一种平面氮化镓器件及其制备方法与流程

1.本技术属于半导体技术领域，尤其涉及一种平面氮化镓器件及其制备方法。


背景技术：

2.gan(氮化镓)作为第三代半导体材料，具有很高的临界击穿电场，理论上gan基器件具有很高的击穿电压。氮化镓半导体作为以发光二极管(light emitting diode；led)、激光二极管(laser diode；ld)为代表的光设备的材料在世界中得到广泛使用。进一步地，由于氮化镓系半导体具有带隙宽、电子移动率高、饱和电子速度快以及击穿电压高等非常优异的材料物性，因此近年作为以晶体管为代表的电子设备受到关注，尤其期待在高耐压用功率设备、高频用功率设备中的应用。
3.但是，现有的氮化镓器件都容易在边缘区域发生击穿效应，进而导致器件无法继续工作。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本技术实施例提供了一种平面氮化镓器件及其制备方法，可以解决现有的现有的氮化镓器件都容易在边缘区域发生击穿效应，进而导致器件无法继续工作的问题。
5.本技术实施例的第一方面提供了一种平面氮化镓器件，所述平面氮化镓器件包括：源极区、漏极区、沟道层、势垒层、钝化层和栅极区；其中，
6.所述源极区包括源极主体和多个源极单元，多个所述源极单元平行设置且分别与所述源极主体接触；
7.所述漏极区包括漏极主体和多个漏极单元，多个所述漏极单元平行设置且分别与所述漏极主体接触；
8.所述栅极区包括栅极主体和多个栅极单元，所述栅极区设于所述势垒层上，多个所述栅极单元平行设置且分别与所述栅极主体接触；
9.其中，每个所述栅极单元分段设置，且每个所述栅极单元设置于对应的多个所述漏极单元与多个所述源极单元之间。
10.在一个实施例中，所述栅极单元包括：第一栅极耐压元件、第二栅极耐压元件和栅极元件；
11.其中，所述第一栅极耐压元件的第一端与所述栅极主体接触，所述第一栅极耐压元件的第二端串联所述栅极元件后与所述第二栅极耐压元件接触。
12.在一个实施例中，所述第一栅极耐压元件和第二栅极耐压元件的长度均小于所述栅极元件的长度。
13.在一个实施例中，所述第一栅极耐压元件和所述第二栅极耐压元件为“凸”字型结构，所述“凸”字型结构的顶部与所述势垒层接触。
14.在一个实施例中，所述第一栅极耐压元件和所述第二栅极耐压元件为梯形结构，
所述梯形结构的顶部与所述势垒层接触。
15.在一个实施例中，所述源极单元的个数与所述漏极单元的个数相同，所述栅极单元的个数大于所述源极单元的个数，所述栅极单元的个数大于所述漏极单元的个数。
16.在一个实施例中，多个所述漏极单元分别与多个所述源极单元交叉设置。
17.在一个实施例中，所述第一栅极耐压元件和第二栅极耐压元件的宽度均大于所述栅极元件的宽度。
18.在一个实施例中，第一栅极耐压元件和第二栅极耐压元件的厚度均与所述栅极元件的厚度相等。
19.本技术实施例的第二方面提供了一种平面氮化镓器件的制备方法，包括：
20.提供半导体衬底；
21.在所述半导体衬底上依次形成源极区和漏极区；其中，所述源极区包括源极主体和多个源极单元，多个所述源极单元平行设置且分别与所述源极主体接触；所述漏极区包括漏极主体和多个漏极单元，多个所述漏极单元平行设置且分别与所述漏极主体接触；
22.在所述半导体衬底上形成沟道层；其中，所述沟道层包括多个沟道单元，多个所述沟道单元分别设于相邻的所述源极单元和所述漏极单元之间；
23.在所述沟道层上形成势垒层；其中，所述势垒层包括多个势垒单元，其中，多个所述势垒单元分别与多个所述沟道单元一一对应；
24.在所述沟道层上形成栅极区和钝化层；其中，所述栅极区包括栅极主体和多个栅极单元，所述栅极区设于所述势垒层上，多个所述栅极单元平行设置且分别与所述栅极主体接触；每个所述栅极单元分段设置，且每个所述栅极单元设置于对应的多个所述漏极单元与多个所述源极单元之间；所述钝化层包括多个钝化单元，多个所述钝化单元分别设于相邻的所述栅极单元和所述漏极单元之间，多个所述钝化单元还设于相邻的所述栅极单元和所述源极单元之间。
25.本技术实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过设置栅极区包括栅极主体和多个栅极单元，栅极区设于势垒层上，多个栅极单元平行设置且分别与栅极主体接触；其中，每个栅极单元分段设置，且每个栅极单元设置于对应的多个漏极单元与多个源极单元之间，将栅极单元进行分段设置，其中，在器件的边缘区域与中间区域使用不同的栅极结构，可以解决现有的氮化镓器件都容易在边缘区域发生击穿效应，导致器件无法继续工作的问题。
