增強型半導體器件制造技術

本發明專利技術提出了一種新型的增強型半導體器件。該增強型半導體器件利用了氮化物晶體中的自發極化效應和壓電效應在方向最強，而在其他的非極性方向和半極性方向沒有或者極弱的特性。在外延多層結構中設置脊形凸起，脊形凸起處存在氮化物的非極性面或半極性面，從而使得溝道里的二維電子氣中斷。當柵極電壓提高時，在溝道中形成導電溝道，從而實現增強型操作。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于微電子
，尤其涉及一種增強型半導體器件。
技術介紹
第三代半導體材料氮化鎵具有禁帶寬度大、電子飽和漂移速度高、擊穿場強高、導熱性能好等特點，在電子器件方面，氮化鎵材料比硅和砷化鎵更適合于制作高溫、高頻、高壓和大功率的半導體器件。由于AlGaN/GaN異質結構中存在較強的二維電子氣，通常采用AlGaN/GaN異質結形成的高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor ;HEMT)都是耗盡型器件，對于增強型器件則不易實現。而在許多地方耗盡型器件的應用又具有一定的局限性，比如在功率開關器件的應用中，需要增強型(常關型)開關器件。增強型氮化鎵開關器件主要用于高頻器件、功率開關器件和數字電路等，它的研究具有十分重要的意義。實現增強型氮化鎵開關器件，需要找到合適的方法來降低零柵壓時柵極下方的溝道載流子濃度。一種方法是在柵極處采用刻蝕結構，局部減薄柵極下面的鋁鎵氮層的厚度，達到控制或降低柵極下二維電子氣濃度的目的，如圖I所示，緩沖層11、氮化鎵層12、鋁鎵氮層13分別位于襯底10上，柵極14、源極15以及漏極16分別位于鋁鎵氮層13上，其中在柵極4下方鋁鎵氮層被局部刻蝕，從而減薄了柵極區的鋁鎵氮層厚度。另外一種辦法是在柵極下面選擇性保留P型(Al) GaN，通過p型(Al) GaN來提拉鋁鎵氮/氮化鎵異質結處的導帶能級，形成耗盡區，從而實現增強型器件，如圖2所示，在柵極14’下方通過選擇性保留了局部P型氮化物17。還有一種辦法是氟化物等離子處理技術，在勢壘層中注入氟離子等帶負電的離子，控制注入離子濃度可以耗盡導電溝道中的二維電子氣，需要用很強的負離子來夾斷溝道，如圖3所示，在柵極14”下方的勢壘層13中注入負電離子18。但是,這些辦法都有一定的不足之處。在第一種方法中，閾值電壓一般在0V-1V左右，未達到應用的閾值電壓3V-5V，為了達到較高的閾值電壓和工作電壓，還需要增加額外的介質層，如原子層沉積的三氧化二鋁，但是，這個介質層與鋁鎵氮表面的界面態如何控制，是一個懸而未決的大問題。在第二種方法中，需要選擇性刻蝕掉除了柵極下面以外的所有區域，如何實現刻蝕厚度的精確控制，也是非常具有挑戰性的，另外，由于刻蝕中帶來的缺陷，以及P型鋁鎵氮中殘余的鎂原子，會引起嚴重的電流崩塌效應。還有就是由于空穴密度的不足(一般而言，P型氮化鎵中空穴的濃度不會超過lE18/cm3)，AlGaN/GaN異質結中的二維電子氣的密度會受到很大的限制。如果二維電子氣中電子的密度過高，就無法實現增強型的器件了，所以增強型器件的AlGaN/GaN異質結中，鋁的含量通常低于20%，如15%左右。在第三種方法中，氟化物等離子處理會破壞晶格結構，工藝重復控制性也較差，對器件的穩定性和可靠性造成了比較大的影響。
技術實現思路
正如
技術介紹
中所述，氮化鎵材料在運用到增強型器件中的時候，需要控制零柵壓時溝道中的載流子濃度。然而現有的工藝中，無論是減薄柵極下方的氮化物勢壘層的厚度，還是在柵極下方保留一層P型氮化物，或者在勢壘層中注入負離子，都會因為工藝問題對器件的穩定性和可靠性產生比較大的影響。因此，本專利技術設計了一種新型的增強型半導體器件結構。該增強型器件實現夾斷二維電子氣的原理是根據III族氮化物是一種極性半導體的特點，請參見圖4和圖5，同傳統的III-V族半導體不同，III族氮化物中存在很強的內建電場。如果在C(0002)平面形成AlInGaN/GaN異質結，即使在AlInGaN層不進行n型摻雜,在所述異質結當中也會產生濃度很高的二維電子氣。其原因就是III族氮化物內的自發極化電場和由于應力引起的壓電電場。此二維電子氣的濃度可以超過lE13/cm2。