[發明專利]一種高壓氮化鎵功率器件結構及其制備方法

在審

• 申請號: 201911187139.0
• 申請日: 2019-11-28
• 公開（公告）號: CN110890423A
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 吳勇;陳興;王東;汪瓊;陸俊;何滇;嚴偉偉;曾文秀;張進成
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學蕪湖研究院
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/51;H01L21/335
• 代理公司: 蕪湖思誠知識產權代理有限公司 34138
• 代理人: 房文亮

一種高壓氮化鎵功率器件結構及其制備方法，屬于微電子技術領域，包括襯底、低溫氮化鋁/氮化鎵成核層、氮化鎵緩沖層、氮化鎵溝道層、鋁鎵氮勢壘層、漏電極、源電極、柵電極和介質層，介質層的材質為Ta₂O₅與SiO₂復合薄膜材料，在氮化鎵溝道層與鋁鎵氮勢壘層之間形成二維電子氣溝道，采用本方法形成的MIS柵極結構，其柵極漏電流更小，抗擊穿電壓更高。器件的柵極漏電流相比常規SiO₂柵介質結構會下降20％?30％，抗擊穿電壓增加20％?25％，而且制造工藝簡單，重復性好的特點。同時結合器件HEMT原有的高閾值電壓、高擊穿電壓、高電流密度、以及優良的夾斷特性，適用于高壓大功率電子器件應用。

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體器件的制備和可靠性，一種以高介電常數材料Ta₂O₅與SiO₂復合薄膜材料作為柵極介質的高壓氮化鎵功率器件結構及其制備方法，制備的器件主要用于高壓大功率應用場合。

背景技術

第三代半導體材料即寬禁帶(Wide Band Gap Semiconductor，簡稱WBGS)半導體材料是繼第一代硅、鍺和第二代砷化鎵、磷化銦等以后發展起來。在第三代半導體材料中，氮化鎵(GaN)具有寬帶隙、直接帶隙、高擊穿電場、較低的介電常數、高電子飽和漂移速度、抗輻射能力強和良好的化學穩定性等優越性質，成為繼鍺、硅、砷化鎵之后制造新一代微電子器件和電路的關鍵半導體材料。特別是高溫、大功率、高頻和抗輻照電子器件以及全波長、短波長光電器件方面具有得天獨厚的優勢，是實現高溫與大功率、高頻及抗輻射、全波長光電器件的理想材料，是微電子、電力電子、光電子等高新技術以及國防工業、信息產業、機電產業和能源產業等支柱產業進入21世紀后賴以繼續發展的關鍵基礎材料。

與傳統的肖特基柵HEMT相比GaN基絕緣柵HEMT器件可以有效減小柵極泄漏電流，在高效微波功率放大器、高壓開關等應用中具有廣闊的應用前景。然而，柵絕緣層與氮化物之間嚴重的界面問題會引起器件性能退化和可靠性問題，近年來成為國際研究的熱點。

發明內容

本發明的目的在于針對氮化鎵HEMT功率器件高歐姆接觸電阻的難點，從器件工藝制備過程的優化角度提出采用高介電常數材料Ta₂O₅與SiO₂復合薄膜材料作為柵極介質的氮化鎵HEMT功率器件的制作方法，以提高柵電極質量，從而提高HEMT功率器件的性能與可靠性。

為實現上述目的，本發明的器件結構各層從下至上依次排布，包括襯底層、低溫氮化鋁/氮化鎵成核層、氮化鎵緩沖層、氮化鎵溝道層、鋁鎵氮勢壘層、漏電極、源電極、柵電極和介質層，其中漏電極和源電極分居柵電極的兩端，柵電極與鋁鎵氮勢壘層之間還設有介質層以形成具有整流特性的金屬-介質層-半導體結構，介質層的材質為高介電常數Ta₂O₅與SiO₂復合薄膜材料，采用等離子體化學氣相沉積方法制備而成，其厚度為100-500nm，其中，在氮化鎵溝道層與鋁鎵氮勢壘層之間形成有二維電子氣溝道，復合薄膜材料也可以是多層子層循環生長組成。

優選的，所述襯底層為可以用來外延氮化鎵薄膜的所有材料，包括絕緣或半絕緣的藍寶石、硅、碳化硅、氮化鎵和金剛石等材料，尺寸范圍為2-8inch。

優選的，低溫氮化鋁/氮化鎵成核層，生長溫度350-900℃，薄膜厚度10-50nm，用于為后續的氮化鎵緩沖層生長提供成核節點，提高氮化鎵薄膜結晶質量。

優選的，所述氮化鎵緩沖層，為采用金屬有機源化學氣相沉積(MOCVD)或其他方法非故意摻雜生長形成的氮化鎵薄膜層，薄膜厚度范圍為1um-5um。其質量直接影響隨后生長的異質結的質量，該區域的各種晶格缺陷還能俘獲電子，從而影響二維電子氣溝道的密度。

優選的，所述氮化鎵溝道層和AlGaN勢壘功能層界面處形成的高濃度二維電子氣(2DEG)溝道。