附图说明
26.图1是本技术一个实施例提供的平面氮化镓器件的垂直切面结构示意图；
27.图2是本技术一个实施例提供的平面氮化镓器件的水平切面结构示意图；
28.图3是本技术另一个实施例提供的平面氮化镓器件的水平切面结构示意图；
29.图4是本技术另一个实施例提供的平面氮化镓器件的垂直切面结构示意图；
30.图5是本技术一个实施例提供的平面氮化镓器件的制备方法流程示意图；
31.图6是本技术一个实施例提供的形成源极区和漏极区的示意图；
32.图7是本技术一个实施例提供的形成沟道层的示意图；
33.图8是本技术一个实施例提供的形成势垒区的示意图；
34.图9是本技术一个实施例提供的形成栅极区和钝化层示意图。
具体实施方式
35.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
36.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
37.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
38.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
39.gan(氮化镓)作为第三代半导体材料，具有很高的临界击穿电场，理论上gan基器件具有很高的击穿电压。氮化镓半导体作为以发光二极管(light emitting diode；led)、激光二极管(laser diode；ld)为代表的光设备的材料在世界中得到广泛使用。进一步地，由于氮化镓系半导体具有带隙宽、电子移动率高、饱和电子速度快以及击穿电压高等非常优异的材料物性，因此近年作为以晶体管为代表的电子设备受到关注，尤其期待在高耐压用功率设备、高频用功率设备中的应用。
40.但是，现有的氮化镓器件都容易在边缘区域发生击穿效应，导致器件无法继续工作。
41.为了解决上述技术问题，本技术实施例提供了一种平面氮化镓器件，参考图1、图2所示，其中，平面氮化镓器件包括：源极区10、漏极区20、沟道层40、势垒层50、钝化层60和栅极区30。
42.具体的，源极区10包括源极主体12和多个源极单元11，多个源极单元11平行设置且分别与源极主体12接触；漏极区20包括漏极主体22和多个漏极单元21，多个漏极单元21平行设置且分别与漏极主体22接触；栅极区30包括栅极主体32和多个栅极单元31，栅极区30设于势垒层50上，多个栅极单元31平行设置且分别与栅极主体32接触；其中，每个栅极单元31分段设置，且每个栅极单元31设置于对应的多个漏极单元21与多个源极单元11之间。
43.在本实施例中，沟道层40、势垒层50、钝化层60层叠设置，且沟道层40、势垒层50、钝化层60被多个漏极单元21、多个栅极单元31以及多个源极单元11划分为多个子单元。
44.在一些实施例中，沟道层40包括多个沟道单元41，其中，每个沟道单元41分别设于相邻的源极单元11和漏极单元21之间，且与源极单元11和漏极单元21接触。
45.进一步地，沟道单元41与对应的源极单元11和漏极单元21垂直。
46.在本实施例中，势垒层50包括多个势垒单元51，多个势垒单元51分别与多个沟道
单元41一一对应接触。
47.每个势垒单元51分别设于对应的源极单元11和漏极单元21之间。
48.在本实施例中，相邻的漏极单元21和源极单元11之间的钝化层60被栅极单元31划分为两个钝化单元61，两个钝化单元61分别设于栅极单元31和漏极单元21之间，以及栅极单元31和源极单元11之间。
49.多个钝化单元61分别设于对应的势垒单元51上，可以理解的是，每个势垒单元51分别设于对应的钝化单元61和沟道单元41之间。每个栅极单元31分别设于对应的源极单元11和漏极单元21之间，且与对应的势垒单元51接触。
50.在一些实施例中，源极单元11和漏极单元21的厚度相同，钝化单元61和栅极单元31的厚度相同，栅极单元31、势垒单元51和沟道单元41的厚度总和与漏极单元21或者源极单元11的厚度相同。
