[發明專利]一種垂直結構高電子遷移率晶體管結構及其制造方法

在審

• 申請號: 202010519526.6
• 申請日: 2020-06-09
• 公開（公告）號: CN111863959A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 劉軍林;呂全江
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L21/335;H01L29/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于半導體技術領域，特指一種垂直結構高電子遷移率晶體管結構及其制造方法。所述晶體管結構自下而上依次包括：漏極電極、基板、鍵合金屬層、漏極歐姆接觸金屬層、高阻層、位錯調控結構、GaN溝道層、AlGaN勢壘層、P型層、鈍化層、源極電極和柵極電極，在柵極電極正下方的高阻層內設有垂直導電通道，使漏極歐姆接觸金屬層與GaN溝道層聯通，所述位錯調控結構在位錯線附近形成對其余區域的相對高阻，從而使AlGaN/GaN HEMT器件在承受高電壓的狀態下，漏電流不從位錯線處大量通過，而是被均勻分配到整個HEMT器件截面內，使得擊穿性能向GaN理論擊穿強度靠近，提升AlGaN/GaN HEMT器件的擊穿電壓。

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，特指一種垂直結構AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管結構及其制造方法。

背景技術

相比于第一、二代半導體材料，第三代半導體材料GaN材料具有禁帶寬度大、擊穿場強高、電子遷移率大、抗輻射能力強等優點，GaN基高電子遷移率晶體管無線通信基站、雷達、汽車電子等高頻大功率領域具有極大的發展潛力。AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(AlGaN/GaN HEMT)結構的出現是基于1975年T.Mimura等人(GaAs MOSFET for low-powerhigh-speed logic applications,37th Device Research Conference,University ofColorado,Boulder,CO,1979)以及1994年M.A.Khan等人(High electron mobilitytransistor based on a GaN/AlxGa1-xN heterojunction,Applied Physics Letters,65(1994):1121-1123)所描述的現象：在AlGaN和GaN異質結構界面區域顯示出異常高的電子遷移率。

自GaN HEMT問世以來，擊穿電壓提升一直是難點之一。GaN HEMT源極和漏極之間的擊穿電壓由如下幾個因素決定：GaN的擊穿場強，器件的結構設計，異質結構的特性，柵極、源極和漏極上方的絕緣層設計，以及基底材料特性等。常見的幾種擊穿方式有:(1)源漏擊穿，(2)柵漏擊穿，(3)垂直擊穿等。在器件結構方面，背勢壘雙異質結可以有效地抑制緩沖層漏電和短溝道效應，從而提高HEMT器件的擊穿電壓，采用場板調制電場也是提高HEMT器件擊穿電壓的重要手段，另外采用氧化鋁或者氮化硅等作為柵絕緣層或者表面鈍化層也可顯著改善擊穿特性。在溝道GaN層之前引入一層高阻GaN層也是提升擊穿電壓的常用方法，通常在GaN中摻入Fe、C等雜質元素來實現高阻。垂直GaN HEMT比橫向GaN HEMT具有更高的擊穿電壓，成為高壓HEMT的重要發展方向。經過近些年持續不斷的技術進步，使得GaN基HEMT的擊穿特性顯著提升，然而目前商用1000V以上的功率器件仍然以SiC器件為主，GaN器件仍不能很好的滿足高壓高功率需求。這一事實與理論預測的擊穿特性相矛盾。根據理論計算，GaN在導通電阻相同的情況下，比SiC具有更高的擊穿電壓。當器件結構經過很好的優化后，GaN基HEMT器件的擊穿電壓仍然遠低于理論極限的重要原因來自于GaN材料的高位錯密度。目前SiC的位錯密度已經到了10²/cm²量級，而GaN由于采用異質外延，位錯密度高達10⁸/cm²量級，即使采用價格極其高昂的GaN襯底，位錯密度也達到10⁵/cm²量級，仍遠高于SiC的位錯密度。

和水平結構AlGaN/GaN HEMT器件承受高電壓時電場主要集中在水平方向的源漏之間以及柵漏之間不同，當給一個垂直結構AlGaN/GaN HEMT器件承受高電壓時，其電場主要集中在垂直方向，此時電流的方向和GaN內部的位錯線方向一致。高密度的位錯線處成為電場集中和漏電的主要通道而容易使AlGaN/GaN HEMT器件擊穿，使AlGaN/GaN HEMT特性遠低于理論值。可見，高位錯密度帶來的不利影響是現有垂直結構AlGaN/GaN HEMT器件擊穿特性遠低于理論水平的問題所在。

發明內容