一种GaN垂直MOSFET器件及其制作方法与流程

一种gan垂直mosfet器件及其制作方法
技术领域
1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种gan垂直mosfet器件及其制作方法。


背景技术：

2.以sic(碳化硅)、gan氮化镓为代表的第三代半导体材料是功率电子器件应用的主要材料，由于宽禁带半导体材料具高温、高压、高频等特性，因此对于电力电子器件有着非常重要的意义。其中gan和sic材料相比具有更大的禁带宽度(导带底与价带顶之间的能量差即称为禁带宽度)，更高的电子饱和速度等优点，这些材料特性保证了gan材料在微波等领域的高性能表现。因此gan材料是制备电力电子器件的理想选择。
3.现有技术中，gan外延层与gan衬底直接接触，导通电流的能力不高。


技术实现要素：

4.本发明的实施例提供了一种gan垂直mosfet器件及其制作方法，利用了金属对电流的良好的导电能力，将电流扩展到所有区域，拓宽导电路径，提升导通电流效率。
5.第一方面，本发明的实施例提供了一种gan垂直mosfet器件，所述mosfet器件包括：gan外延层、gan衬底和电流扩展层；
6.所述电流扩展层位于所述gan外延层及gan衬底之间。
7.可选地，所述电流扩展层的材料为金属。
8.可选地，所述电流扩展层包括：
9.依次配置的，
10.第一金属层，配置于所述gan外延层朝向gan衬底的一侧表面；
11.第二金属层,材料包括in，配置于所述第一金属层表面；
12.第三金属层，配置于所述第二金属层与所述gan衬底之间。
13.可选地，所述第一金属层材料包括au、ag、ti、ni、cu；所述第三金属层材料包括au、ag、ti、ni、cu。
14.可选地，所述第一金属层厚度为200纳米～2微米，第二金属层厚度为500纳米～2微米，第三金属层厚度为200纳米～2微米。
15.可选地，所述电流扩展层由石墨烯制成。
16.第二方面，本发明的实施例提供了一种gan垂直mosfet器件的制作方法，所述制作方法包括：
17.在第一衬底生长预设厚度的gan外延层；
18.在所述gan外延层表面制作第一金属层，在所述第一金属层的表面制作第二金属层；其中，所述第二金属层由in制成；
19.在第二衬底g的正面制作第三金属层；其中，所述第二衬底为gan衬底；
20.将所述第三金属层及第二金属层合到一起；
21.将第一衬底剥离得到晶圆片；
22.基于所述晶圆片采用光刻、离子注入、退火、刻蚀、淀积工艺制作相应的垂直结构的mosfet器件。
23.可选地，所述第一金属层由au、ag、ti、ni、cu任意一种制成；所述第三金属层由au、ag、ti、ni、cu任意一种制成。
24.可选地，所述第一金属层、第二金属层及第三金属层厚度呈预设比例配置。
25.可选地，通过键合的方法，将所述第一金属层、第二金属层及第三金属层依次键合到一起。
26.有益效果
27.本发明提供了提供了一种gan垂直mosfet器件，所述mosfet器件包括：gan外延层及gan衬底，所述gan外延层及gan衬底之间配置有电流扩展层，利用金属对电流的良好的导电能力，在外延层下方插入，将jfet区流出的电流横向扩散到整个漂移区，从而将电流均匀扩展到整个芯片上，拓宽了导电路径。
28.应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
29.结合附图并参考以下详细说明，本发明各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。
30.图1示出了本发明的实施例的一种gan垂直mosfet器件的结构示意图；
31.图2示出了本发明实施例的另一种gan垂直mosfet器件的结构示意图；
32.图3示出了本发明实施例的另一种gan垂直mosfet器件的电流导向示意图；
33.图4示出了本发明实施例的一种gan垂直mosfet器件制作方法中gan外延片的结构示意图；
34.图5示出了本发明实施例的一种gan垂直mosfet器件制作方法中在外延片表面制作第一金属层及第二金属层的结构示意图；
35.图6示出了本发明实施例的一种gan垂直mosfet器件制作方法中制作金属的gan衬底片的结构示意图；
36.图7示出了本发明实施例的一种gan垂直mosfet器件制作方法中制作金属的gan衬底片的结构示意图；
37.图8示出了本发明实施例的一种gan垂直mosfet器件制作方法中经过键合工艺后晶圆片状态示意图。
具体实施方式
38.为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。
39.下面以具体的实施例对本发明进行说明，需要说明的是，本技术实施例描述的仅仅是为了更加清楚的说明本技术实施例的技术方案，并不构成对本技术实施例提供的技术方案的限定。需要说明的是，说明书附图中所绘示的结构、比例、大小等，仅用于配合说明书所记载的内容，以供本领域技术人员的了解与阅读，并非用以限定本公开可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本公开所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本公开所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“第一”、“第二”及“一”等用语，也仅为便于叙述的明了，而非用以限定本公开可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，应当也视为本公开可实施的范畴。