51.在一些实施例中，将相邻的源极单元11和漏极单元21中间的区域分为三层，其中，第一层为沟道单元41，第二层为势垒单元51，第三层为钝化单元61和栅极单元31。
52.在本实施例中，参考图1、图2所示，多个栅极单元31、多个漏极单元21以及多个源极单元11均平行设置，每个栅极单元31设置于对应的多个漏极单元21与多个源极单元11之间。在本实施例中，将每个栅极单元31分段设置，即每个栅极单元31由不同的材料和结构组成，通过在氮化镓器件容易发生击穿效应的区域(参考图2中区域a、区域b)对栅极单元31的材料和结构进行加强设置，可以提升氮化镓器件的可靠度，避免器件在边缘区域发生击穿效应。
53.在本实施例中，源极单元11的个数与漏极单元21的个数相同，栅极单元31的个数大于源极单元11的个数。具体的，源极单元11和漏极单元21间隔设置，可以理解的是，每个漏极单元21设于相邻的源极单元11之间，多个栅极单元31分别设于相邻的源极单元11和漏极单元21之间，即，相邻的源极单元11之间设置一个漏极单元21和两个栅极单元31。
54.在本实施例中，平面氮化镓器件还包括：半导体衬底，半导体衬底设于沟道层40、源极区10以及漏极区20底部，且与沟道层40、源极区10以及漏极区20底部接触。
55.在一个实施例中，参考图3所示，栅极单元31包括：第一栅极耐压元件311、第二栅极耐压元件312和栅极元件313。
56.具体的，第一栅极耐压元件311的第一端与栅极主体32接触，第一栅极耐压元件311的第二端串联栅极元件313后与第二栅极耐压元件312接触。
57.在本实施例中，在氮化镓器件的边缘区域容易发生击穿效应，导致器件的可靠度下降，进而导致器件无法继续工作。本技术通过将栅极单元31进行分段设置，即在器件容易发生可靠度问题的区域设置第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312，在器件的中间区域，即不容易发生可靠度问题的区域设置栅极元件313，以解决现有的氮化镓器件容易在边缘区域发生击穿效应，进而导致器件无法继续工作的问题。
58.在本实施例中，第一栅极耐压元件311的结构与第二栅极耐压元件312的结构相同，栅极元件313的结构与第一栅极耐压元件311的结构、第二栅极耐压元件312的结构不相同。可以理解的是，第一栅极耐压元件311使用大寄生电容或者高耐压的结构，栅极元件313使用少寄生电容、低耐压的结构，以节省耗材，节省成本。在本实施例中，第一栅极耐压单元、栅极元件313以及第二栅极耐压单元依次串联组成栅极单元31。第一栅极耐压元件311
与第二栅极耐压元件312设置于氮化镓器件两端容易发生击穿效应的区域(参考图2中区域a、区域b)，使得氮化镓器件边缘区域的击穿效应大大减小，减小氮化镓器件的电场和应力，并且，由于第一栅极耐压元件311与第二栅极耐压元件312只是设置在栅极单元31的两端，所以同时保留了栅极单元31中间区域的性能，最大限度地保留了氮化镓器件的性能，同时提升了器件的耐压能力。
59.在一个实施例中，参考图3所示，第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312的长度l1均小于栅极元件313的长度l2。
60.在本实施例中，第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312只是设置在氮化镓器件两端(大约10％-30％)容易发生击穿效应的区域(参考图2中区域a、区域b)，中间区域为栅极元件313，如此操作，在器件不容易发生击穿效应的区域不设置加强结构的第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312，通过设置第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312的长度l1均小于栅极元件313的长度l2，可以在节省耗材的基础上，解决氮化镓器件边缘区域容易发生击穿效应的问题。
61.在一个实施例中，参考图1和图3所示，第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312为“凸”字型结构，“凸”字型结构的顶部与势垒层50接触。
