專利名稱：一種帶有p型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(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，具體是指一種帶有P型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(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(GaN Heterojunction Fiele-EffectTransistor，GaN 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(shí)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二維電子氣異質(zhì)結(jié)溝道，因此特別適用于高壓、大功率和高溫應(yīng)用，是電力電子應(yīng)用最具潛力的晶體管之一?，F(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，GaN緩沖層，AlGaN勢壘層以及AlGaN勢壘層上形成的源極、漏極和柵極，其中源極和漏極與AlGaN勢壘層形成歐姆接觸，柵極與AlGaN勢壘層形成肖特基接觸。但是對于橫向GaN HFET而言，在截止?fàn)顟B(tài)下，從源極注入的電子可以經(jīng)過GaN緩沖層到達(dá)漏極，形成漏電通道，過大的緩沖層泄漏電流會(huì)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(shí)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(jì)很大的柵極與漏極間距，從而會(huì)增大芯片面積，不利于現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)便攜化、小型化的發(fā)展趨勢。與橫向GaN HFET相比，垂直GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(GaN VerticalHeterojunction Fiele-Effect Transistor, GaN VHFET)結(jié)構(gòu)可以有效地解決以上問題。已有技術(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電流阻擋層、GaN溝道層、AlGaN勢壘層和AlGaN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勢魚層形成歐姆接觸,柵極與AlGaN勢魚層形成肖特基接觸。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(jì)的非常小，有效節(jié)省芯片面積；同時(shí)P-GaN電流阻擋層與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(diǎn)。對于已有技術(shù)GaN VHFET結(jié)構(gòu)而言，器件主要依靠p_GaN電流阻擋層與n_GaN緩沖層之間形成的p-n結(jié)來承受耐壓，器件內(nèi)峰值電場達(dá)到臨界電場或者泄漏電流達(dá)到閾值時(shí)，n-GaN緩沖層內(nèi)耗盡區(qū)寬度的大小決定了器件的擊穿電壓，隨著n_GaN緩沖層厚度的增大，擊穿時(shí)n-GaN內(nèi)的耗盡區(qū)寬度也隨之增大，但是當(dāng)n_GaN緩沖層厚度超過一定值后，擊穿時(shí)n-GaN內(nèi)的耗盡區(qū)寬度達(dá)到飽和，器件的擊穿電壓也達(dá)到飽和,不再隨著n_GaN緩沖層厚度的增大而增大，從而限制了 GaN VHFET的高耐壓應(yīng)用。同時(shí)n_GaN緩沖層內(nèi)的垂直電場強(qiáng)度會(huì)隨著遠(yuǎn)離P-GaN電流阻擋層與n-GaN緩沖層之間的p_n結(jié)界面而逐漸降低，由于器件擊穿電壓等于n-GaN緩沖層內(nèi)的垂直電場強(qiáng)度沿著y軸方向的積分，不斷降低的垂直電場強(qiáng)度使得器件的擊穿電壓無法達(dá)到GaN材料極限，不能充分發(fā)揮GaN基器件的高耐壓優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
針對已有技術(shù)GaN VHFET器件存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種帶有p型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(GaN Vertical HeterojunctionField-Effect Transistor with p-type buried layers, GaN PBL-VHFET),在n_GaN緩沖層內(nèi)引入p-GaN埋層,通過n-GaN緩沖層與p-GaN埋層之間形成的p_n結(jié),擴(kuò)展擊穿時(shí)n_GaN緩沖層內(nèi)耗盡區(qū)域，同時(shí)提升n-GaN緩沖層內(nèi)垂直電場強(qiáng)度，從而提升器件的耐壓強(qiáng)度。