本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是涉及一種逆阻型氮化鎵器件。

背景技術(shù)：

電力電子技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)、工業(yè)和國(guó)防的重要支撐技術(shù)，其中功率半導(dǎo)體器件既是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，也是電力電子技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性作用。其中，以功率mos場(chǎng)效應(yīng)管(mosfet)和絕緣柵晶體管(igbt)為代表的新型功率半導(dǎo)體器件占據(jù)了主導(dǎo)地位，在4c電子產(chǎn)品、工業(yè)控制、國(guó)防裝備等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，以硅材料為基礎(chǔ)的功率mosfet器件越來(lái)越顯示出其不足和局限性。寬禁帶半導(dǎo)體材料具有更優(yōu)的材料特性，有望解決當(dāng)今功率半導(dǎo)體器件發(fā)展所面臨的“硅極限”問題。

寬禁帶半導(dǎo)體材料gan具有寬帶隙、高電子飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿電場(chǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了gan電力電子器件耐壓容量、工作頻率和電流密度，大大降低了器件導(dǎo)通損耗，使器件可以在大功率和高溫等惡劣條件下工作。特別是硅基氮化鎵技術(shù)結(jié)合了gan材料的性能優(yōu)勢(shì)和硅技術(shù)的成本優(yōu)勢(shì)，已成為國(guó)際功率半導(dǎo)體領(lǐng)域戰(zhàn)略制高點(diǎn)，受到世界各國(guó)政府高度重視。與傳統(tǒng)的si基電力電子器件相比，目前已實(shí)用化的寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件可將功耗降低一半，從而減少甚至取消冷卻系統(tǒng)，大幅度降低電力變換器的體積和重量。

寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件具有非常廣泛的軍用和民用價(jià)值，如坦克、艦艇、飛機(jī)、火炮等軍事設(shè)備的功率電子系統(tǒng)領(lǐng)域、以及民用電力電子設(shè)備、家用電器、列車牽引設(shè)備、高壓直流輸電設(shè)備，也正在應(yīng)用到pc、混合動(dòng)力車輛、電動(dòng)汽車，太陽(yáng)能發(fā)電等系統(tǒng)。在這些新型電力電子系統(tǒng)中，gan電力電子器件是最核心的關(guān)鍵技術(shù)之一，可大大降低電能的消耗，因此也被譽(yù)為帶動(dòng)“新能源革命”的“綠色能源”器件。

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(chǎng)效應(yīng)晶體管hfet)在半導(dǎo)體領(lǐng)域已經(jīng)取得廣泛應(yīng)用。但是常規(guī)的algan/gan異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管不具備反向阻斷能力，當(dāng)漏極電壓反向時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的反向電流。這種情況在實(shí)際工作中可能會(huì)導(dǎo)致器件或者系統(tǒng)的損壞。為解決這些問題，近年來(lái)人們提出了幾種逆阻型algan/gan異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管。但是常規(guī)的逆阻型algan/gan異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管都存在歐姆接觸，需要金等重金屬以及在高溫條件下制備，使得器件與傳統(tǒng)的硅工藝不兼容。并且在高溫歐姆退火過程中，器件表面將會(huì)被氧化，這會(huì)導(dǎo)致表面態(tài)的產(chǎn)生。這些表面陷阱會(huì)俘獲電子，使得器件在動(dòng)態(tài)開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生較大動(dòng)態(tài)電阻。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，是針對(duì)常規(guī)的逆阻型algan/gan異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管與傳統(tǒng)硅cmos工藝不兼容以及器件制備溫度高等問題，本發(fā)明提出了一種無(wú)歐姆接觸的逆阻型氮化鎵器件。本發(fā)明所提出的逆阻型氮化鎵器件具有與傳統(tǒng)硅工藝兼容、可低溫制備等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種逆阻型氮化鎵器件，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m為除ga之外的ⅲ族元素；所述mgan層3上表面一端具有漏極金屬5，所述漏極金屬5與mgan層3形成肖特基勢(shì)壘接觸；其特征在于，在所述mgan層3另一端具有絕緣柵極結(jié)構(gòu)6，所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)6由絕緣柵介質(zhì)8和金屬柵電極9構(gòu)成，其中金屬柵電極9位于絕緣柵凹槽7中，所述絕緣柵凹槽7為貫穿mgan層3并延伸入gan層2上表面的凹槽，金屬柵電極9與mgan層3和gan層2之間通過絕緣柵介質(zhì)8隔離；與絕緣柵極結(jié)構(gòu)6相鄰的mgan層3上表面具有源極金屬4，所述源極金屬4與金屬柵電極9之間通過絕緣柵介質(zhì)8隔離，且絕緣柵介質(zhì)8完全覆蓋源極金屬4的表面并沿mgan層3上表面延伸至與部分漏極金屬5的下表面接觸。

