一种积累型垂直hemt器件的制作方法
【专利摘要】本发明属于半导体技术领域，涉及一种积累型垂直HEMT器件。本发明正向导通状态下，绝缘栅极结构侧壁处形成高浓度的电子积累层，大大地降低了器件的导通电阻，从而保证了器件具有很好的正向电流驱动能力；反向阻断状态下，绝缘栅极结构可以有效地改善器件阻挡层与缓冲层界面处的电场集中效应，同时在绝缘栅极结构末端处引入新的电场尖峰，使器件电场分布更加均匀，从而提高器件的关态击穿电压。本发明所公布的器件制备工艺与传统工艺兼容。
【专利说明】
一种积累型垂直HEMT器件
技术领域
[0001]本发明属于半导体技术领域，涉及一种积累型垂直HEMT (High ElectronMobility Transistor，高电子迀移率晶体管)器件。
【背景技术】
[0002]现有的高耐压GaN HEMT结构主要为横向器件，器件基本结构如图1所示。器件主要包括衬底、GaN缓冲层、AlGaN势皇层以及AlGaN势皇层上形成的源极、漏极和栅极，其中源极和漏极与AlGaN势皇层形成欧姆接触，栅极与AlGaN势皇层形成肖特基接触。但是对于横向GaN HEMT而言，在截止状态下，从源极注入的电子可以经过GaN缓冲层到达漏极，形成漏电通道，过大的缓冲层泄漏电流会导致器件提前击穿，无法充分发挥GaN材料的高耐压优势，从而限制GaN HEMT在高压方面的应用。同时横向GaN HEMT器件主要依靠栅极与漏极之间的有源区来承受耐压，要获得大的击穿电压，需设计很大的栅极与漏极间距，从而会增大芯片面积，不利于现代电力电子系统便携化、小型化的发展趋势。
[0003]文献(Enhancementand Deplet1n Mode AlGaN/GaN CAVET With Mg-1on-1mplanted GaN as Current Blocking Layer,IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,VOL.29,N0.6 JUNE 2008)提出垂直GaN HEMT结构，有效地改善了上述横向GaN HEMT所存在的问题。与横向GaN HEMT相比，垂直GaN HEMT存在以下优势:器件耐压不再受到横向尺寸的限制，SP器件主要通过栅极与漏极之间的纵向间距来承受耐压，器件横向尺寸可以设计的非常小，有效节省芯片面积；同时P -GaN电流阻挡层与n -GaN缓冲层之间形成的P -η结可以有效阻挡从源极注入的电子，从而抑制器件缓冲层泄漏电流。
[0004]对于常规垂直GaN HEMT而言，纵向器件无法利用2DEG来实现导通，导通电流需要流经缓冲层，这使得导通电阻远高于横向器件;且器件主要依靠P-GaN电流阻挡层与n-GaN缓冲层之间形成的PN结来承受耐压，为了实现高的击穿电压，n-GaN缓冲层浓度不宜过高，但低浓度的缓冲层会增大器件的导通电阻，大大限制了器件的正向电流能力，因此常规垂直GaN HEMT器件存在耐压与导通电阻的矛盾关系。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种积累型垂直HEMT器件，在达到提高器件击穿电压的同时降低器件的导通电阻，缓解或解决耐压与导通电阻的矛盾关系。
[0006]本发明的技术方案是:如图3所示，
[0007]—种积累型垂直HEMT器件，包括从下至上依次层叠设置的漏电极1、衬底2、缓冲层
