本發(fā)明屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種逆阻型氮化鎵高電子遷移率晶體管。

背景技術(shù)：

具有雙向傳導(dǎo)電流和阻斷電壓特性的雙向開關(guān)廣泛應(yīng)用于電機驅(qū)動、航空器、交流電源裝置、船舶電力推進和電動汽車之中。傳統(tǒng)的雙向開關(guān)是由兩個反向串聯(lián)的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和兩個功率二極管組成，結(jié)構(gòu)類似于圖1(a)，在這樣的結(jié)構(gòu)中，電流將流經(jīng)兩個會不同的器件，較長的電流通路將導(dǎo)致較大的導(dǎo)通壓降，進而會使雙向開關(guān)具有較高的功率損耗。為了減小雙向開關(guān)的導(dǎo)通損耗，提高系統(tǒng)效率，近幾年提出了基于逆阻型器件的雙向開關(guān)，例如基于逆阻型絕緣柵雙極晶體管(RB-IGBT)的雙向開關(guān)，基于逆阻型器件的雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)圖類似于圖1(b)，在這種新的雙向開關(guān)中電流只經(jīng)過一個器件，較短的電流通路使得雙向開關(guān)具有較小的導(dǎo)通電壓和和較低的導(dǎo)通損耗。

氮化鎵是第三代寬禁帶半導(dǎo)體的代表之一，正受到人們的廣泛關(guān)注，其優(yōu)越的性能主要表現(xiàn)在：高的臨界擊穿電場(～3.5×10⁶V/cm)、高電子遷移率(～2000cm²/V·s)、高的二維電子氣(2DEG)濃度(～10¹³cm^-2)、高的高溫工作能力。GaN材料的禁帶寬度高達3.4eV，3倍于Si材料的禁帶寬度，2.5倍于GaAs材料，半導(dǎo)體材料的本征載流子濃度隨禁帶寬度和溫度的增加而呈指數(shù)增長，因此，在一定的溫度范圍內(nèi)，其半導(dǎo)體材料禁帶寬度越大，便擁有越小的本征載流子濃度，這可以使器件具有非常低的泄漏電流。另外，氮化鎵(GaN)材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐高溫、抗腐蝕，在高頻、大功率、抗輻射應(yīng)用領(lǐng)域具有先天優(yōu)勢。基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的高電子遷移率晶體管(HEMT)(或異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管HFET，調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管MODFET)在半導(dǎo)體領(lǐng)域已經(jīng)取得廣泛應(yīng)用。該類器件具有反向阻斷電壓高、正向?qū)娮璧?、工作頻率高等特性，因此可以滿足系統(tǒng)對半導(dǎo)體器件更大功率、更高頻率、更小體積工作的要求。

近年來，為實現(xiàn)低功耗高能效的雙向開關(guān)，研究人員提出了GaN逆導(dǎo)型HEMT器件(RC-MISHEMT)，但是從上面的分析可知，基于逆導(dǎo)型器件的雙向開關(guān)具有較大的導(dǎo)通壓降和導(dǎo)通損耗。為了進一步減小雙向?qū)妷汉蛯?dǎo)通損耗，提高開關(guān)轉(zhuǎn)換效率，采用具有反向阻斷能力的GaN高電子遷移率晶體管的開關(guān)器件是非常有必要的。因此，本發(fā)明提出了具 有混合漏極的氮化鎵逆阻型高電子遷移率晶體管的新器件結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，該增強型AlGaN/GaN HEMT器件具有高反向阻斷能力、低漏極開啟電壓、導(dǎo)通電阻和低功耗等優(yōu)點，基于該逆阻型器件的雙向開關(guān)相比于基于逆導(dǎo)型器件的雙向開關(guān)具有較大的優(yōu)勢。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的，就是針對高效功率開關(guān)器件的主要性能指標(導(dǎo)通電阻、漏極開啟電壓、反向耐壓、功耗)，提出了具有混合漏極的氮化鎵新器件結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所提出的增強型AlGaN/GaN HEMT器件具有高反向阻斷能力、低漏極開啟電壓、低導(dǎo)通電阻和低功耗等優(yōu)點，尤其適用于雙向開關(guān)中。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種逆阻型氮化鎵高電子遷移率晶體管，包括從下至上依次層疊設(shè)置的襯底1、GaN層2和MGaN層3，所述GaN層2和MGaN層3形成異質(zhì)結(jié)；所述MGaN層3上層兩端分別具有源極結(jié)構(gòu)和漏極結(jié)構(gòu)，在源極結(jié)構(gòu)和漏極結(jié)構(gòu)之間的MGaN層3上層具有柵極結(jié)構(gòu)；所述柵極結(jié)構(gòu)包括絕緣柵介質(zhì)5和金屬柵電極6，所述MGaN層3上層具有第一凹槽4，絕緣柵介質(zhì)5位于第一凹槽4的底部和側(cè)壁，且絕緣柵介質(zhì)5沿MGaN層3上表面向兩側(cè)延伸至源極結(jié)構(gòu)和漏極結(jié)構(gòu)接觸，所述金屬柵電極6位于第一凹槽4中；所述源極結(jié)構(gòu)為嵌入MGaN層3上層且形成歐姆接觸的金屬源電極7；所述漏極結(jié)構(gòu)包括歐姆接觸8與金屬9，且金屬9位于靠近柵極結(jié)構(gòu)的一側(cè)；所述金屬9位于第二凹槽10中，且第二凹槽10的底部和側(cè)壁具有絕緣柵介質(zhì)5，所述歐姆接觸8與金屬9并列設(shè)置，且歐姆接觸8的側(cè)面與第二凹槽10的側(cè)壁連接，所述歐姆接觸8與金屬9之間電氣連接；所述MGaN層3中的M元素為除Ga之外的Ⅲ族元素。

