專利名稱：一種超結(jié)垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體是指ー種超結(jié)垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
氮化嫁基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HeterojunctionFiele-Effect Transistor,HFET)不但具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、電子飽和速度高、導(dǎo)熱性能好、抗輻射和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異特性，同時氮化鎵(GaN)材料可以與鋁鎵氮(AlGaN)等材料形成具有高濃度和高遷移率的ニ維電子氣異質(zhì)結(jié)溝道，因此特別適用于高壓、大功率和高溫應(yīng)用，是電カ電子應(yīng)用最具潛力的晶體管之一。現(xiàn)有的高耐壓GaN HFET結(jié)構(gòu)主要為橫向器件，器件基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。器件主要包括襯底，氮化鎵(GaN)緩沖層，鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層以及鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層上形成的源極、漏極和柵極，其中源極和漏極與鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層形成歐姆接觸，柵極與鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層形成肖特基接觸。但是對于橫向GaN HFET而言，在截止狀態(tài)下，從源極注入的電子可以經(jīng)過GaN緩沖層到達漏扱，形成漏電通道，過大的緩沖層泄漏電流會導(dǎo)致器件提前擊穿，無法充分發(fā)揮GaN材料的高耐壓優(yōu)勢，從而限制GaN HFET在高壓方面的應(yīng)用。同時橫向GaN HFET器件主要依 靠柵極與漏極之間的有源區(qū)來承受耐壓，要獲得大的擊穿電壓，需設(shè)計很大的柵極與漏極間距，從而會増大芯片面積，不利于現(xiàn)代電カ電子系統(tǒng)便攜化、小型化的發(fā)展趨勢。與橫向GaN HFET 相 t 匕，垂直 GaN HFET (Vertical HeterojunctionFiele-EffectTransistor, VHFET)結(jié)構(gòu)可以有效地解決以上問題?，F(xiàn)有技術(shù)GaN VHFET結(jié)構(gòu)如圖2所示，器件主要包括漏極、n+-GaN襯底、n-GaN緩沖層、P-GaN阻擋層、GaN溝道層、AlGaN勢壘層和勢壘層上形成的柵極和源極，其中漏極與n+-GaN襯底形成歐姆接觸，源極與AlGaN勢壘層形成歐姆接觸，柵極與AlGaN勢壘層形成肖特基接觸。與橫向GaN HFET相比，GaN VHFET存在以下優(yōu)勢器件主要通過柵極與漏極之間的縱向間距，即n_GaN緩沖層來承受耐壓，器件橫向尺寸可以設(shè)計的非常小，有效節(jié)省芯片面積；同時P-GaN阻擋層與n-GaN緩沖層之間形成的p_n結(jié)可以有效阻擋從源極注入的電子，從而抑制器件緩沖層泄漏電流。除此之外，GaN VHFET結(jié)構(gòu)還具有便于封裝、低溝道溫度等多方面優(yōu)點。對于GaN VHFET結(jié)構(gòu)而言，器件主要依靠p_GaN阻擋層與n_GaN緩沖層之間形成的p_n結(jié)來承受耐壓，器件擊穿與n-GaN緩沖層摻雜濃度成反比關(guān)系，欲提升器件擊穿電壓，就必須降低n-GaN緩沖層內(nèi)摻雜濃度，但是過低的n-GaN緩沖層摻雜濃度會增大器件導(dǎo)通電阻，從而影響器件性能。因此如何在不降低n-GaN緩沖層摻雜濃度的前提下提升器件擊穿電壓，成為GaN VHFET結(jié)構(gòu)設(shè)計亟待解決的問題之一。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有GaN VHFET器件存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了ー種超結(jié)垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(Super-Junction Vertical Hetero junctionFiele-EffectTransistor, SJ-VHFET),通過在緩沖層中引入超結(jié)結(jié)構(gòu),來提升器件的擊穿電壓。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種超結(jié)垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，從下至上依次主要由漏極，n+-GaN襯底，GaN溝道層，AlGaN勢壘層，以及AlGaN勢壘層上的源極和柵極組成，源極與漏極均為歐姆接觸，柵極為肖特基接觸，其還包括由位于n+-GaN襯底與GaN溝道層之間，并由P-GaN緩沖層和n_GaN緩沖層排列形成的超結(jié)緩沖層。