一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及半导体器件技术领域，特别是一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件。
【背景技术】
[0002]全球经济正在经历从“高碳”向“低碳”的革命性演进，其实质是在社会创建高效的清洁能源结构，同时提高能源利用效率。目前75%以上的电能应用均需由功率半导体技术进行功率变换后才能供电子设备使用。功率半导体的作用是电能变换和电能控制，将“粗电”变为“精电”，使电能更有效、更节能、更环保地使用。因此，功率半导体技术是新能源利用和节能减排的基础和核心技术之一。以GaN为代表的宽禁带半导体材料因具有宽带隙、高饱和漂移速度、高热导率、高临界击穿电场等突出优点，是继以Si和GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料之后迅速崛起的新型半导体材料，特别适合制作大功率、高压、高温、抗辐照功率半导体器件，它被誉为可带动“新能源革命”的“绿色能源”器件。但因其缺乏同质衬底，GaN异质外延局限于热导率低的蓝宝石和成本昂贵的SiC等两种衬底，故在低成本的硅基衬底材料上开发GaN材料外延，甚至在芯片制程异质集成等整套技术成为半导体科技界和工业界追求的共同热点，以体现在GaN功率半导体器件具有比硅基功率半导体最新指标高出10倍的性能指数(FOM)优势前提下，它又能为功率电子系统提供低成本、高性能的功率管理解决方案。由此可见，硅基GaN功率半导体技术已成为国际半导体领域研宄热点和战略制高点之一。
[0003]宽禁带半导体GaN以其具有宽金带宽度(3.4eV)、高击穿电场强度(3MV/cm)、高电子饱和速度(2.5X107cm/s)，AlGaN/GaN异质结中的二维电子气高迀移率(1800cm2/(V.s))和高浓度(2 X 113CnT2)，故其归一化器件优值(BFOM)为537远优于S1、GaAs和4H_SiC (三种半导体BFOM分别为1，17和134)，因此它成为制作高压、高温、高频、大功率功率器件的理想材料。西方各国早在21世纪初依托DARPA、欧洲第7框架计划架构相继启动了高功率电子器件应用宽禁带技术(HPE，High Power Electronics)、微尺度功率变换(MicroscalePower Convers1n, MPC)等重大研宄专题以支持研宄机构、产业界共同开发宽禁带功率半导体技术。
[0004]目前包括UCSB、RP1、HRL在内等知名科研机构和以日立(Panasonic)、国际整流(Internat1nal Rectifier)和富士(Fujitsu)为代表的国际知名半导体公司已经对GaN基开关器件的研宄给予极大的关注，并从GaN材料外延与衬底复用、新器件与建模、功率集成技术以及GaN模组新机理等领域展开研宄，已取得了令人瞩目的阶段性成果。伦斯勒理工学院T.P.Chow研宄组于2009年报道了基于Resurf n/p外延层结构开发击穿电压、比导通电阻分别约为730ν、34πιΩ.cm2的常关MESFET高压器件[18]。日本Panasonic公司于2013年详细报道了集成电子/空穴两种载流子导电机理的Gate Inject1n Transistor (GIT)新功率器件及其驱动应用等成果，整套GaN技术有着较硅IGBT低约54%功耗的显著优势。
[0005]在产业整合并购方面，过去五年投资者对先进材料和电力电子器件方面的投入超过2亿美元，约有15家全球知名功率半导体公司直接或间接从事GaN功率半导体产品开发。Transphorm，EpiGaN，GaN Systems以及Azzurro公司已经完成了几轮的资金募集。另一方面，企业投资与并购持续不断，如美国Fairchild收购TranSiC，德国英飞凌收购SiCed，日本Rohm收购SiCrystal和以及韩国SKC收购Crysband。以欧洲微电子研宄中心MEC为代表的研发机构自2011年5月在200mm规格硅衬底上制造出高质量GaN/AlGaN异质结结构层以来，就一直致力于8英寸硅基GaN电力电子器件研制，希望能尽快将GaN基功率器件整套技术导入200mm规格芯片厂。IR和EPC等公司基于6英寸GaN平台率先推出了 30V和100V/200V的GaN场效应电力电子器件系列GaN功率晶体管产品及其全集成半桥式模组，600-900V GaN器件在近期也将推向市场。美国GaN初创公司Transphorm已成为首家获得氮化镓上硅设备固态技术协会资格JEDEC的公司。韩国LG公司也于2014年报道了 6英寸无金工艺600V、18A的GaN功率器件样品成果。