但是，III族氮化物中的自發極化電場和壓電電場只存在于〈0002〉方向，而非極性方向，即與〈0002〉方向垂直的方向，包括〈1-100〉、〈11-20〉等則不存在自建電場。對于半極性方向來說，例如在〈0002〉與〈1-100〉 或者〈11-20〉之間的方向，該方向上的內建電場強度也遠遠小于〈0002〉方向。由于自發極化和壓電效應，氮化鎵是一種具有極強自建電場的半導體材料。因此，在極化方向生長的氮化鎵異質結結構中，不需要故意摻雜就可以生成電子濃度很高的二維電子氣。但是，對于氮化鎵材料的非極性面或者半極性面，由于極化場強幾乎沒有或者很低，在沒有摻雜的情況下就不會生成二維電子氣。利用氮化鎵材料的此特點，在本專利技術中，我們在外延結構中引入非平面結構，更具體說是脊形凸起結構，并在此脊型凸起結構上制作柵極。利用脊形凸起結構中產生的氮化物非極性面或半極性面，造成柵極區域二維電子氣的中斷，從而實現了增強型器件。不需要對勢壘層做等離子刻蝕，避免了有源區的損傷帶來的器件性能下降，比如說低電流密度或者電流崩塌等效應。另外，也不需要用到引入Mg原子實現P型氮化物，避免了對MOCVD或者MBE腔體的污染。根據本專利技術的目的提出的一種增強型半導體器件，該增強型半導體器件為形成在一襯底上的外延多層結構，所述外延多層結構從襯底方向依次包括氮化物溝道層和氮化物勢壘層；所述外延多層結構中設有脊形凸起；脊形凸起處存在氮化物的非極性面或半極性面，至少有部分二維電子氣是中斷的；在該外延多層結構中的脊形凸起處上定義有柵極區域和分別位于上述柵極區域兩側的兩處歐姆接觸區域；位于上述柵極區域的柵電極；位于上述兩處歐姆接觸區域的源電極和漏電極。優選的，進一步包括介質層，形成于所述氮化物勢壘層上。優選的，所述介質層為SiN、SiCN、Si02、SiAlN、Al203、A10N、Si0N、Hf02 中的一種或多種的組合。優選的，所述外延多層結構還包括形成于氮化物勢壘層上的氮化物冒層，所述氮化物冒層為氮化鎵或鋁鎵氮。優選的，氮化物勢壘層和氮化物溝道層之間設有氮化鋁中間層。優選的，所述脊形凸起的截面形狀可以是矩形、三角形、梯形、鋸齒形、多邊形、半圓形、U形中的一種或幾種圖形的組合。優選的，所述襯底上進一步包括氮化物成核層和/或氮化物緩沖層。優選的，所述襯底為藍寶石、碳化硅、硅、鈮酸鋰、SOI、氮化鎵和氮化鋁中的一種。由于本專利技術當中，不需要對勢壘層做等離子刻蝕，避免了有源區的損傷帶來的器件性能下降，比如說低電流密度或者電流崩塌等效應。另外，也不需要用到引入Mg原子實現P型氮化物，避免了對MOCVD或者MBE腔體的污染。附圖說明圖I為現有技術中，通過減薄柵極下面的鋁鎵氮層的厚度達到控制或降低柵極下二維電子氣濃度的增強型半導體器件結構示意圖。圖2為現有技術中，通過在柵極下面選擇性保留p型(Al)GaN,以提拉鋁鎵氮/氮化鎵異質結處的導帶能級，形成耗盡區的增強型半導體器件結構示意圖。圖3為現有技術中，在柵極下面采用氟離子處理的增強型半導體器件結構示意 圖。圖4所示為氮化物晶格結構的示意圖；圖5所示為氮化物中不同方向上的內建電場分布示意圖；圖6 :本專利技術第一實施方式的增強型半導體器件的結構示意圖。圖7 :本專利技術第二實施方式的增強型半導體器件的結構示意圖。圖8 :圖7的一種變形，柵極區域脊形凸起的截面形狀為三角形。圖9 :圖7的另一種變形，柵極區域脊形凸起的截面形狀為梯形。圖10 :圖7的另一種變形，柵極區域脊形凸起的截面形本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種增強型半導體器件，該增強型半導體器件為形成在一襯底上的外延多層結構，其特征在于：所述外延多層結構從襯底方向依次包括氮化物溝道層和氮化物勢壘層;所述外延多層結構中設有脊形凸起；脊形凸起處存在氮化物的非極性面或半極性面，至少有部分二維電子氣是中斷的；在該外延多層結構中的脊形凸起處上定義有柵極區域和分別位于上述柵極區域兩側的兩處歐姆接觸區域；位于上述柵極區域的柵電極；位于上述兩處歐姆接觸區域的源電極和漏電極。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：程凱，
申請(專利權)人：程凱，
類型：發明
國別省市：