進(jìn)一步的，所述漏極金屬5底部不與絕緣柵介質(zhì)8接觸的部分，向下延伸至嵌入gan層2上層。

進(jìn)一步的，所述襯底1采用的材料為硅、藍(lán)寶石、碳化硅和氮化鎵中的一種。

進(jìn)一步的，所述絕緣柵介質(zhì)8采用的材料為sio2、si3n4、aln、al2o3、mgo和sc2o3中的一種。

本發(fā)明的有益效果是：針對(duì)常規(guī)的逆阻型algan/gan異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管存在的與傳統(tǒng)硅cmos工藝不兼容以及器件制備溫度高等問題，本發(fā)明提出了一種無(wú)歐姆接觸的逆阻型氮化鎵器件，該器件由于不存在歐姆接觸，能與傳統(tǒng)硅工藝兼容、可低溫制備。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的器件工作原理示意圖；

圖3為本發(fā)明的器件制造工藝流程中外延片示意圖；

圖4為本發(fā)明的器件制造工藝流程中生長(zhǎng)源極肖特基金屬和漏極肖特基金屬后結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的器件制造工藝流程中刻蝕mgan形成絕緣柵凹槽后結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明的器件制造工藝流程中生長(zhǎng)絕緣層后結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明的器件制造工藝流程中生長(zhǎng)絕緣柵金屬后結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為本發(fā)明的另一種器件結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案：

如圖1所示，為本發(fā)明的逆阻型氮化鎵器件，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m為除ga之外的ⅲ族元素；所述mgan層3上表面一端具有漏極金屬5，所述漏極金屬5與mgan層3形成肖特基勢(shì)壘接觸；其特征在于，在所述mgan層3另一端具有絕緣柵極結(jié)構(gòu)6，所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)6由絕緣柵介質(zhì)8和金屬柵電極9構(gòu)成，其中金屬柵電極9位于絕緣柵凹槽7中，所述絕緣柵凹槽7為貫穿mgan層3并延伸入gan層2上表面的凹槽，金屬柵電極9與mgan層3和gan層2之間通過絕緣柵介質(zhì)8隔離；與絕緣柵極結(jié)構(gòu)6相鄰的mgan層3上表面具有源極金屬4，所述源極金屬4與金屬柵電極9之間通過絕緣柵介質(zhì)8隔離，且絕緣柵介質(zhì)8完全覆蓋源極金屬4的表面并沿mgan層3上表面延伸至與部分漏極金屬5的下表面接觸。

