第一p型掺杂氮化镓层形成氮化镓功率晶体管的栅极接触；以及，第二p型掺杂氮化镓层，其沉积在gan缓冲层的第三区域上方，该第二p型掺杂氮化镓层形成氮化镓功率晶体管的集电极接触。

19、这种gan功率晶体管提供了技术优势，即由于晶体管的特定栅极结构，尾电流几乎可以完全消除。具体地，pgan栅极区域，即如上所述的第二区域，允许在导通状态导电周期期间注入漂移区域中的空穴快速耗尽。此外，通过适当地选择施加到栅极电极的断开状态电压，可以控制器件的开关速度。

20、这种gan功率晶体管的进一步优势如下：由于从p-gan集电极的少数载流子的注入，该器件允许在电导调制下运行。因此，可以实现导通状态电阻的强烈降低。

21、该器件采用pgan栅极概念，该pgan栅极概念允许快速耗尽在导通状态导电状态期间积累的少数载流子，从而允许与传统的硅igbt相比具有快速断开转换。

22、gan功率晶体管可以实现尾电流的抑制。因此，可以在vceon与eoff之间实现更好的权衡。

23、gan功率晶体管遵循横向器件概念。因此，通过增加横向漂移区域的长度，可以很容易地增加横向击穿。

24、在氮化镓功率晶体管的示例性实现方式中，发射极接触由在氮化铝镓势垒层与氮化镓缓冲层的界面处产生的二维电子气体形成。

25、这提供了可以改善发射极接触的电性能的优势。

26、在氮化镓功率晶体管的示例性实现方式中，集电极接触在第二p型掺杂氮化镓层与氮化镓缓冲层的界面处形成。

27、这提供了p-n二极管可以由pgan层(集电极)和在algan-gan界面形成的2deg形成的优势。p-n二极管用于实现提供用于第一方面的上述优势的igbt结构。

28、在氮化镓功率晶体管的示例性实现方式中，第二p型掺杂氮化镓层沉积在氮化铝镓势垒层的凹部内的氮化铝势垒层处，该凹部部分凹入氮化铝镓势垒层。

29、这对应于氮化镓功率晶体管的第三可能实施例，该实施例将在下文关于图3进一步描述。因此，gan功率晶体管可以具有关于氮化铝镓势垒层的蚀刻的灵活设计。

30、在氮化镓功率晶体管的示例性实现方式中，第二p型掺杂氮化镓层沉积在氮化铝镓势垒层的凹部内的氮化镓缓冲层处，该凹部向下延伸到氮化镓缓冲层。

31、这对应于氮化镓功率晶体管的第一可能实施例，该实施例将在下文关于图1进一步描述。因此，氮化镓功率晶体管可以具有关于氮化铝镓势垒层的蚀刻的灵活设计。

32、在氮化镓功率晶体管的示例性实现方式中，第二p型掺杂氮化镓层沉积在氮化铝镓势垒层的凹部内的氮化镓缓冲层处，该凹部延伸到氮化镓缓冲层中并凹入氮化镓缓冲层。

33、这对应于氮化镓功率晶体管的第二可能实施例，该实施例将在下文关于图2进一步描述。因此，gan功率晶体管可以具有关于氮化铝镓势垒层和氮化镓缓冲层的蚀刻的灵活设计。

34、在氮化镓功率晶体管的示例性实现方式中，gan功率晶体管包括金属层，其沉积在第一p型掺杂氮化镓层处，其中，金属层与第一p型掺杂氮化镓层之间的界面形成肖特基界面或欧姆界面。

35、这提供了gan功率晶体管可以关于栅极接触具有灵活设计的技术优势。

36、欧姆界面方法具有以下优势：(i)pgan节点整齐地连接到栅极金属端子，因此该器件不容易发生vth不稳定性；(ii)可靠性好：栅极断裂是由于大直流电流流经栅极时的热失控所致；(iii)从栅极注入的大量空穴改善了动态效果。

37、肖特基界面方法提供以下优势：(i)pgan节点通过反向偏置肖特基二极管与栅极端子分离；(ii)以牺牲vth不稳定性为代价获得直流电流栅极电流；(iii)低直流电流意味着由于注入缓冲器的空穴数量较少，动态效应优化更加困难；(iv)栅极模块经由tddb机制(如si-mos器件中的氧化物)断裂；(v)动态效应、栅极可靠性和vth稳定性之间的相互作用困难。

38、在氮化镓功率晶体管的示例性实现方式中，gan功率晶体管包括具有p-n二极管的横向功率p氮化镓高电子迁移率晶体管的串联电路，其中，p-n二极管的阳极形成集电极接触。

39、氮化镓功率晶体管具体形成非绝缘栅极双极晶体管nigbt。

40、在氮化镓功率晶体管的示例性实现方式中，p-n二极管由第二p型掺杂gan层和氮化铝镓势垒层与氮化镓缓冲层的界面形成；或者p-n二极管由第二p型掺杂氮化镓层和氮化镓缓冲层形成。

