氮化镓金属氧化物半导体场效应晶体管的制作方法

本发明涉及氮化镓(gan)金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，具体地涉及gan增强型mosfet，特别是对gan增强型mosfet的导通电阻(rdson)的改进。

背景技术：

1、近几十年来，科技取得了长足的进步，特别是在电力电子和半导体领域。事实上，随着电子元件小型化、集成化和效率的不断提高，电子设备和仪器越来越精密，具有卓越的功能和性能。电子产品的应用涉及人类活动的各个领域和部门，从电信和医学开始，最后在最近几十年还涉及到交通运输，如电动汽车、大功率充电站、逆变器等。

2、电力电子在未来几年呈现出稳定而强劲的增长。硅和wbg(wide band gap，宽能隙)材料(碳化硅或氮化镓)中的功率mosfet、diodes(二极管)、igbt(绝缘栅双极晶体管)领域的研究和开发不断发现更高性能(即更高的功率密度)，其提供比目前由现有的半导体组件所提供的这些材料更高等级的特性和效率，所谓新材料(碳化硅或氮化镓)自二战后以来就以它们的优异性能而闻名，但由于与生产设备限制相关的技术开发的成本和难度等原因，它们从未被开发或用于构建具有卓越性能的新组件。

3、在近20年中，随着新工艺设备的开发，新的宽能隙半导体技术已经被开发和微调以用于工业生产，并且具有优于现有设备的性能的新设备已经被开发、工业化和大规模生产了。特别是，已经使用两种新材料开发了两种技术，即碳化硅(sic)和氮化镓(gan)。这两种新材料使得可以设计具有优异性能的半导体器件，特别是sic二极管和mosfet在中、高压和超高电压下具有出色的性能，而gan mosfet在从关断状态到开启状态(或反之)的开关速度方面具有独特的性能。

4、目前，mosfet是广泛应用于电子设备的有源电子元件，mosfet的市场每年数十亿美元，并且还在逐年增长，有几个mosfet系列，每个系列都有不同的电气特性，mosfet的类型取决于其中计划使用它的应用。根据2018年进行的一项新市场研究，预计mosfet的全球市场在未来五年内将以约3.4％的复合年增长率增长，将从2021年的70.5亿美元增至2026年的97.5亿美元。事实上，mosfet可以用于电力和信号电子电路或用于执行特殊功能的电路，此外，mosfet也可以在相对简单的电路中找到，这些相对简单的电路中可能需要基于电气极化的电流控制系统，以能够控制流过mosfet的电流。

5、mosfet通常主要包括三个电极，分别称为栅极(gate)、漏极(drain)和源极(source)，这些电极都具有电连接，可以分别用于漏极电流输入、源极电流输出和栅极电流控制。另外，漏极和源极的功能可以相互转换，这时，漏极为电流输出，源极为电流输入，而栅极只会改变用于控制在漏极和源极之间的电流的极性。

6、在第一种情况下，其中电流从漏极流向源极，可以获得n沟道mosfet；而在第二种情况下，其中电流从源极流向漏极，可以得到p沟道mosfet。在图1a和1b中，分别画出了硅半导体的n沟道mosfet和p沟道mosfet的基本结构的剖视图，并且在图1c和1d中分别画出了在电路图中表示它们的符号。其中，n沟道mosfet在p型衬底上形成，而p沟道mosfet在n型衬底上形成，sio2是二氧化硅绝缘层，al是铝金属层。

7、类似于在电子电路中使用的所有其他有源电子元件，mosfet是需要根据mosfet本身的性能及其主要电气参数值来对它们的优度(goodness，或适合度、吻合度)进行评估的元件。决定mosfet的优度的主要(最重要的)特征之一是称为fom(品质因数)的参数。这个参数表示mosfet在工作操作期间必须确定尽可能少的能量损失的能力。

8、实际上，决定能量损失的主要参数称为rdson(导通电阻，即mosfet在导通状态下在漏极和源极之间的电阻)和qg(栅极电荷)。在实践中，参数fom是rdson和qg的乘积，即：fom＝rdson*qg。

9、因此，本领域需要一种半导体器件，其具有卓越性能，并在降低损耗方面具有卓越的属性，从而降低所述半导体器件的品质因数(fom)。

技术实现思路

1、本发明涉及一种称为mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)的半导体电子器件。具体地说，本发明涉及gan(氮化镓)mosfet，特别是gan增强型mosfet，尤其是对gan增强型mosfet的导通电阻(rdson)的改进。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种氮化镓金属氧化物半导体场效应晶体管(gan mosfet)，包括：衬底，在所述衬底上的gan层，在所述gan层上的缓冲层，分别在所述缓冲层上形成的源区、漏区和栅区，在源区、漏区和栅区上的绝缘层和金属层，以及在所述源区和漏区之间、在低于栅区的位置处形成的沟槽结构，其中，所述沟槽结构包括一个或多个沟槽，所述沟槽从所述源区穿过所述gan mosfet器件的沟道区延伸到所述漏区，所述金属层分别经由通孔与所述源区、漏区和栅区相连接，所述绝缘层用于将所述金属层、源区、漏区和栅区分开。所述沟槽可以形成为沿着所述gan mosfet器件的沟道宽度方向和/或长度方向或在宽度方向和长度方向两者上延伸。所述沟槽结构将通过并接由沟槽侧壁产生的额外电阻来降低在漏极和源极之间的电阻。