[0006]近些年，随着GaN材料在光电器件领域，尤其是白光LED半导体照明的普及，同时推动了 GaN材料的低成本，特别是大直径硅衬底GaN外延生长技术的进步以及逐步商业化，硅基GaN晶圆尺寸已经从早年的2英寸、4英寸逐渐发展到如今的8英寸。这无疑为发展硅基GaN高压器件及其功率集成提供了广阔的发展空间。
[0007]常规GaN HEMT器件工作机理是因AlGaN/GaN之间的极化效应造成能带弯曲，也在近表面的异质结处形成高浓度的二维电子气，这不但决定了器件耗尽型的工作模式，也将器件结构限定为不利于功率集成的横向结构，这也是造成小尺寸GaN晶圆成本难以降低的主要原因之一。
【发明内容】
[0008]本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种硅基GaNHEMTs纵向功率器件，本实用新型中将硅F—离子工艺应用于GaN功率新器件，不但能实现增强型工作机理，更获得了类似VDMOS器件的GaN HEMT纵向器件结构，从而满足大功率功率变换的驱动应用需求。
[0009]本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案:
[0010]根据本实用新型提出的一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件，包括第一区域和第二区域，所述第一区域与第二区域镜像对称；所述第一区域包括硅衬底、GaN外延层、AlGaN外延层、欧姆接触区、带负电性F-的栅极区、栅极金属、带负电性Γ的埋层区、带负电性F—的终端区、SiN介质层、源极金属和漏极金属；其中，
[0011]所述娃衬底、GaN外延层、AlGaN外延层依次自下而上纵向排列，欧姆接触区与带负电性F-的栅极区并排且有间隔的设置在AlGaN外延层内，欧姆接触区的下表面、带负电性F-的栅极区的下表面均与GaN外延层接触，栅极金属设置在带负电性F-的栅极区的正上方，带负电性F_的埋层区位于GaN外延层中且紧贴GaN外延层的上表面，带负电性F _的终端区设置在GaN外延层与AlGaN外延层中且位于带负电性F_的埋层区的上表面，SiN介质层设置于AlGaN外延层、栅极金属、带负电性F_的终端区的上表面，源极金属设置在除了带负电性Γ的终端区上方的SiN介质层之外的SiN介质层的上表面、欧姆接触区的上表面，漏极金属置于娃衬底的下表面。
[0012]作为本实用新型所述的一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件进一步优化方案，所述带负电性F"的埋层区位于GaN外延层中且紧贴GaN外延层的上表面，构成AlGaN/GaN异质结的背栅结构。
[0013]作为本实用新型所述的一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件进一步优化方案，所述GaN外延层的厚度为3~5um。
[0014]作为本实用新型所述的一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件进一步优化方案，所述AlGaN外延层的厚度为18~20nmo
[0015]作为本实用新型所述的一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件进一步优化方案，所述漏极金属的厚度为1~1.5 um。
[0016]本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
[0017](I)本实用新型采用成熟的硅集成电路制造工艺研制硅基GaN纵向新器件，替代了常规的高成本P-GaN外延制造方法，故可显著降低成本，兼容主流硅基集成电路制造工艺并扩展了技术路线，还开辟硅基GaN集成电路新方向；
[0018](2)本实用新型是硅基GaN功率新器件的有效方法之一，通过在外延层引入负电位的P型埋层，对器件能带裁剪，重构了原本的表面输运路径和表面耐压机理，获得了体内输运和体内耐压的新机理，能显著改善器件正反向电学特性，并有利于改善器件可靠性和提高晶圆利用率，从而达到一举多得的效果。
【附图说明】
[0019]图1是本实用新型器件结构示意图。
[0020]图2a是本实用新型器件仿真特性。
[0021]图2b是图1中器件沿虚线方向的能级导带随Kds电压的变化规律。
[0022]图中的附图标记解释为:1-硅衬底，2-GaN外延层，3_AlGaN外延层，4_欧姆接触区，5-带负电性F-的栅极区，6-栅极金属，7-带负电性F—的埋层区，8-带负电性F _的终端区，9-SiN介质层，10-源极金属，11-漏极金属。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明:
[0024]如图1所示，一种硅基GaN HEMT