一種GaN基增強(qiáng)型功率電子器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及GaN基功率電子和微波功率放大器應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種GaN基增強(qiáng)型功率電子器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高效功率電子器件(又稱功率開關(guān)器件)在智能電網(wǎng)、工業(yè)控制、新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車以及消費(fèi)電子等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值，全球70%以上的電力電子系統(tǒng)均由基于功率半導(dǎo)體器件的電力管理系統(tǒng)來調(diào)控管理。傳統(tǒng)Si功率電子器件性能已經(jīng)接近Si半導(dǎo)體材料的物理極限，以SiC和GaN為代表的新型寬禁帶半導(dǎo)體器件憑借更高的擊穿電場(chǎng)、更高的工作頻率和更低的導(dǎo)通電阻有望成為下一代高效功率電子技術(shù)的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者。
[0003]增強(qiáng)型是功率電子器件安全工作的關(guān)鍵要求，即在高壓工作時(shí)，器件即使失去柵控的狀態(tài)下也是安全的，不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的燒毀。這就要求功率電子器件必須是增強(qiáng)型的(enhancement-mode,也稱normally-off)，即器件的閾值要在0V以上。而目前GaN基增強(qiáng)型功率電子器件主要是基于A1 (In，Ga)N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備的，依靠A1 (In，Ga)N勢(shì)皇層和GaN緩沖層間較強(qiáng)的自發(fā)和壓電極化效應(yīng)，在A1 (In，Ga) N/GaN異質(zhì)結(jié)溝道中會(huì)誘導(dǎo)出高達(dá)1013cm 2的二維電子氣(2DEG)，因此基于該結(jié)構(gòu)制備的GaN基功率電子器件(包括HEMTs和MIS-HEMTs) 一般是耗盡型的，為了實(shí)現(xiàn)GaN基增強(qiáng)型器件，目前國(guó)際上主要有五種技術(shù):1)柵槽刻蝕減薄Al(In，Ga)N勢(shì)皇層；2)在A1 (In，Ga)N勢(shì)皇層中注入帶負(fù)電的氟離子；3)在勢(shì)皇層表面生長(zhǎng)P_(Al)GaN蓋帽層；4)在勢(shì)皇層表面生長(zhǎng)InGaN或厚GaN反極化層；5)增強(qiáng)型S1-MOSFET與GaN基耗盡型HEMT/MIS-HEMT級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0004]柵槽刻蝕是通過等離子體干法刻蝕A1 (In，Ga)N勢(shì)皇層實(shí)現(xiàn)，由于勢(shì)皇層一般只有20nm左右，通過該技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)晶圓間，尤其是批次間刻蝕深度的重復(fù)性，制約了該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。氟離子注入技術(shù)同樣面臨工藝的重復(fù)性問題。P_(Al)GaN蓋帽層和厚GaN反極化層技術(shù)是通過M0CVD或MBE外延生長(zhǎng)厚度和摻雜控制來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型，一般能獲得較好的閾值一致性，特別是P_(Al)GaN技術(shù)已經(jīng)有相關(guān)的示范產(chǎn)品報(bào)道。第5種級(jí)聯(lián)技術(shù)利用成熟的S1-MOSFET (已產(chǎn)業(yè)化)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型，也推出了相關(guān)的600V功率電子產(chǎn)品。
[0005]另一方面，由于表面態(tài)的存在，GaN基功率電子器件在高壓工作時(shí)存在嚴(yán)重的電流坍塌，直接導(dǎo)致器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻和功耗的增加。香港科技大學(xué)采用等離子增強(qiáng)原子層沉積(PEALD)技術(shù)在II1-族氮化物半導(dǎo)體上外延出具有極化特性的A1N薄膜，利用極化誘導(dǎo)的高密度極化電荷補(bǔ)償表面態(tài)，有效抑制了 GaN基功率電子器件高壓電流坍塌。因此，利用極性A1N薄膜的極化特性除了能抑制電流i丹塌，同時(shí)有可能在薄勢(shì)皇A1 (In，Ga) N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中獲得高密度的2DEG。
[0006]綜上所述，結(jié)合薄勢(shì)皇A1 (In，Ga)N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的良好增強(qiáng)型閾值控制和極性A1N鈍化薄膜高密度極化電荷，有助于制備出具有良好的增強(qiáng)型閾值均勻性、低動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的GaN基功率電子器件，從而有效提高GaN基增強(qiáng)型器件的工藝重復(fù)性和成品率，推動(dòng)GaN基功率電子器件的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](一 )要解決的技術(shù)問題
[0008]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種GaN基增強(qiáng)型功率電子器件及其制備方法，以解決GaN基功率電子器件的增強(qiáng)型閾值一致性和重復(fù)性，提高GaN基功率電子器件的工藝成品率，促進(jìn)GaN基功率電子器件的產(chǎn)業(yè)化。
[0009]( 二 )技術(shù)方案
[0010]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種GaN基增強(qiáng)型功率電子器件，包括:襯底；形成于襯底之上的薄勢(shì)皇A1 (In，Ga) N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)；以及形成于薄勢(shì)皇A1 (In，Ga) N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)之上的柵極、源極和漏極；其中，在柵極與源極以及柵極與漏極之間的接入?yún)^(qū)域形成有A1N鈍化層，利用具有極化特性的該A1N鈍化層恢復(fù)該A1N鈍化層下薄勢(shì)皇A1 (In，Ga)N/GaN異質(zhì)結(jié)溝道中的二維電子氣，從而降低器件的導(dǎo)通電阻，同時(shí)抑制器件的高壓電流坍塌。