41、这提供了技术优势，即基于igbt的结构可以与第一方面的上述优势一起高效地设计。

42、在氮化镓功率晶体管的示例性实现方式中，p-n二极管形成在第二p型掺杂氮化镓层与部分或完全凹入的氮化铝镓势垒层之间。

43、这提供了可以设计基于igbt结构的不同实施例的技术优势。这根据各自的设计要求提供了灵活性。

44、在氮化镓功率晶体管的示例性实现方式中，在完全凹入的氮化铝镓势垒层的情况下，第二p型掺杂氮化镓层与在氮化镓缓冲层的顶表面处形成的gan沟道直接接触。

45、这提供了这样的基于igbt的器件的电特性可以得到改善的优势。

46、在gan功率晶体管的示例性实现方式中，第二p型掺杂氮化镓层的半导体掺杂不同于第一p型掺杂gan层的半导体掺杂。

47、这提供了第一p型掺杂氮化镓层和第二p型掺杂氮化镓层可以在不同的方法步骤中形成从而提高了设计灵活性的技术优势。

48、在氮化镓功率晶体管的示例性实现方式中，氮化镓功率晶体管包括：第一金属层，其沉积在第一p型掺杂氮化镓层处；以及，第二金属层，其沉积在第二p型掺杂氮化镓层处，其中，第一金属层的金属不同于第二金属层的金属。

49、这提供了栅极接触的金属可以不同于集电极接触的金属的技术优势。因此，栅极接触和集电极接触可以在不同的方法步骤中生产，这提高了设计灵活性。

50、在gan功率晶体管的示例性实现方式中，第二p型掺杂氮化镓层的厚度不同于第一p型掺杂gan层的厚度。

51、这提供了用于栅极接触的pgan层和用于集电极接触的pgan层可以不同的技术优势。因此，栅极接触和集电极接触可以在不同的方法步骤中形成，从而提高设计灵活性。

52、在gan功率晶体管的示例性实现方式中，来自第一p型掺杂氮化镓层的少数载流子的耗尽对于在氮化镓功率晶体管的断开状态期间施加到氮化镓功率晶体管的栅极接触的负栅极电压比对于在断开状态期间施加到栅极接触的零栅极电压更快。

53、通过这种更快地耗尽少数载波，可以提高器件的开关速度。这意味着，器件的速度可以通过在器件断开状态期间改变施加到栅极电极的栅极电压来控制。

54、在氮化镓功率晶体管的示例性实现方式中，氮化铝镓势垒层和氮化镓缓冲层包括在发射极接触和栅极接触下方的区域处的附加p型注入。

55、这提供了可以改善发射极接触的电性能的技术优势。

56、根据第二方面，本发明涉及一种用于制造氮化镓功率晶体管的方法，该方法包括：形成氮化镓缓冲层，该氮化镓缓冲层包括顶表面和与顶表面相对的底表面，氮化镓缓冲层包括在顶表面处的第一区域、第二区域和第三区域；将氮化铝镓势垒层沉积在氮化镓缓冲层的顶表面；将第一p型掺杂氮化镓层沉积在氮化镓缓冲层的第二区域上方的氮化铝镓势垒层处，该第一p型掺杂氮化镓层形成氮化镓功率晶体管的栅极接触；将第二p型掺杂氮化镓层沉积在氮化镓缓冲层的第三区域上方，该第二p型掺杂氮化镓层形成氮化镓功率晶体管的集电极接触；并在氮化镓缓冲层的第一区域上方在氮化铝镓势垒层与氮化镓缓冲层的界面处形成发射极接触。

57、这样的方法提供了与第一方面的相应器件相同的优势。

58、具体地，该方法提供了优势，即可以生产新型gan功率晶体管，由于晶体管的特定栅极结构，用于该新型gan功率晶体管的尾电流可以几乎完全消除。pgan栅极区域，即如上所述的第二区域，允许在导通状态导电周期期间注入漂移区域中的空穴快速耗尽。此外，通过适当地选择施加到栅极电极的断开状态电压，可以控制器件的开关速度。

59、在该方法的示例性实现方式中，该方法包括：将第一硬掩模层沉积和构造在氮化铝镓势垒层处，以限定氮化镓缓冲层的第三区域；在氮化镓缓冲层的第三区域处沟槽蚀刻氮化铝镓势垒层；移除第一硬掩模层；将p型掺杂氮化镓层沉积在氮化铝镓势垒层和由氮化铝镓势垒层的沟槽蚀刻所暴露的氮化镓缓冲层处；在p型掺杂氮化镓层处沉积和构造第二硬掩模层，以限定氮化镓缓冲层的第二区域和第三区域；蚀刻氮化镓缓冲层的第二区域和第三区域外的p型掺杂氮化镓层，以形成第一p型掺杂氮化镓层和第二p型掺杂氮化镓层；移除第二硬掩模层；在通过蚀刻p型掺杂氮化镓层所暴露的氮化镓缓冲层的第一区域上方形成第一金属层；在第一p型掺杂氮化镓层上方形成第二金属层，并且在第二p型掺杂氮化镓层上方形成第三金属层；以及，在第一金属层与第二p型掺杂氮化镓层之间的氮化铝镓势垒层处形成钝化层。