3、沟道层5和势皇层6，所述势皇层6上表面两端设置有源电极7;所述势皇层6上表面中部设置有绝缘栅极结构；所述源电极7与绝缘栅极结构之间的势皇层6上表面具有介质钝化层10;其特征在于，所述衬底2、缓冲层3、沟道层5为N型掺杂;所述电流阻挡层4为P型掺杂;所述缓冲层3中存在阻挡层4;所述绝缘栅极结构的中部沿垂直方向向下延伸，依次贯穿势皇层6、沟道层5和阻挡层4并延伸入缓冲层3中，绝缘栅极结构位于势皇层6上表面的部分及向下延伸的部分形成“T”型结构;所述绝缘栅极结构由绝缘栅介质8和被绝缘栅介质8包围栅电极9构成;所述阻挡层4位于绝缘栅介质8的两侧，且与绝缘栅介质8之间具有间距，此间距并形成电流孔径;所述源电极I和漏电极7为欧姆接触。
[0008]进一步的，所述绝缘栅介质8的横向宽度从上至下逐渐增加
[0009]进一步的，所述栅电极9由第一栅电极91和第二栅电极92构成，形成分裂栅，第一栅电极91位于第二栅电极92上方，且第一栅电极91和第二栅电极92之间被绝缘栅介质8隔离;所述第二栅电极92所接电位为正电位、负电位或者零电位。
[0010]进一步的，所述电流阻挡层4由多层在垂直方向上相互平行的P型掺杂阻挡层构成。
[0011]进一步的，所述缓冲层3的掺杂方式为均匀掺杂、纵向分段阶梯掺杂和纵向线性掺杂中的一种。
[0012]进一步的，所述绝缘栅极结构位于势皇层6上表面的部分，垂直向下延伸入势皇层6中。
[0013]进一步的，所述绝缘栅极结构位于势皇层6上表面的部分，垂直向下延伸入势皇层6中，并与沟道层5的上表面连接。
[OOM]进一步的，所述绝缘栅介质8采用的材料为Al203、Hf02、Si02—种或几种的组合。
[0015]进一步的，所述衬底2、缓冲层3、电流阻挡层4、沟道层5和势皇层6材料为GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合，且沟道层5和势皇层6形成异质结
[0016]本发明的有益效果为，一方面，反向阻断状态下绝缘栅极结构可以有效地改善器件电流阻挡层与缓冲层界面处的电场集中效应，同时在绝缘栅极结构末端处引入新的电场尖峰，使器件电场分布更加均匀，从而提高器件的关态击穿电压；另一方面，正向导通状态下绝缘栅极结构侧壁处形成高浓度的电子积累层，大大地降低了器件的导通电阻，从而保证了器件具有很好的正向电流驱动能力。
【附图说明】
[0017]图1是常规横向HEMT器件结构。
[0018]图2是常规垂直HEMT器件结构。
[0019]图3是本发明提出的积累型垂直HEMT器件结构。
[0020]图4是本发明提出的具有阶梯形状栅介质的积累型垂直HEMT器件结构。
[0021]图5是本发明提出的具有分裂绝缘栅极结构积累型垂直HEMT器件结构。
[0022]图6是本发明提出具有多层P型电流阻挡层的积累型垂直HEMT器件结构。
[0023]图7是本发明提出的缓冲层采用分段掺杂的积累型垂直HEMT器件结构。
[0024]图8是本发明提出的栅下势皇层部分刻蚀的积累型垂直HEMT器件结构。
[0025]图9是本发明提出的栅下势皇层全部刻蚀的积累型垂直HEMT器件结构。
[0026]图10是本发明提出的积累型垂直HEMT器件结构与传统垂直HEMT结构的反向耐压电场分布比较图。
[0027]图11是本发明提出的积累型垂直HEMT器件结构与传统垂直HEMT结构的输出曲线比较图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案:
[0029]图3示出了一种积累型垂直HEMT器件的全元胞结构示意图。本例器件包括:
[0030]所述器件包括从下至上依次层叠设置的漏电极1、衬底2、缓冲层3、沟道层5和势皇层6，所述势皇层6上表面两端设置有源电极7;所述势皇层6上表面中部设置有绝缘栅极结构;所述源电极7与绝缘栅极结构之间的势皇层6上表面具有介质钝化层10;其特征在于，所述衬底2、缓冲层3、沟道层5为N型掺杂;所述电流阻挡层4为P型掺杂;所述缓冲层3中存在阻挡层4;所述绝缘栅极结构的中部沿垂直方向向下延伸，依次贯穿势皇层6、沟道层5和阻挡层4并延伸入缓冲层3中，绝缘栅极结构位于势皇层6上表面的部分及向下延伸的部分形成“T”型结构;所述绝缘栅极结构由绝缘栅介质8和被绝缘栅介质8包围栅电极9构成;所述阻挡层4位于绝缘栅介质8的两侧，且与绝缘栅介质8之间具有间距，此间距并形成电流孔径；所述源电极I和漏电极7为欧姆接触。
[0031]本发明提供的积累型垂直HEMT器件缓解了传统垂直HEMT器件耐压与导通电阻的矛盾关系。反向阻断状态下，绝缘栅极结构可以有效地改善器件电流阻挡层与缓冲层界面处的电场集中效应，同时在绝缘栅极结构末端处引入新的电场尖峰，使器件电场分布更加均匀，从而提高器件的关态击穿电压;正向导通状态下，在正的栅压作用下，绝缘栅极结构侧壁处形成高浓度的电子积累层，形成电子的低阻通道，大大地降低了器件的导通电阻，从而保证了器件具有很好的正向电流驱动能力。
[0032]实施例2
[0033]与实施例1相比，本例器件的绝缘栅介质8呈现阶梯形状，其他结构与实施例1相同，如图4所示。阶梯形状的绝缘栅介质8的引入可以有效地减小栅电容，提高器件的动态性能，但栅的积累效果会受到削弱。
[0034]实施例3
[0035]与实施例1相比，本例器件的绝缘栅极结构为分裂绝缘栅极结构，其他结构与实施例I相同，如图5所示。采用分裂绝缘栅电极结构，可以有效地降低栅-漏电容，从而提高器件的动态性能；同时在栅电极91和分裂栅电极92的界面处引入新的电场尖峰，从而改善漂移区电场分布，提高器件耐压。此外，分裂栅电极92的电位可以为正电位、负电位、或者零电位。
[0036]实施例4
[0037]与实施例1相比，本例器件的电流阻挡层4由多层在竖直方向上相互平行且大小相同的P型掺杂阻挡层构成，其他结构与实施例1相同，如图6所示。多层P型掺杂阻挡层的引入可以有效地改善缓冲层的电场分布，提高平均电场强度，提高器件耐压;此外，由于P型掺杂阻挡层对缓冲层的耗尽作用，可在一定程度上提高缓冲层的掺杂浓度，从而降低器件的导通电阻，提高正向电流输出能力。
[0038]实施例5
[0039]与实施例1相比，本例器件的缓冲层3采用分段掺杂，其他结构与实施例1相同，如图7所示。缓冲层采用分段掺杂可以可以有效地优化缓冲层的电场分布，并在掺杂分界面引入新的电场尖峰，从而提高器件耐压。
[0040]实施例6
[0041]与实施例1相比，本例器件的栅下势皇层6采取全部刻蚀，其他结构与实施例1相同，如图8所示。栅下势皇层采取全部刻蚀能够有效地耗尽栅极下方2DEG浓度，极大地提高阈值电压，从而实现增强型，但是栅下势皇层全部刻蚀会对缓冲层界面造成损伤，影响器件的电学性能。
[0042]实施例7
[0043]与实施例1相比，本例器件的栅下势皇层6采取部分刻蚀，其他结构与实施例1相同，如图9所示。与实施例6相比，栅下势皇层部分刻蚀可在一定程度上避免因刻蚀所造成的界面损伤。
[0044]本发明的上述几种实施例所描述的积累型垂直HEMT器件，可以采用GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合作为衬底2、缓冲层3电流阻挡层4、沟道层5和势皇层6的材料;对于钝化层10，业界常用的材料为SiNx，也可采用Al2O3, AlN等介质材料，绝缘栅介质8可采用与钝化层相同的材料;源电极7、漏电极I 一般采用金属合金，常用的有Ti/Al/Ni/Au或Mo/Al/Mo/Au等;栅电极9 一般采用功函数较大的金属合金，例如Ni/Au或Ti/Au等。