進一步的，所述絕緣柵介質(zhì)5采用的材料為SiO₂、Si₃N₄、AlN、Al₂O₃、MgO、HfO₂或Sc₂O₃。

本發(fā)明的有益效果為，相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的器件具有高反向阻斷能力、低漏極開啟電壓、導(dǎo)通電阻和低功耗等優(yōu)點，本發(fā)明尤其適用于矩陣變化器中，同時本發(fā)明的器件與傳統(tǒng)AlGaN/GaN HEMT器件工藝兼容。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)為串聯(lián)型，(b)為并聯(lián)型；

圖2為本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的器件工作原理示意圖；

圖4為本發(fā)明的器件工作原理示意圖；

圖5為本發(fā)明器件輸出特性曲線示意圖；

圖6為本發(fā)明器件阻斷特性曲線示意圖；

圖7為本發(fā)明器件的反向阻斷電壓(RBV)、導(dǎo)通電阻(R_ON)、漏極開啟電壓(V_T)與混合漏極下方勢壘層厚度(T_MD)之間的關(guān)系曲線示意圖；

圖8為本發(fā)明器件制造工藝流程中襯底示意圖；

圖9為本發(fā)明器件制造工藝流程中源極歐姆接觸和混合漏極中的歐姆接觸后結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明器件制造工藝流程中刻蝕MGaN形成第一凹槽和第二凹槽后結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11為本發(fā)明器件制造工藝流程中淀積絕緣層后結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12為本發(fā)明器件制造工藝流程中淀積絕緣柵上的金屬和混合漏極絕緣層上的金屬后結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，詳細描述本發(fā)明的技術(shù)方案：

如圖2所示，本發(fā)明的一種逆阻型氮化鎵高電子遷移率晶體管，包括從下至上依次層疊設(shè)置的襯底1、GaN層2和MGaN層3，所述GaN層2和MGaN層3形成異質(zhì)結(jié)；所述MGaN層3上層兩端分別具有源極結(jié)構(gòu)和漏極結(jié)構(gòu)，在源極結(jié)構(gòu)和漏極結(jié)構(gòu)之間的MGaN層3上層具有柵極結(jié)構(gòu)；所述柵極結(jié)構(gòu)包括絕緣柵介質(zhì)5和金屬柵電極6，所述MGaN層3上層具有第一凹槽4，絕緣柵介質(zhì)5位于第一凹槽4的底部和側(cè)壁，且絕緣柵介質(zhì)5沿MGaN層3上表面向兩側(cè)延伸至源極結(jié)構(gòu)和漏極結(jié)構(gòu)接觸，所述金屬柵電極6位于第一凹槽4中；所述源極結(jié)構(gòu)為嵌入MGaN層3上層且形成歐姆接觸的金屬源電極7；所述漏極結(jié)構(gòu)包括歐姆接觸8與金屬9，且金屬9位于靠近柵極結(jié)構(gòu)的一側(cè)；所述金屬9位于第二凹槽10中，且第二凹槽10的底部和側(cè)壁具有絕緣柵介質(zhì)5，所述歐姆接觸8與金屬9并列設(shè)置，且歐姆接觸8的側(cè)面與第二凹槽10的側(cè)壁連接，所述歐姆接觸8與金屬9之間電氣連接；所述MGaN層3中的M元素為除Ga之外的Ⅲ族元素。