傳統(tǒng)的逆阻型氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管存在歐姆接觸，需要金等重金屬并在高溫條件下制備，使得器件與傳統(tǒng)的硅工藝不兼容。并且在高溫歐姆退火過程中，器件表面將會(huì)被氧化，這會(huì)導(dǎo)致表面態(tài)的產(chǎn)生。這些表面陷阱會(huì)俘獲電子，使得器件在動(dòng)態(tài)開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生較大動(dòng)態(tài)電阻。為解決這些問題，本發(fā)明提出了一種無(wú)歐姆接觸的逆阻型氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(如圖1所示)。本發(fā)明器件的源極和漏極都是肖特基接觸結(jié)構(gòu)而非傳統(tǒng)的歐姆接觸結(jié)構(gòu)，同時(shí)在肖特基源極結(jié)構(gòu)附近的引入一個(gè)柵極結(jié)構(gòu)以控制源極肖特基接觸下方勢(shì)壘層的能帶結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的實(shí)現(xiàn)開啟與關(guān)斷。由于本發(fā)明的逆阻型氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管不存在歐姆接觸，不需要利用重金屬，可以與cmos工藝兼容。同時(shí)，本發(fā)明不需要高溫退火工藝，器件可以在較低的溫度下制備，可以避免器件表面被氧化等問題。

在如圖1所示的結(jié)構(gòu)中，在algan層表面生長(zhǎng)sio2、si3n4、aln、al2o3、mgo或sc2o3作為鈍化層，可以進(jìn)一步降低漏電，提高性能。源極肖特基接觸電極嵌入gan層上層的凹槽深度為幾百納米。肖特基源極結(jié)構(gòu)與絕緣柵結(jié)構(gòu)用絕緣介質(zhì)隔開，介質(zhì)質(zhì)量的好壞直接影響器件的性能。

本發(fā)明的基本工作原理是：

首先通過肖特基源極接觸附近的絕緣柵結(jié)構(gòu)控制肖特基接觸下方勢(shì)壘層的能帶結(jié)構(gòu)來(lái)改變器件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)器件的開啟和關(guān)斷。當(dāng)柵極加上正電壓時(shí)，源極肖特基下方的勢(shì)壘厚度變薄(圖2)，電子的隧穿幾率增加，可以使得器件具有類似歐姆接觸的電流特性；當(dāng)在柵極負(fù)電壓時(shí)，肖特基勢(shì)壘厚度變厚，電子的隧穿幾率降低，電子幾乎無(wú)法通過勢(shì)壘，器件可以實(shí)現(xiàn)正向阻斷能力。同時(shí)本發(fā)明利用肖特基漏極實(shí)現(xiàn)器件的反向阻斷。

本發(fā)明的器件與傳統(tǒng)cmos工藝兼容，可以利用傳統(tǒng)的cmos工藝線制備該器件，需要特別說(shuō)明的是：

1、襯底1可以是硅、藍(lán)寶石，碳化硅或者氮化鎵。

2、襯底1和gan層2之間可以存在其他的材料。

3、漏極金屬5可延伸至gan層2。

4、源極金屬4及漏極金屬5和mgan層3之間形成的是肖特基接觸而非傳統(tǒng)的歐姆接觸。

5、所述絕緣柵介質(zhì)8采用的材料為sio2、si3n4、aln、al2o3、mgo或sc2o3中的一種。

6、絕緣柵極結(jié)構(gòu)6必須在源極金屬4附近。

7、絕緣柵極結(jié)構(gòu)6須延伸至gan層2。

8、延長(zhǎng)肖特基漏極金屬5在絕緣柵介質(zhì)8的金屬長(zhǎng)度形成漏極場(chǎng)板可以提高器件的反向阻斷能力。

9、延長(zhǎng)肖特基漏極金屬4在絕緣柵介質(zhì)8表面的金屬長(zhǎng)度形成源極場(chǎng)板可以提高器件的正向阻斷能力。

10、源極金屬4、漏極金屬5以及金屬柵電極9可以不包含金等重金屬。

在本發(fā)明中，可采用以下兩種方案來(lái)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(zhǎng)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(lái)實(shí)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(zhǔn)、易于形成混合膜和多層膜重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，特別是對(duì)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3-圖7所示，主要包括：

圖3為具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的外延片，圖4生長(zhǎng)肖特基源極金屬和肖特基漏極金屬，圖5和圖6為刻蝕絕緣柵淺凹槽并生長(zhǎng)絕緣柵介質(zhì)，圖7生長(zhǎng)絕緣柵極金屬。