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種帶有P型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(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，n_GaN緩沖層，p-GaN電流阻擋層，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，該垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管還包括位于n-GaN緩沖層內(nèi)，P-GaN電流阻擋層與n+-GaN襯底之間的p_GaN埋層。器件結(jié)構(gòu)如圖3所示，為了方便討論，圖中定義了一個(gè)二維坐標(biāo)系。所述的垂直氮化 鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管沿χ軸方向左右對稱。所述的p-GaN電流阻擋層與GaN溝道層相連，并分為兩部分，沿著χ軸方向分別位于器件兩側(cè)。所述柵極的長度大于兩邊P-GaN電流阻擋層之間的間距Lap，且部分覆蓋兩邊的P-GaN電流阻擋層。所述的P-GaN埋層沿著y軸方向，從上至下共分為η層，η為整數(shù)，范圍為I < η < 20。其中所述的P-GaN埋層的每一層均分為兩部分，沿著χ軸方向分別位于器件兩側(cè)。所述的p-GaN電流阻擋層沿y軸方向的厚度為0.1 μ m到5 μ m,即從上到下的厚度范圍為 0.1ym 到 5μπι，摻雜濃度為 IX IO15CnT3 至 IX 102°cnT3。在所述的ρ-GaN埋層中，第i層兩邊的ρ-GaN埋層間距為LB_Bi，其中i = 1，2，...，n，每層的LB_Bi可以是相同的，也可以是不同的，范圍為0.5μπι到50 μ m。在所述的ρ-GaN埋層中，第i層兩邊的p-GaN埋層的厚度為TBi，其中i = 1，2，…，n，每層的Tm可以是相同的，也可以是不同的，范圍為0.05μπι到5μπι。在所述的ρ-GaN埋層中，第i層單邊p-GaN埋層的長度為LBi，其中i = 1，2，…，n，每層的Lm可以是相同的，也可以是不同的，范圍為0.5μπι到30 μ m。在所述的P-GaN埋層中，第一層與ρ-GaN電流阻擋層之間的間距為TC_B，其中TC_B的范圍為0.2 μ m到15 μ m。在所述的P-GaN埋層中，最后一層與n+_GaN襯底之間的間距為TB_S，其中TB_S的范圍為 0.2 μ m 至Ij 15 μ m。在所述的p-GaN埋層中，當(dāng)所述p-GaN埋層的層數(shù)為兩層以上時(shí)，第i層與第i+1層之間的間距為TB_Bi，其中i = 1,2,…，n-1，不同的Tb,之間可以是相等的，也可以是不相等的，范圍為0.2 μ m到15 μ m。
在所述的p-GaN埋層中，每層的摻雜濃度相同，摻雜濃度范圍均為lX1015cm_3至lX102°cm_3;或者，不同層的摻雜濃度不同，每一層的摻雜濃度范圍為IX IO15CnT3至IXio2W30本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)GaN VHFET相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:本發(fā)明所提出的GaN PBL-VHFET中，通過使用ρ-GaN埋層，在n_GaN緩沖層內(nèi)弓丨入額外的p-η結(jié)，擴(kuò)展截止?fàn)顟B(tài)下n-GaN緩沖層耗盡區(qū)域；同時(shí)由于n_GaN緩沖層存在多個(gè)p-η結(jié)界面，因此可以抑制已有技術(shù)GaN VHFET中，垂直電場強(qiáng)度隨著遠(yuǎn)離ρ-GaN電流阻擋層與n_GaN緩沖層界面不斷減小的問題，從而提升器件的擊穿電壓。


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)GaN VHFET結(jié)構(gòu)。圖3是本發(fā)明提供的GaN PBL-VHFET結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明提供的GaN PBL-VHFET與已有技術(shù)GaN VHFET擊穿時(shí)A_A’截面處垂直電場分布比較。圖5是本發(fā)明提供的GaN PBL-VHFET與已有技術(shù)GaN VHFET截止?fàn)顟B(tài)下?lián)舸┨匦员容^。其中，圖中附圖標(biāo)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-p-GaN電流阻擋層，306-n-GaN 緩沖層，307_n+-GaN 襯底，308-漏極，309-p-GaN 埋層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)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電流阻擋層，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 PBL-VHFET結(jié)構(gòu)示意圖，從下至上依次主要由漏極308，n+-GaN襯底307，n-GaN緩沖層306，p-GaN電流阻擋層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308均為歐姆接觸，柵極302為肖特基接觸，在n-GaN緩沖層306內(nèi)，還包括設(shè)置在ρ-GaN電流阻擋層305與n+-GaN襯底307之間的ρ-GaN埋層309。為了方便討論，圖中定義了一個(gè)二維坐標(biāo)系。所述的器件結(jié)構(gòu)(即整個(gè)帶有P型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管)左右對稱。