傳統(tǒng)的具有肖特基漏極的逆阻型器件由于異質(zhì)結(jié)勢壘和肖特基勢壘的存在，使得器件具有較大的開啟電壓和較大的導(dǎo)通壓降。本發(fā)明提出了一種新型的逆阻型氮化鎵高電子遷移率晶體管((GaN RB-MISHEMT)如圖2所示)，本發(fā)明在氮化鎵高電子遷移率晶體管的漏極歐姆接觸電極與柵極之間引入肖特基金屬/絕緣介質(zhì)/半導(dǎo)體凹槽MIS結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與漏極歐姆接觸短接形成混合漏極?；旌下O的開啟電壓由混合漏極中凹槽MIS結(jié)構(gòu)下方的二維電子氣決定，這樣可以使逆阻型氮化鎵高電子遷移率晶體管在具有較小的反向泄漏電流I_R和較低的漏極開啟電壓V_T的同時，還可以實現(xiàn)較低的導(dǎo)通電阻R_ON。此外，導(dǎo)通電阻R_ON、漏電流I_R和漏極開啟電壓V_T均是可由混合漏極控制，它們會隨著混合漏極中凹槽MIS結(jié)構(gòu)下方的AlGaN勢壘層的厚度T_MD、凹槽MIS結(jié)構(gòu)的金屬的功函數(shù)W_m和凹槽MIS結(jié)構(gòu)的長度L_MD的變化而變化。逆阻型氮化鎵高電子遷移率晶體管的反向阻斷能力是由混合漏極中凹槽MIS結(jié)構(gòu)下方的二維電子氣溝道的開啟電壓決定的，為了使逆阻型氮化鎵高電子遷移率晶體管具有更好的反向阻斷能力，混合漏極中凹槽MIS結(jié)構(gòu)下方的二維電子氣需要完全耗盡。

需要特別指出的是，本發(fā)明的設(shè)計過程中尤其體現(xiàn)了以下細節(jié)：

1、混合漏極的MIS-Drain部分要盡可能的是下方的二維電子氣完全耗盡，使得器件具有較好的反向阻斷能力。

2、在AlGaN層表面淀積鈍化層，進一步降低漏電，提高性能。

3、在混合漏極上淀積絕緣介質(zhì)可以抑制反向泄漏電流，絕緣介質(zhì)的質(zhì)量在很大程度上影響器件的反向阻斷能力。

本器件的基本工作原理是：

首先通過減薄柵極下方AlGaN層的厚度，使柵極下方異質(zhì)結(jié)中二維電子氣(2DEG)濃度降低直至耗盡，使得器件在柵極電壓為負值時無法導(dǎo)通電流，保證器件具有正的的閾值電壓。當器件柵極電壓低于閾值電壓時，由于柵極下方的溝道被夾斷，無論在混合漏極上加正向電壓還是負向電壓，都不會出現(xiàn)從漏極流向源極的電流。當柵極電壓大于閾值電壓，而在混合漏極加上低于漏極開啟電壓的正向電壓時，如圖3所示，混合漏極中凹槽MIS結(jié)構(gòu)下方的溝道沒有開啟，電流無法從混合漏極流向源極。當柵極電壓大于閾值電壓時，在混合漏極加上大于漏極開啟電壓的正向電壓時，如圖4所示，混合漏極中凹槽MIS結(jié)構(gòu)下方的溝道開啟，電流可以從混合漏極流向源極。當柵極電壓大于閾值電壓時，在混合漏極加上反向電壓時，混合漏極中凹槽MIS結(jié)構(gòu)下方的溝道被關(guān)斷，電流無法從混合漏極流向源極，即實現(xiàn)了 反向阻斷能力。圖5為逆阻型氮化鎵高電子遷移率晶體管的輸出特性曲線；圖6是器件的雙向阻斷特性的曲線圖；7是器件反向阻斷電壓RBV、導(dǎo)通電阻R_ON、閾值電壓V_T與T_MD之間的關(guān)系曲線。