3、本专利的基本理念源于需要创建一种半导体器件，其具有卓越性能，并在降低损耗方面具有卓越的属性，从而降低器件品质因数fom。为了获得更好的性能，需要在保持相同电气特性(主要是rdson)的同时减少器件的有源面积，这样会降低mosfet器件的寄生电容，从而降低栅极电荷qg，这种特性的改善将主要对mosfet器件的fom带来好处，也将带来成本的降低，从而增加利润。

技术特征：

1.一种氮化镓(gan)金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，包括：衬底，在所述衬底上的gan层，在所述gan层上的缓冲层，分别在所述缓冲层上形成的源区、漏区和栅区，在源区、漏区和栅区上的绝缘层和金属层，以及在所述源区和漏区之间、在低于栅区的位置处形成的沟槽结构。

2.根据权利要求1的gan mosfet，其中，所述gan mosfet包括gan增强型mosfet或gan耗尽型mosfet。

3.根据权利要求1的gan mosfet，其中，所述缓冲层是algan缓冲层，在所述栅区与所述algan缓冲区之间具有p型或n型gan层以形成栅绝缘层，在所述衬底与所述gan层之间具有成核层，并且在所述栅区与源区、漏区之间具有二氧化硅绝缘层。

4.根据权利要求1的gan mosfet，其中，所述沟槽结构在深度方向上延伸到所述gan层中，或者所述沟槽结构是延伸穿过整个所述gan层的全沟槽，或者，所述沟槽结构在深度方向上延伸到所述衬底中。

5.根据权利要求1的gan mosfet，其中，所述沟槽结构包括2个、3个或更多个沟槽，所述沟槽形成为沿着所述gan mosfet器件的沟道宽度方向延伸。

6.根据权利要求1的gan mosfet，其中，所述沟槽结构包括2个、3个或更多个沟槽，所述沟槽形成为沿着所述gan mosfet器件的沟道长度方向延伸，或者所述沟槽形成为沿着所述gan mosfet器件的沟道长度方向和沟道宽度方向两者延伸。

7.根据权利要求5或6的gan mosfet，其中所述沟槽相互平行，并且在相邻沟槽之间的间距在从约0.05μm至约100μm的范围内。

8.根据权利要求7的gan mosfet，其中，在相邻沟槽之间的间距约为0.5μm，所述沟槽的深度是0.5μm，且在所述沟槽顶部的台面宽度是0.2μm。

9.根据权利要求7的gan mosfet，其中，在相邻沟槽之间的间距是7μm，所述沟槽的深度是3μm，且在所述沟槽顶部的台面宽度是1μm。

10.根据权利要求1的gan mosfet，其中，所述沟槽结构包括2个、3个或更多个沟槽，所述沟槽在所述gan mosfet器件的源区和漏区之间形成多个沟槽的排列。

11.根据权利要求1的gan mosfet，其中，所述沟槽形成为相对于所述gan mosfet器件的沟道长度方向是倾斜的，所述沟槽侧壁倾斜的角度是30°、45°、60°或其它任何角度。

12.根据权利要求1的gan mosfet，其中，所述衬底是硅衬底、soi衬底、蓝宝石衬底、氮化硅衬底、gan衬底或其他衬底。

技术总结
一种氮化镓(GaN)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，包括：衬底，在所述衬底上的GaN层，在所述GaN层上的缓冲层，分别在所述缓冲层上形成的源区、漏区和栅区，在源区、漏区和栅区上的绝缘层和金属层，以及在所述源区和漏区之间、在低于栅区的位置处形成的沟槽结构，其中，所述沟槽结构包括一个或多个沟槽，所述沟槽从所述源区穿过所述GaNMOSFET器件的沟道区延伸到所述漏区，所述金属层分别经由通孔与所述源区、漏区和栅区相连接，所述绝缘层用于将所述金属层、源区、漏区和栅区分开。所述沟槽可以形成在所述GaN MOSFET器件的沟道宽度方向和/或沟道长度方向上或两者方向上。所述沟槽结构将通过并接由沟槽侧壁产生的额外电阻来降低在漏极和源极之间的电阻。

技术研发人员：多米尼哥·洛华帝,邓志平,杰世瑞·朗斯华利
受保护的技术使用者：蕾能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15