其中，兩個(gè)源極301、p-GaN電流阻擋層305、p_GaN埋層309均為左右對稱，且均沿χ軸方向?qū)ΨQ，對稱軸為柵極302、AlGaN勢壘層303、GaN溝道層304、n_GaN緩沖層306及漏極308，n+-GaN襯底307共同的中軸線。所述的p-GaN電流阻擋層與GaN溝道層相連，并分為兩部分，沿著χ軸方向分別位于器件兩側(cè)。所述柵極的長度大于兩邊p-GaN電流阻擋層之間的間距LAP，且部分覆蓋兩邊的P-GaN電流阻擋層。所述的p-GaN埋層沿著y軸方向，從上至下共分為η層，η為整數(shù)，范圍為I Sn <20。其中所述的ρ-GaN埋層的每一層均分為兩部分，沿著χ軸方向分別位于器件兩側(cè)。P-GaN埋層的參數(shù)是本發(fā)明的關(guān)鍵點(diǎn)所在，包括p-GaN埋層第i層兩邊的間距LB_B1、每層的摻雜濃度、第i層單邊P-GaN埋層的長度LB1、第i層兩邊的ρ-GaN埋層的厚度TB1、第i層與第i+Ι層之間的間距TB_Bi ;所有p-GaN埋層的參數(shù)可以是相同的，也可以是不同的，只要在規(guī)定的范圍內(nèi)就可以。所述的p-GaN電流阻擋層沿y軸方向的厚度為0.1 μ m到5 μ m,即從上到下的厚度范圍為 0.1ym 到 5μπι，摻雜濃度為 IX IO15CnT3 至 IX 102°cnT3。在所述的p-GaN埋層中，第i層兩邊的ρ-GaN埋層間距為LB_Bi，其中i = 1，2，…，n，每層的LB_Bi可以是相同的，也可以是不同的，范圍為0.5μπι到50 μ m。在所述的ρ-GaN埋層中，第i層兩邊的p-GaN埋層的厚度為TBi，其中i = 1,2,...,n，每層的Tm可以是相同的，也可以是不同的，范圍為0.05μπι到5μπι。在所述的ρ-GaN埋層中，第i層單邊ρ-GaN埋層的長度為LBi，其中i = 1,2,…，n，每層的Lm可以是相同的，也可以是不同的，范圍為0.5μπι到30 μ m。在所述的P-GaN埋層中，第一層與ρ-GaN電流阻擋層之間的間距為TC_B，其中TC_B的范圍為0.2 μ m到15 μ m。

在所述的p-GaN埋層中，最后一層與n+_GaN襯底之間的間距為TB_S，其中TB_S的范圍為 0.2 μ m 至Ij 15 μ m。在所述的p-GaN埋層中，當(dāng)所述p-GaN埋層的層數(shù)為兩層以上時(shí)，第i層與第i+1層之間的間距為TB_Bi，其中i = 1,2,…，n-1，不同的Tb,之間可以是相等的，也可以是不相等的，范圍為0.2 μ m到15 μ m。在所述的ρ-GaN埋層中，每層的摻雜濃度相同，摻雜濃度范圍均為lX1015cnT3至lX102°cm_3;或者，不同層的摻雜濃度不同，每一層的摻雜濃度范圍為IX IO15CnT3至IXio2W30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GaNPBL-VHFET與圖2所示的已有技術(shù)GaN VHFET器件特性對比。器件結(jié)構(gòu)參數(shù)由表I給出，其中GaN PBL-VHFET中，所述p-GaN (此處修改，原來為p-AlGaN)埋層共分為兩層，每一層的參數(shù)完全相同。表I器件仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)
器件參數(shù)|GaN VHFETIGaN PBL-VHFET
柵極長度_2 μ m_2 μ m_
源極長度_0.5 μ m_0.5 μ m_
柵源間距_0.5 μ m_0.5 μ m_
勢壘層材料IAUath77NIai0.a,Gan.77N
權(quán)利要求
1.一種帶有P型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，從下至上依次主要由漏極(308)，n+-GaN襯底(307)，n-GaN緩沖層(306)，p-GaN電流阻擋層(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(307)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緩沖層(306)內(nèi)，p-GaN電流阻擋層(305)與n+_GaN襯底(307)之間的p_GaN埋層(309)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有P型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于:所述的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管沿X軸方向左右對稱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種帶有P型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于:所述的P-GaN電流阻擋層(305)與GaN溝道層(304)相連，并分為兩部分，沿著X軸方向分別位于器件兩側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種帶有P型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于:所述柵極(302)的長度大于兩邊P-GaN電流阻擋層(305)之間的間Lap，且部分覆蓋兩邊的P-GaN電流阻擋層(305)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種帶有P型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于:所述的p-GaN電流阻擋層(305)沿y軸方向的厚度為0.1 μ m到5 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種帶有p型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于:所述的P-GaN電流阻擋層(305)摻雜濃度為lX1015cm_3至lX102°cm_3。