[0011]上述方案中，所述薄勢(shì)皇A1 (In，Ga)N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)是利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積或分子束外延技術(shù)直接在襯底上依次外延GaN緩沖層和A1 (In，Ga)N勢(shì)皇層而形成，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型柵結(jié)構(gòu)。
[0012]上述方案中，所述薄勢(shì)皇A1 (In，Ga) N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，A1 (In，Ga)N勢(shì)皇層是10nm以下AlGaN或AlInN三元合金勢(shì)皇層，或者是AlInGaN四元合金勢(shì)皇層。所述增強(qiáng)型柵結(jié)構(gòu)，是肖特基型柵接觸，或者是MIS型柵接觸，柵長(zhǎng)從100納米到3微米，其中1微米以下柵線條是通過步進(jìn)光刻或電子束光刻實(shí)現(xiàn)，1微米以上是采用光學(xué)光刻實(shí)現(xiàn)。
[0013]上述方案中，所述A1N鈍化層，是具有極化特性的鈍化薄膜，厚度在10nm以下，采用等離子體增強(qiáng)模式原子層沉積或分子束外延技術(shù)在低溫下生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度在150°C到500 °C之間。
[0014]上述方案中，所述A1N鈍化層之上還包括SiNx鈍化保護(hù)層，以提高器件的可靠性。
[0015]上述方案中，所述SiNx鈍化保護(hù)層，是通過MOCVD外延、LPCVD或PECVD技術(shù)生長(zhǎng)，厚度在50-200nm之間。
[0016]上述方案中，所述襯底為硅襯底、SiC襯底、藍(lán)寶石襯底或同質(zhì)外延的GaN襯底。
[0017]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種GaN基增強(qiáng)型功率電子器件的制備方法，該方法首先在襯底之上形成薄勢(shì)皇A1 (In，Ga)N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，然后采用先柵工藝或后柵工藝在薄勢(shì)皇A1 (In，Ga) N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)之上形成柵極、源極、漏極、A1N鈍化層以及SiNji化保護(hù)層。
[0018]上述方案中，所述薄勢(shì)皇A1 (In，Ga)N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)是利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積或分子束外延技術(shù)直接在襯底上依次外延GaN和薄勢(shì)皇層而形成；所述先柵工藝是先在薄勢(shì)皇A1 (In，Ga)N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)之上制備柵極、源極及漏極，然后在柵極與源極以及柵極與漏極之間的接入?yún)^(qū)域依次形成A1N鈍化層及SiNx鈍化保護(hù)層；所述后柵工藝是先在薄勢(shì)皇A1 (In，Ga)N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)之上依次制備A1N鈍化層及SiNx鈍化保護(hù)層，然后在柵極開孔制備柵肖特基或MIS接觸。
[0019](三)有益效果
[0020]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0021]1、本發(fā)明提供的GaN基增強(qiáng)型功率電子器件及其制備方法，從材料生長(zhǎng)角度提供一種精確調(diào)控GaN基增強(qiáng)型功率電子器件閾值電壓的技術(shù)，通過調(diào)整A1 (In，Ga) N勢(shì)皇層生長(zhǎng)條件，能有效提高GaN基增強(qiáng)型器件閾值電壓的可控度和一致性，解決了 GaN基增強(qiáng)型器件的工藝重復(fù)性，有助于提高GaN基增強(qiáng)型電子器件的成品率，促進(jìn)GaN基功率電子器件的產(chǎn)業(yè)化。
[0022]2、本發(fā)明提供的GaN基增強(qiáng)型功率電子器件及其制備方法，由于在薄勢(shì)皇A1 (In，Ga) N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，勢(shì)皇層厚度在10nm以下，能有效降低源漏(source&drain)歐姆接觸的合金溫度(850°C以下)。
[0023]3、本發(fā)明提供的GaN基增強(qiáng)型功率電子器件及其制備方法，為了彌補(bǔ)上述A1 (In，Ga)N/GaN薄勢(shì)皇技術(shù)導(dǎo)致的柵源和柵漏區(qū)域溝道電阻的增加，利用具有極化特性的(charge-polarized)A1N薄膜中的極化電荷提高A1 (In，Ga)N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)溝道的2DEG密度，從而有效降低整個(gè)器件的導(dǎo)通電阻。
[0024]4、本發(fā)明提供的GaN基增強(qiáng)型功率電子器件及其制備方法，所采用的具有極化特性的A1N鈍化薄膜不僅能夠降低GaN基增強(qiáng)型功率電子器件(包括HEMTs和MIS-HEMTs)的溝道電阻，而且能有效鈍化A1 (In，Ga) N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的表面態(tài)，顯著抑制其制備的功率電子器件的高壓電流坍塌。
[0025]5、本發(fā)明提供的GaN基增強(qiáng)型功率電子器件及其制備方法，所采用的用于保護(hù)具有極化特性的A1N鈍化的3丨凡表面層，能防止A1N被外界氧化或被水汽侵蝕，有效提高器件的長(zhǎng)期可靠性。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明提供的GaN基增強(qiáng)型功率電子器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2是用于實(shí)現(xiàn)GaN基增強(qiáng)型的薄勢(shì)皇A1 (In，Ga)N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0028]圖3是利用具有極化特性的A1N鈍化層實(shí)現(xiàn)GaN