60、这种方法提供了高设计灵活性的优势。这些步骤也可以以与上述不同的顺序执行。

61、上述方法对应于下面关于图7描述的第一方法流程。

62、第一金属层(发射极)可以在形成第二金属层和第三金属层(栅极和集电极)之前的方法步骤中形成。

63、或者，第一金属层(发射极)可以在形成第二金属层和第三金属层(栅极和集电极)之后的方法步骤中形成。

64、在该方法的示例性实现方式中，第二金属层的金属不同于第三金属层的金属。

65、这提供了第二金属层和第三金属层可以在不同的方法步骤中形成的优势。

66、例如，当在不同的方法步骤中形成两个金属层时，第二金属层的金属可以不同于第三金属层的金属。或者，例如，当在单个方法步骤中形成两个金属层时，第二金属层的金属可以与第三金属层的金属相同。

67、在该方法的示例性实现方式中，该方法包括：将第一硬掩模层沉积和构造在氮化铝镓势垒层处，以限定氮化镓缓冲层的第三区域；在氮化镓缓冲层的第三区域处沟槽蚀刻氮化铝镓势垒层；移除第一硬掩模层；将p型掺杂氮化镓层沉积在氮化铝镓势垒层和由氮化铝镓势垒层的沟槽蚀刻所暴露的氮化镓缓冲层处；在p型掺杂氮化镓层处形成金属层；在金属层上沉积并构造第二硬掩模层，以限定氮化镓缓冲层的第二区域和第三区域；在氮化镓缓冲层的第二区域和第三区域之外蚀刻金属层和p型掺杂氮化镓层，以形成具有第二金属接触的第一p型掺杂氮化镓层和具有第三金属接触的第二p型掺杂氮化镓层；移除第二硬掩模层；在通过蚀刻p型掺杂氮化镓层所暴露的氮化镓缓冲层的第一区域上方形成第一金属层；以及，在第一金属层与第二p型掺杂氮化镓层之间的氮化铝镓势垒层处形成钝化层。

68、这种方法提供了高设计灵活性的优势。这些步骤也可以以与上述不同的顺序执行。

69、该方法对应于下面关于图8描述的第二方法流程。

70、在该方法的示例性实现方式中，该方法包括：将p型掺杂氮化镓层沉积在氮化铝镓势垒层处；在p型掺杂氮化镓层处沉积和构造第一硬掩模层，以限定氮化镓缓冲层的第二区域；在氮化镓缓冲层的第二区域外蚀刻p型掺杂氮化镓层，以形成第一p型掺杂氮化镓层；在第一p型掺杂氮化镓层和通过蚀刻p型掺杂氮化镓层暴露的氮化铝镓势垒层处沉积和构造第二硬掩模层，以限定氮化镓缓冲层的第三区域；在氮化镓缓冲层的第三区域沟槽蚀刻氮化铝镓势垒层；将第二p型掺杂氮化镓层沉积在通过沟槽蚀刻氮化铝镓势垒层所暴露的氮化镓缓冲层处；在从第二硬掩模层移除的氮化镓缓冲层的第一区域上方形成第一金属层；在从第二硬掩模层移除的第一p型掺杂氮化镓上方形成第二金属层；以及，在第二p型掺杂氮化镓层上方形成第三金属层。

71、这种方法提供了高设计灵活性的优势。这些步骤也可以以与上述不同的顺序执行。

72、这对应于下面关于图9描述的第三方法流程。

73、第一金属层(发射极)可以在形成第二金属层和第三金属层(栅极和集电极)之前的方法步骤中形成。

74、或者，第一金属层(发射极)可以在形成第二金属层和第三金属层(栅极和集电极)之后的方法步骤中形成。

75、在该方法的示例性实现方式中，第二金属层的金属不同于第三金属层的金属。

76、这提供了两个金属层可以在该方法的不同方法步骤中形成的优势。

77、例如，当在不同的方法步骤中形成两个金属层时，第二金属层的金属可以不同于第三金属层的金属。或者，例如，当在单个方法步骤中形成两个金属层时，第二金属层的金属可以与第三金属层的金属相同。

78、作为上述的替代方案，金属可以在pgan蚀刻之前沉积，并且可以同时对金属和pgan层进行蚀刻步骤，即与上述方法相似。特别地，在第一pgan沉积和蚀刻之后，可以沉积第二pgan，然后可以在覆盖第一pgan层的钝化中打开窗口，然后可以为pgan1和pgan2两者沉积共用金属层。最后，可以进行金属蚀刻。