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種帶有P型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于:所述的P-GaN埋層(309)沿著y軸方向，從上至下共分為η層，η為整數(shù)，范圍為I彡η彡20。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所 述的一種帶有P型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于:所述的P-GaN埋層(309)的每一層均分為兩部分，沿著χ軸方向分別位于器件兩側(cè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種帶有P型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于:在所述的P-GaN埋層(309)中，第i層兩邊的p_GaN埋層(309)間距為LB_Bi, i = 1,2,…，η,其中 LB_Bi 范圍為 0.5 μ m 至Ij 50 μ m。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種帶有P型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于:在所述的P-GaN埋層(309)中，第i層兩邊的p_GaN埋層(309)的厚度為 TBi，其中 i = 1,2,...，n，其中 TBi 的范圍為 0.05μπι 到 5μπι。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種帶有P型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于:在所述的P-GaN埋層(309)中，第i層單邊p_GaN埋層(309)的長度為LBi，其中i = 1,2,…，n，其中Lm的范圍為0.5μπι到30μπι。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種帶有P型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于:在所述的P-GaN埋層(309)中，第一層與p_GaN電流阻擋層(305)之間的間距為TC_B，其中TC_B的范圍為0.2 μ m到15 μ m。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的一種帶有p型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于:在所述的P-GaN埋層(309)中，最后一層與n+_GaN襯底(305)之間的間距為TB_S，其中Ta_s的范圍為0.2μπι到15 μ m。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的一種帶有p型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于:在所述的P-GaN埋層(309)中，所述ρ-GaN埋層(309)的層數(shù)為兩層以上，第i層與第i+Ι層之間的間距STB_Bi，其中i = 1，2，...，η-1，其中1^&的范圍為0.2μπι至Ij 15 μ m0
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的一種帶有P型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于:在所述的P-GaN埋層(309)中，每層的摻雜濃度相同，摻雜濃度范圍均為IXlO15cnT3 至lX102°cm_3;或者，不同層的摻雜濃度不同，每一層的摻雜濃度范圍為I X IO15CnT3 至 IXlO2W30
全文摘要
本發(fā)明提供了一種帶有p型氮化鎵埋層的垂直氮化鎵基異質(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，n-GaN緩沖層，p-GaN電流阻擋層，GaN溝道層，AlGaN勢壘層，以及AlGaN勢壘層上的源極和柵極，源極與漏極均為歐姆接觸，柵極為肖特基接觸，該晶體管還包括位于n-GaN緩沖層內(nèi)，p-GaN電流阻擋層與n+-GaN襯底之間的p-GaN埋層。本發(fā)明中，通過p型GaN埋層與n-GaN緩沖層之間形成的p-n結(jié)來擴(kuò)展截止?fàn)顟B(tài)下n-GaN緩沖層內(nèi)的耗盡區(qū)域，提升n-GaN緩沖層內(nèi)電場強(qiáng)度，從而提高器件擊穿電壓。
文檔編號H01L29/812GK103151392SQ201310049018
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月7日
發(fā)明者杜江鋒, 趙子奇, 羅杰, 尹成功, 黃思霓, 嚴(yán)慧, 羅謙, 于奇 申請人:電子科技大學(xué)