[0045 ]图1O、图11分别是本发明提出的积累型垂直HEMT器件结构与传统垂直HEMT结构的反向耐压时电场分布比较图和输出曲线比较图。采用Sentaurus TCAD软件进行仿真，两种结构在器件纵向尺寸均为Ι?μπι，横向尺寸均为4μπι，缓冲层厚度均为9.5μπι的条件下，本发明所提出的结构的击穿电压从传统垂直HEMT的585V提高到1848V，击穿电压提高215 % ;本发明提出的结构的导通电阻从传统垂直HEMT的1.86mΩ.cm2降低至0.83mΩ.cm2，导通电阻降低124 %。
【主权项】
1.一种积累型垂直HEMT器件，包括从下至上依次层叠设置的漏电极(1)、衬底(2)、缓冲层(3)、沟道层(5)和势皇层(6)，所述势皇层(6)上表面两端设置有源电极(7);所述势皇层(6)上表面中部设置有绝缘栅极结构;所述源电极(7)与绝缘栅极结构之间的势皇层(6)上表面具有介质钝化层(10);其特征在于，所述衬底(2)、缓冲层(3)、沟道层(5)为N型掺杂;所述缓冲层(3)中存在电流阻挡层(4)，所述阻挡层(4)为P型掺杂;所述绝缘栅极结构的中部沿垂直方向向下延伸，依次贯穿势皇层(6)、沟道层(5)和阻挡层(4)并延伸入缓冲层(3)中，绝缘栅极结构位于势皇层(6)上表面的部分及向下延伸的部分形成“T”型结构;所述绝缘栅极结构由绝缘栅介质(8)和被绝缘栅介质(8)包围栅电极(9)构成;所述阻挡层(4)位于绝缘栅介质(8)的两侧，且与绝缘栅介质(8)之间具有间距，此间距并形成电流孔径;所述源电极(1)和漏电极(7)为欧姆接触。2.根据权利要求1所述的一种积累型垂直HEMT器件，其特征在于，所述绝缘栅介质(8)的横向宽度从上至下逐渐增加。3.根据权利要求1所述的一种积累型垂直HEMT器件，其特征在于，所述栅电极(9)由第一栅电极(91)和第二栅电极(92)构成，形成分裂栅，第一栅电极(91)位于第二栅电极(92)上方，且第一栅电极(91)和第二栅电极(92)之间被绝缘栅介质(8)隔离;所述第二栅电极(92)所接电位为正电位、负电位或者零电位。4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种积累型垂直HEMT器件，其特征在于，所述电流阻挡层(4)由多层在垂直方向上相互平行的P型掺杂阻挡层构成。5.根据权利要求1所述的一种积累型垂直HEMT器件，其特征在于，所述缓冲层(3)的掺杂方式为均匀掺杂、纵向分段阶梯掺杂和纵向线性掺杂中的一种。6.根据权利要求1所述的一种积累型垂直HEMT器件，其特征在于，所述绝缘栅极结构位于势皇层(6)上表面的部分，从表面垂直向下延伸入势皇层(6)中。7.根据权利要求6所述的一种积累型垂直HEMT器件，其特征在于，所述绝缘栅极结构位于势皇层(6)上表面的部分，从表面垂直向下延伸入势皇层(6)中，并与沟道层(5)的上表面连接。8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种积累型垂直HEMT器件，所述绝缘栅介质(8)采用的材料为Al2O3、Hf O2、S12—种或几种的组合。9.根据权利要求8任意一项所述的一种积累型垂直HEMT器件，其特征在于，所述衬底(2)、缓冲层(3)、电流阻挡层(4)、沟道层(5)和势皇层(6)材料为6&1411416&111^&1InAlN中的一种或几种的组合，且沟道层(5)和势皇层(6)形成异质结。
【文档编号】H01L29/778GK105845724SQ201610432032
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】罗小蓉, 杨超, 吴俊峰, 彭富, 魏杰, 邓思宇, 张波
【申请人】电子科技大学