本發(fā)明的器件與傳統(tǒng)AlGaN/GaN HEMT器件工藝兼容，需要特別說明的是：

(1)第二凹槽10可與第一凹槽4同時形成，也可以根據(jù)要求單獨形成；

(2)第一凹槽4上的絕緣介質(zhì)與第二凹槽10上的絕緣介質(zhì)必須同時生長；

(3)第二凹槽10上覆蓋的金屬可與第一凹槽4上覆蓋的金屬同時淀積，也可以根據(jù)要求單獨生長；

(4)所述絕緣柵介質(zhì)的材料為SiO₂、Si₃N₄、AlN、Al₂O₃、MgO、HfO₂或Sc₂O₃；

(5)刻蝕GaN異質(zhì)結(jié)中凹槽采用的工藝為干法刻蝕或濕法刻蝕；

(6)覆蓋于第一凹槽4和第二凹槽10上的絕緣介質(zhì)5可以采用ALD或PEVCD或LPCVD工藝淀積；

(7)AlGaN層3表面的SiN鈍化層4采用ALD或PEVCD工藝淀積，表面鈍化層可以使用SiN、SiO2等材料疊層；

(8)歐姆接觸的金屬源電極7與混合漏極中的歐姆接觸8是采用光刻技術(shù)在勢壘層3的表面沉積歐姆金屬并經(jīng)高溫退火而形成。

在本發(fā)明中，可采用以下兩種方案來制備絕緣介質(zhì)材料。

(a)采用原子層淀積(ALD)制備Al₂O₃、HfO₂、TiO₂等介質(zhì)材料。ALD所生長的薄膜是自限制的，能精確地控制薄膜的厚度和化學(xué)組分，而且淀積的薄膜具有很好的均勻性和保形性。應(yīng)考慮采用復(fù)合疊層的辦法來實現(xiàn)，比如HfO₂/Al₂O₃等。

(b)采用MOCVD設(shè)備制備Ga₂O₃、Al₂O₃、AlGaO或AlGaO/Al₂O₃等各種單層、混合層以及各種疊層結(jié)構(gòu)，以制備高性能絕緣柵介質(zhì)。采用MOCVD方法具有介質(zhì)材料成膜狀態(tài)致密、厚度控制精準、易于形成混合膜和多層膜重復(fù)性好等優(yōu)點，特別是對界面態(tài)控制的可控空間較大。

本發(fā)明的制造工藝流程如圖8-圖12所示，主要包括：

(a)制備襯底和勢壘層形成異質(zhì)結(jié)(b)生長鈍化層并刻蝕凹槽(c)鈍化開孔和制作歐姆接觸金屬(d)柵極和MIS-D開孔并淀積絕緣介質(zhì)(e)介質(zhì)開孔并淀積柵金屬和MIS-D金屬。

采用器件仿真軟件Sentaurus對本發(fā)明所提結(jié)構(gòu)進行了初步仿真分析。在本仿真分析中柵極長度為1μm，柵源之間的距離為2μm，柵漏之間的距離為10μm，柵寬為10000μm，GaN緩沖層厚度3μm，Al_0.26Ga_0.74N勢壘層厚度為25nm，柵極金屬功函數(shù)為5.15eV。

通過輸出特性曲線(圖4)可以看出，在柵壓為10V，電流為5A時器件的導(dǎo)通電阻R_ON為1.31mΩ·cm²；同時我們可以看出，RB-MISHEMT具有0.38V的補償電壓，這是因為混合漏極下方的二維電子氣被耗盡。

圖5是GaN RB-MISHEMT器件的雙向阻斷特性曲線，在柵壓為0V，漏極電壓為950V時，正向漏電流為1μA；在漏極電壓為-900V時，反向漏電流為10μA；說明該器件具有雙向阻斷能力。

圖6是GaN RB-MISHEMT器件的反向阻斷電壓(RBV)、導(dǎo)通電阻(R_ON)、閾值電壓(V_T)與混合漏極下方勢壘層厚度(T_MD)之間的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，器件的反向阻斷電壓、導(dǎo)通電阻、閾值電壓均隨著混合漏極下方勢壘層厚度的減小而增大。

通過以上仿真，驗證了本發(fā)明在電學(xué)特性上的優(yōu)秀性能。