40.实施例一：
41.图1示出了本发明的实施例的一种gan垂直mosfet器件的结构示意图；参见图1，所述mosfet器件包括：
42.gan外延层及gan衬底，所述gan外延层及gan衬底之间配置有电流扩展层。
43.gan和sic材料相比具有更大的禁带宽度(导带底与价带顶之间的能量差即称为禁带宽度)，更高的电子饱和速度等优点，本实施例的gan垂直mosfet器件，当mosfet处于开始状态时，电流会从源极通过沟道流出，然后经过外延层向下传导，由于金属的导电率远大于半导体材料，因此在经过本结构的电流扩展层将电流均匀扩展到整个芯片上，再继续向衬底传输，充分利用衬底的导电截面，降低电阻。
44.需要说明的是，电流扩展层可以由导电性较好的金属制成，也可以由石墨烯制成，通过电流扩展层将电流均匀扩展到衬底上，充分利用衬底材料的导电性能，从而拓宽电流路径，减小电阻。
45.实施例二：
46.图2示出了本发明实施例的另一种gan垂直mosfet器件的结构示意图；参见图2，本实施例与实施例一的不同之处在于，电流扩展层的配置方式；
47.具体地，电流扩展层包括，
48.依次配置的，
49.第一金属层，配置于所述gan外延层表面；
50.第二金属层,所述第二金属层由in制成，配置于所述第一金属层表面；
51.第三金属层，配置于所述第二金属层与所述gan衬底之间。
52.需要说明的是，基于导电性，所述第一金属层可以由au、ag、ti、ni、cu任意一种制成；所述第三金属层可以由au、ag、ti、ni、cu任意一种制成。进一步地考虑到各个金属层间在键合时的粘附性，作为优选，第一金属层、第三金属层由au制成；第二金属层由in制成是因为in作为一种软金属粘附力较强且具有一定的稳定性，所述第一金属层、第二金属层及第三金属层进行键合时，第二金属层对第一金属层、第三金属层具有较强的粘附作用。
53.图3示出了本发明实施例的另一种gan垂直mosfet器件的电流导向示意图；如图3所示，当mosfet处于使用状态时，电流会从源极通过沟道流出，然后经过外延层向下传导，因为金属层的导电率远大于半导体材料，因此在经过本结构的金属扩展层将电流均匀扩展到整个芯片上，再继续向衬底传输。充分利用衬底的导电截面，降低电阻。
54.实施例三：
55.本实施例与实施例二的不同之处在于，电流扩展层中金属层的厚度的限制，所述第一金属层、第二金属层及第三金属层厚度呈预设比例配置；因为金属层过厚会提升成本，金属层太薄加压时容易出现断裂；第一金属层、第二金属层及第三金属层厚度呈预设比例配置，例如，第一金属层厚度为200纳米～2微米，第二金属层为500纳米～2微米，第三金属层厚度为200纳米～2微米。
56.实施例四：
57.本实施例提供了一种gan垂直mosfet器件的制作方法，所述制作方法包括：
58.在第一衬底生长预设厚度的gan外延层；
59.在所述gan外延层表面制作第一金属层，在所述第一金属层的表面制作第二金属层；其中，所述第二金属层由in制成；
60.在第二衬底g的正面制作第三金属层；其中，所述第二衬底为gan衬底；
61.将所述第三金属层及第二金属层合到一起；
62.将第一衬底剥离得到晶圆片；
63.基于所述晶圆片采用光刻、离子注入、退火、刻蚀、淀积工艺制作相应的垂直结构的mosfet器件。
64.需要说明的是，第一衬底例如可以为硅、碳化硅、氮化镓衬底中的一种，所述第二衬底为氮化镓；第一金属层由au、ag、ti、ni、cu任意一种制成；所述第三金属层由au、ag、ti、ni、cu任意一种制成；所述第一金属层、第二金属层及第三金属层厚度呈预设比例配置，例如，第一金属层厚度为200纳米～2微米，第二金属层为500纳米～2微米，第三金属层厚度为200纳米～2微米；通过键合的方法，将所述第一金属层、第二金属层及第三金属层依次键合到一起，所述键合温度为160℃～260℃。
65.实施例五：
66.下面以一较优的实施例对一种gan垂直mosfet器件的制作方法做出说明：
67.本实施例以第一衬底为硅基衬底为例，制作方法具体包括：
68.如图4所示，在硅基衬底生长预设厚度的gan外延层；厚度满足gan耐压要求；例如，可以采用mocvd的方式，生长一定掺杂浓度和厚度gan层。mocvd是以ⅲ族、ⅱ族元素的有机化合物和v、ⅵ族元素的硅基衬底作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延；
69.如图5所示，通过蒸发在外延片表面制作金属层au-in，在所述外延层表面制作第一金属层au，在所述第一金属层au的表面制作第二金属层in；具体可采用金属蒸发的方式制作金属层au-in膜；
70.如图6所示，在gan衬底的正面制作第三金属层au；具体可采用金属蒸发的方式制作au膜；
71.如图7所示，通过键合的方法将所述第三金属层及第二金属层键合到一起；述键合温度为160℃～260℃；
72.如图8所示，使用硅腐蚀液，将原硅衬底腐蚀干净，露出整洁的gan外延层，得到晶圆片；
73.如图2所示，基于所述晶圆片采用光刻、离子注入、退火、刻蚀、淀积工艺制作相应的垂直结构的mosfet器件。
74.本实施例的gan垂直mosfet器件，当mosfet处于开始状态时，电流会从源极通过沟道流出，然后经过外延层向下传导，由于金属的导电率远大于半导体材料，因此在经过本结构的电流扩展层将电流均匀扩展到整个芯片上，再继续向衬底传输，充分利用衬底的导电截面，降低电阻。
75.以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。