s纵向功率器件，如图中所示的虚线为硅基GaNHEMTs纵向功率器件的中轴线，该中轴线将硅基GaN HEMTs纵向功率器件分为第一区域和第二区域，本实用新型由相对于中轴线左右镜像对称的第一区域和第二区域组成；其中，所述第一区域包括硅衬底UGaN外延层2、AlGaN外延层3、欧姆接触区4、带负电性F-的栅极区5、栅极金属6、带负电性F—的埋层区7、带负电性F—的终端区8、SiN介质层9、源极金属10和漏极金属11 ;其中，
[0025]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。
[0026]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。
[0027]本实用新型一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件的制作方法，包括以下步骤:
[0028]步骤一、提供自下而上纵向排列的娃衬底、GaN外延层、AlGaN外延层；
[0029]步骤二、在AlGaN外延层上电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au，带胶剥离后采用快速热退火的方法，在AlGaN外延层内形成欧姆接触区；
[0030]步骤三、在AlGaN外延层上采用RIE CF4离子处理技术，在AlGaN外延层中形成与欧姆接触区并排且有间隔的带负电性F-的栅极区；电子束蒸发Ni/Au，带胶剥离后在带负电性F-的栅极区正上方形成栅极金属；
[0031]步骤四、在AlGaN外延层上采用RIE CF4离子处理技术，去胶后在GaN外延层中形成带负电性F_的埋层区，该带负电性F_的埋层区位于GaN外延层中且紧贴GaN外延层的上表面；
[0032]步骤五、在AlGaN外延层上采用RIE 0?4离子处理技术，去胶后在GaN外延层与AlGaN外延层中且位于带负电性F_的埋层区的上表面处形成带负电性F _的终端区；
[0033]步骤六、对步骤三、四、五中形成的栅极金属、带负电性F_的埋层区、带负电性F—的终端区同时进行RTA退化；
[0034]步骤七、在带负电性Γ的终端区、AlGaN外延层、栅极金属的上表面淀积SiN介质层，光刻出欧姆接触区，采用湿法腐蚀去除欧姆接触区上方的SiN介质层；
[0035]步骤八、在除了带负电性F_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淀积金属Al，光刻和湿法腐蚀后，形成源极金属；
[0036]步骤九、在娃衬底的下方淀积金属Al，形成漏极金属。
[0037]所述GaN外延层的厚度为3~5um。所述AlGaN外延层的厚度为18~20nm。所述漏极金属的厚度为1~1.5 um。
[0038]本实用新型提出将硅F_离子工艺应用于GaN功率新器件开发了，不但能实现了增强型工作机理，还获得了类似VDMOS器件的GaN HEMT纵向器件结构，可满足大功率功率变换的驱动应用。
[0039]I)采用硅F_离子工艺，在栅极金属6正下方带负电性F-的栅极区5中形成带负电性F_分布，用它耗尽栅极金属6下方的AlGaN外延层3与GaN外延层2之间的二维电子气，本征区可获得增强型器件机理。
[0040]2)采用不同于I)注入能量的硅F_离子工艺，在GaN外延层2中非本征区域获得带负电性P埋层结构，此结构获得了 AlGaN/GaN量子阱的背栅结构和在2中形成了耐压新结构，重构了传统AlGaN/GaN器件结构。一方面，当器件正向工作时，非本征区域的背栅结构加强对量子阱中的二维电子气调控，提高了正向导通时电子输运的速度和增加了正向电流。另一方面，当器件反向偏置时，一对在GaN外延层2中的带负电性F_的埋层区7承担着反向耐压，并较好地屏蔽了高电场对栅极金属6的影响，降低了表面电场并获得体内击穿，从而缩短漂移区长度和降低导通电阻。
[0041]3)漏极金属11位于硅衬底I的背面，形成了纵向结构GaN新功率器件，显著降低了比导通电阻，并提高了晶圆的利用率。
[0042]图2a是本实用新型器件仿真特性，图2b是图1器件沿虚线方向的能级导带随Kds电压的变化规律。借助Silvaco软件对上述新器件进行了仿真验证，阈值电压Vth约为0.2V。该新器件具有非本征沟道区量子阱电流输运。由F—基埋层构成的AlGaN/GaN/F -双异质结结构，正向电流在此区域呈现以自由电子输运，可显著提高器件的功率转换效率。其次，该新器件具有类IGBT的HEMTs纵向器件新特性。由于AlGaN/GaN颈部区域异质结形成的量子讲结构，器件偏置于一定的Vds电压后才正向导通，此时其开启电压为Knee Voltage，这类似于IGBT器件机理。模拟结果表明，当该器件源漏电压Kds从零电位逐渐增加，器件开启电压Knee Voltage约为0.5V开始导通，其值远低于IGBT开启电压约3V，与此同时导带忍也逐渐下降，且在源漏电压Kds为0.5V时导带瓦下降为水平状态，这意味着较低的KneeVoltage电压不足对高压GaN基功率器件性能产生较大的影响，且随着Kds进一步增大电子可被器件背面漏电极加速抽取。
[0043]因此，硅基增强型AlGaN/GaN VDNM0S_HEMTs新器件具备较强的可处理大电流功率应用能力。
[0044]以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件，其特征在于，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F—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， 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。2.根据权利要求1所述的一种硅基GaNHEMTs纵向功率器件，其特征在于，所述带负电性Γ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。3.根据权利要求1所述的一种硅基GaNHEMTs纵向功率器件，其特征在于，所述GaN外延层的厚度为3~5um。4.根据权利要求1所述的一种硅基GaNHEMTs纵向功率器件，其特征在于，所述AlGaN外延层的厚度为18~20nmo5.根据权利要求1所述的一种硅基GaNHEMTs纵向功率器件，其特征在于，所述漏极金属的厚度为1~1.5 um。
【专利摘要】本实用新型公开了一种硅基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F-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。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；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。
【IPC分类】H01L29/778, H01L29/20
【公开号】CN204720457
【申请号】CN201520439604
【发明人】黄伟, 李海鸥, 于宗光
【申请人】无锡晶凯科技有限公司
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年6月24日