62.在本实施例中，“凸”字型结构的顶部的宽度小于“凸”字型结构底部的宽度，可以理解的是，第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312接近势垒层50的部位的宽度小于远离势垒层50的宽度，因为在氮化镓器件工作时，在其边缘区域且表面容易发生击穿效应，降低器件的可靠度，所以设置述第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312接近势垒层50的部位的宽度小于远离势垒层50的宽度，以解决此问题，但是若是把第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312远离势垒层50和靠近势垒层50的宽度设置层一样，则会增加氮化镓器件在工作时的导通阻抗，因此，只在第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312远离势垒层50的一端容易发生击穿效应的区域设置的宽度较大，在靠近势垒层50的第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312的端部，设置的宽度较小，如此操作，既可以减小导通阻抗，还可以解决氮化镓器件边缘区域容易发生击穿效应的问题。
63.在一个实施例中，参考图4所示，第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312为梯形结构，梯形结构的顶部与势垒层50接触。
64.具体的，梯形结构包括：第一台阶、第二台阶以及第三台阶，其中，第一台阶的宽度＜第二台阶的宽度＜第三台阶的宽度。即，第一台阶为梯形结构的顶部，第一台阶与势垒层50接触。在器件的边缘区域且靠近表面的第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312设置较大的宽度，然后逐步减小其宽度。通过设置第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312接近势垒层50的部位的宽度小于远离势垒层50的宽度，且成梯形分布，既可以解决氮化镓器件边缘区域容易发生击穿效应的问题，还可以在氮化镓器件工作时不增大其导通阻抗，最大限度地保留了氮化镓器件的性能，同时提升了器件的耐压能力。
65.在一个实施例中，源极单元11的个数与漏极单元21的个数相同，栅极单元31的个数大于源极单元11的个数，栅极单元31的个数大于漏极单元21的个数。具体的，源极单元11和漏极单元21间隔设置，可以理解的是，每个漏极单元21设于相邻的源极单元11之间，多个栅极单元31分别设于相邻的源极单元11和漏极单元21之间，即，相邻的源极单元11之间设置一个漏极单元21和两个栅极单元31。
66.在一个实施例中，多个漏极单元21分别与多个源极单元11交叉设置。
67.在本实施例中，源极单元11的个数与漏极单元21的个数相同，栅极单元31的个数大于源极单元11的个数。具体的，源极单元11和漏极单元21间隔设置，可以理解的是，每个漏极单元21设于相邻的源极单元11之间，多个栅极单元31分别设于相邻的源极单元11和漏极单元21之间，即，相邻的源极单元11之间设置一个漏极单元21和两个栅极单元31。
68.在一个实施例中，参考图3所示，第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312的宽度w1均大于栅极元件313的宽度w2。
69.具体的，第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312设置于氮化镓器件两端容易发生击穿效应的边缘区域(大约10％-30％的区域)，中间区域设置栅极元件313，因为边缘区域发生击穿效应的概率远大于中间区域发生击穿效应的概率，在容易发生击穿效应的区域设置第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312的宽度w1均大于栅极元件313的宽度w2，可以解决氮化镓器件边缘区域容易发生击穿效应，导致器件无法继续工作的问题。
70.在一个实施例中，参考图4所示，第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312的厚度h均与栅极元件313的厚度相等。
