[發明專利]一種垂直GaN基溝槽場效應晶體管的制備方法

在審

• 申請號: 202210268219.4
• 申請日: 2022-03-17
• 公開（公告）號: CN114695123A
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 劉新科;黃正;劉瀟;林峰;吳鈞燁;黃雙武;黎曉華;賀威
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: H01L21/336
• 分類號: H01L21/336;H01L29/06;H01L29/10;H01L29/20;H01L29/201;H01L29/207;H01L23/34
• 代理公司: 深圳尚業知識產權代理事務所(普通合伙) 44503
• 代理人: 楊勇

本發明實施例公開了一種垂直GaN基溝槽場效應晶體管的制備方法，包括：在雙面拋光的n型高摻雜自支撐GaN襯底上生長異質外延薄膜；在外延薄膜上進行刻蝕，形成垂直溝槽和垂直臺面結構，并在垂直溝槽內蒸鍍金屬膜形成p體層電極；在垂直溝槽中的p體層電極區域以外的器件表面制備Al₂O₃薄膜作為柵極，酸洗鈍化后在Al₂O₃薄膜表面蒸鍍金屬薄膜，退火形成歐姆接觸電極；在p體層電極表面蒸鍍S，并在歐姆接觸電極的金屬薄膜上沉積鈍化層隔離臺面，以及采用場板端接的方法消除隔離臺面周圍PN結邊緣聚集的峰值電場。

技術領域

本發明實施例涉及電子技術領域，尤其是一種垂直GaN基溝槽場效應晶體管的制備方法。

背景技術

氮化鎵(GaN)是一種重要的第三代半導體材料，因具備禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強等優越性能，在固態光源和電力電子、微波射頻器件等領域，具有非常好的應用前景和市場潛在價值。AlGaN/GaN具有高的二維電子氣濃度、大的電子飽和速率，這使其能工作在大電流情況下，同時材料本身具有高的臨界擊穿電場，與Si材料相比高出一個數量，這使器件在相同的尺寸下能承受更高的電壓。此外，其大的禁帶寬度決定它可以承受更高的工作溫度。

目前，具有高電子遷移率、大擊穿場強度和高熱穩定性等優越的材料特性，寬帶隙氮化鎵基功率器件已被認為是下一代高效電力電子和緊密型電力系統的潛在候選材料。與高電子遷移率晶體管(HEMTs)和電流孔徑垂直電子晶體管(CAVETs)相比，GaN基溝槽金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)在實現本質常關運行方面更具競爭力，具有更高的電流密度。更低的導通電阻(Ron,sp)和更低的電流崩潰。橫向氮化鎵基場效應晶體管的發展大約達到飽和，由于擊穿電壓(VBR)受側向漂移區長度的限制，雖然長度的增長可以增加VBR，但尺寸器件增大，導致有效電流減小密度每單位芯片面積。相比之下，在相同的擊穿電壓和額定安培數條件下，垂直氮化鎵為基礎設備已完全先進，與Si、藍寶石、SiC和金剛石相比，在獨立的GaN襯底上的MOSFETs可以大大降低發生高密度的圈閉狀態和由晶格造成的非線性高功率下工作時的失配。

近年來，GaN垂直MOSFETs的VBR、Ron、sp和器件可靠性等方面的研究取得了很大進展。為了提高增強型模式垂直GaN的VBR性能，在N-GaN漂移區引入p-體，通過TCAD模擬形成“p-體/N漂移”結。垂直GaN層間基溝槽MOSFET(OG-FET)的閾值電壓(Vth)為2.5V,Ron,sp為0.98mΩ·cm2,VBR為700V，以再生的10nm無意摻雜GaN夾層為溝道，50nm原位Al2O3為柵極介質。研究了具有MBE再生UID-GaN通道的垂直GaN溝槽MOSFETs，這避免了重新激活埋藏體p-GaN的需要，并保證了與MOCVD再生相同的通道遷移率的好處。采用Silvaco ATLAS二維模擬技術，改進了垂直GaN溝槽MOSFETs的器件特性，以在VBR和Ron、sp之間獲得最佳折衷。采用極化誘導摻雜方式，在p-GaN上形成無意摻雜AlGaN，厚度約為100-300nm，濃度由0-7％，然后在UID AlGaN上生長p-AlGaN，厚度約為100-300nm，濃度由0-7％。極化誘導摻雜，是通過AlN與GaN極化性的不同，AlN大于GaN，從而使AlGaN，逐漸改變AlGaN材料組成成分，積累固定極化電荷，誘導三維空穴/電子的產生，從而生成三維空穴/電子氣。Pi摻雜具有1)：對氫的鈍化作用免疫；2)：對埋入p型層具有更高的擊穿電壓；3):能夠完全活化Mg受體且不受溫度影響的特性。在4英寸獨立GaN襯底上展示了垂直GaN基溝槽門MOSFETs(GaNtg-MOSFET)高功率應用中的正常關閉運行。通過TCAD仿真得到的傳輸、輸出和擊穿電壓特性曲線與實驗數據吻合較好。

雖然現有產品雖然在反向擊穿能力方面有了十足的發展，但是在器件中對于散熱問題的處理仍然不充分；同時，由于在進行p-GaN摻雜時，使用Mg摻會帶來較高的激活能，使得器件激活性能不佳。

發明內容

本發明實施例提供一種垂直GaN基溝槽場效應晶體管的制備方法，包括：