所述的超結(jié)緩沖層由n-GaN緩沖層以及分別位于n_GaN緩沖層兩邊的p_GaN緩沖層組成。所述柵極長度大于n-GaN緩沖層的長度Ln_buf，且部分覆蓋n_GaN緩沖層兩邊的P-GaN緩沖層。所述n-GaN緩沖層長度為0. 2 y m至50 y m，摻雜濃度為I X IO15CnT3至I X 1018cnT3。所述兩邊的p-GaN緩沖層長度相等,均為0. 2 ii m至50 ii m。所述兩邊的p-GaN摻雜濃度相等，均為I X IO15CnT3至I X 1021cnT3。所述n-GaN緩沖層與兩邊的p_GaN緩沖層厚度相等,均為I U m至500 U m。與現(xiàn)有技術(shù)GaN VHFET相比，本發(fā)明所提出的GaN SJ-VHFET器件優(yōu)勢為當器件承受耐壓時，由于n-GaN緩沖層與p_GaN緩沖層之間形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，n_GaN緩沖層可以完全耗盡，器件擊穿電壓只與n-GaN緩沖層厚度有夫，而與n_GaN緩沖層內(nèi)摻雜濃度無關(guān)，無需降低n-GaN緩沖層內(nèi)摻雜濃度來提升器件擊穿電壓，從而可以同時實現(xiàn)器件的高擊穿電壓與低導(dǎo)通電阻。`


圖1是已有技術(shù)橫向GaN HFET結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是已有技術(shù)GaNVHFET結(jié)構(gòu)。圖3是本發(fā)明提供的GaN SJ-VHFET結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明提供的GaN SJ-VHFET與已有技術(shù)GaN VHFET截止狀態(tài)下漏極泄漏電流比較。圖5是本發(fā)明提供的GaN SJ-VHFET與已有技術(shù)GaN VHFET擊穿時n_GaN緩沖層內(nèi)A-A’截面處電場強度比較。圖6是本發(fā)明提供的GaN SJ-VHFET與已有技術(shù)GaN VHFET擊穿電壓與導(dǎo)通電阻隨n-GaN緩沖層厚度變化比較。其中，圖中附圖標記對應(yīng)的零部件名稱為301-源極，302-柵極，303-AlGaN 勢壘層，304-GaN 溝道層，305_n+-GaN 襯底，306-漏極，307-p-GaN 緩沖層，308-n-GaN 緩沖層。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進ー步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例圖1是已有技術(shù)橫向GaN HFET結(jié)構(gòu)示意圖，從下至上主要包括襯底,氮化鎵(GaN)緩沖層，氮化鎵(GaN)溝道層，鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層以及鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層上形成的源極、漏極和柵極，其中源極和漏極與鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層形成歐姆接觸，柵極與鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層形成肖特基接觸。圖2是已有技術(shù)GaN VHFET結(jié)構(gòu)示意圖，從下至上主要包括漏極，n+_GaN襯底，n-GaN緩沖層，p-GaN阻擋層，GaN溝道層，AlGaN勢壘層以及AlGaN勢壘層上形成的源極和柵極，其中源極和漏極均為歐姆接觸，柵極為肖特基接觸。圖3是本發(fā)明提供的GaN SJ-VHFET結(jié)構(gòu)示意圖，從下至上依次主要由漏極306，n+-GaN襯底305，GaN溝道層304，AlGaN勢壘層303組成，在AlGaN勢壘層303上形成有源極301和柵極302，源極301與漏極306均為歐姆接觸，柵極302為肖特基接觸，還包括位于n+-GaN襯底305與GaN溝道層304之間，由p_GaN緩沖層307和n_GaN緩沖層308排列形成的超結(jié)緩沖層。為了方便討論，圖中定義了ー個ニ維坐標系。所述柵極長度大于Ln-bUf，其中Ln_buf為n-GaN緩沖層長度,且部分覆蓋n_GaN緩沖層308兩邊的p-GaN緩沖層307。所述n-GaN緩沖層長度為0. 2 y m至20 y m，摻雜濃度為I X IO15CnT3至I X 1018cnT3。所述兩邊的p-GaN緩沖層長度相等,均為0. 2 ii m至50 ii m。所述兩邊的p-GaN摻雜濃度相等，均為I X IO15CnT3至I X 1021cnT3。所述n-GaN緩沖層與兩邊的p_GaN緩沖層厚度相等,均為I U m至500 U m。在本發(fā)明的GaN HFET中，最易于說明本發(fā)明意圖的例子是圖3所示的GaNSJ-VHFET與圖2所示的已有技術(shù) GaN VHFET器件特性対比。器件結(jié)構(gòu)參數(shù)由表I給出。表I器件仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)