71.具体的，第一栅极耐压元件311、第二栅极耐压元件312以及栅极元件313组成栅极单元31，而栅极单元31的厚度是恒定的，所以设置第一栅极耐压元件311和第二栅极耐压元件312的厚度h均与栅极元件313的厚度相等，可以保证功率器件性能的稳定性，延长功率器件的使用寿命。
72.在一个实施例中，沟道层40是gan，势垒层50是algan，钝化层60是sin。
73.本技术实施例还提供了一种平面氮化镓器件的制备方法，参考图5所示，包括：步骤s10-s50。
74.步骤s10：提供半导体衬底70。
75.步骤s20：参考图6所示，在半导体衬底70上依次形成源极区10和漏极区20；其中，源极区10包括源极主体12和多个源极单元11，多个源极单元11平行设置且分别与源极主体12接触；漏极区20包括漏极主体22和多个漏极单元21，多个漏极单元21平行设置且分别与漏极主体22接触。
76.步骤s30：参考图7所示，在半导体衬底70上形成沟道层40；其中，沟道层40包括多个沟道单元41，多个沟道单元41分别设于相邻的源极单元11和漏极单元21之间。
77.步骤s40：参考图8所示，在沟道层40上形成势垒层50；其中，势垒层50包括多个势垒单元51，其中，多个势垒单元51分别与多个沟道单元41一一对应。
78.步骤s50：参考图9所示，在沟道层40上形成栅极区30和钝化层60；其中，栅极区30包括栅极主体32和多个栅极单元31，栅极区30设于势垒层50上，多个栅极单元31平行设置且分别与栅极主体32接触；每个栅极单元31分段设置，且每个栅极单元31设置于对应的多个漏极单元21与多个源极单元11之间，钝化层60包括多个钝化单元61，多个钝化单元61分别设于相邻的栅极单元31和漏极单元21之间，多个钝化单元61还设于相邻的栅极单元31和源极单元11之间。
79.在本实施例中，在步骤s30中，沟道层40包括多个沟道单元41，其中，多个沟道单元41分别设于相邻的源极单元11和漏极单元21之间，且与源极单元11和漏极单元21接触，且多个沟道单元41分别垂直于源极单元11和漏极单元21；且多个沟道单元41分别位于源极单
元11和漏极单元21的底端。
80.在本实施例中，在步骤s40中，势垒层50包括多个势垒单元51，多个势垒单元51分别与多个沟道单元41一一对应接触，且多个势垒单元51分别与源极单元11和漏极单元21接触；其中，多个势垒单元51位于对应的沟道单元41的顶部，远离源极单元11和漏极单元21的底端的位置。
81.在本实施例中，在步骤s50中，钝化层60包括多个钝化单元61，多个钝化单元61分别设于相邻的栅极单元31和漏极单元21之间，多个钝化单元61还设于相邻的栅极单元31和源极单元11之间，多个钝化单元61分别设于对应的势垒单元51上，可以理解的是，多个势垒单元51分别设于对应的钝化单元61和沟道单元41之间。多个栅极单元31分别设于对应的源极单元11和漏极单元21之间，且与对应的势垒单元51接触，可以理解的是，源极单元11和漏极单元21的厚度相同，钝化单元61和栅极单元31的厚度相同，栅极单元31、势垒单元51和沟道单元41的厚度总和与漏极单元21或者源极单元11的厚度相同。也可以理解的是，将相邻的源极单元11和漏极单元21中间的区域分为三层，其中，第一层为沟道单元41，第二层为势垒单元51，第三层为钝化单元61和栅极单元31。
82.在本实施例中，在步骤s20中，多个栅极单元31、多个漏极单元21以及多个源极单元11均平行设置，每个栅极单元31设置于对应的多个漏极单元21与多个源极单元11之间。在本实施例中，将每个栅极单元31分段设置，即每个栅极单元31由不同的材料和结构组成，通过在氮化镓器件容易发生击穿效应的区域对栅极单元31的材料和结构进行加强设置，可以提升氮化镓器件的可靠度，提升器件的耐压能力。
83.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
84.作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示数据的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
85.以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。