己有技術(shù)GaN器件參數(shù)
GaNVHFET SJ-VHFET
權(quán)利要求
1.一種超結(jié)垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，從下至上依次主要由漏極(306)，n+-GaN襯底(305)，GaN溝道層(304)，AlGaN勢壘層(303)，以及AlGaN勢壘層(303)上的源極(301)和柵極(302)組成，源極(301)與漏極(306)均為歐姆接觸，柵極(302)為肖特基接觸，其特征在于還包括位于n+-GaN襯底(305)與GaN溝道層(304)之間，并由p_GaN緩沖層(307)和n-GaN緩沖層(308)排列形成的超結(jié)緩沖層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超結(jié)垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述的超結(jié)緩沖層由n-GaN緩沖層(308)以及分別位于n_GaN緩沖層(308)兩邊的p_GaN緩沖層(307)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超結(jié)垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述柵極(302)長度大于n-GaN緩沖層(308)的長度Ln_buf，且部分覆蓋n_GaN緩沖層(308)兩邊的P-GaN緩沖層(307)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種超結(jié)垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述n-GaN緩沖層(308)長度為O. 2 μ m至50 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超結(jié)垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述n-GaN緩沖層(308)摻雜濃度為I X IO15CnT3至I X 1018cnT3。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的一種超結(jié)垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述兩邊的P-GaN緩沖層(307)長度相等，均為O. 2 μ m至50 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種超結(jié)垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述兩邊的P-GaN緩沖層(307)摻雜濃度相等，均為I X IO15CnT3至I X 1021Cm_3。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種超結(jié)垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述n-GaN緩沖層(308)與兩邊的p_GaN緩沖層(307)厚度相等。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種超結(jié)垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述n-GaN緩沖層(308)與兩邊的ρ-GaN緩沖層(307)厚度均為I μ m至500 μ m。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超結(jié)垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，從下至上依次主要由漏極，n+-GaN襯底，GaN溝道層，AlGaN勢壘層，以及AlGaN勢壘層上的源極和柵極組成，源極與漏極均為歐姆接觸，柵極為肖特基接觸，其還包括由p-GaN緩沖層和n-GaN緩沖層豎向排列形成的超結(jié)緩沖層，所述的超結(jié)緩沖層位于n+-GaN襯底與GaN溝道層之間。本發(fā)明中，由p-GaN緩沖層和n-GaN緩沖層形成的超結(jié)結(jié)構(gòu)可以在器件擊穿時完全耗盡，器件整個緩沖層都可以承受耐壓，從而大幅提升器件擊穿電壓。
文檔編號H01L29/417GK103035707SQ20131000014
公開日2013年4月10日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者杜江鋒, 趙子奇, 尹成功, 羅杰, 黃思霓, 嚴慧, 羅謙, 于奇 申請人:電子科技大學(xué)