集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管及其制造方法

1.本发明涉及第三代宽禁带半导体器件领域，具体涉及一种大阈值电压的常闭型高电子迁移率晶体管及其制备方法。


背景技术：

2.随着半导体行业的飞速发展，涌现了一代又一代的半导体材料。在20世纪50年代，以硅和锗为代表的第一代半导体器件得到了广泛的应用；到20世纪90年代第二代半导体材料应运而生，砷化镓、磷化铟等材料不断的向传统硅材料提出挑战；但由于其价格昂贵，且具有毒性对环境有一定的污染，所以第三代半导体材料碳化硅、氮化镓(gan)自出现以来就具有很高的关注度。
3.近年来，人们对gan材料进行了大量的研究。gan材料是一种新型的复合半导体材料，具有许多优异性能，例如宽禁带、高临界击穿电场、低导通电阻、高电子饱和速度、导热性良好等。由于gan的优异特性，铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管(algan/gan high-electron mobility transistor,algan/gan hemt)在多个领域有巨大的应用前景，成为了近二十年一个新的研究热点领域。algan/gan界面的压电极化效应和gan层、algan层的自发极化效应，使algan/gan界面处形成了高浓度(＞10
13
cm-2
)和高迁移率(＞2000cm2/vs)的二维电子气(2deg)，从而使algan/gan hemt器件可以同时具备高击穿电压和较低的导通电阻。但常规algan/gan hemt结构由于在栅极下方的沟道中存在大量的2deg，其在不加栅压下呈导通状态，虽然可以用于低压和高频的环境中，但在电子电力应用中，基于安全的原因和需要简化驱动电路，常闭型hemts的实现是必要的。
4.目前，常闭型algan/gan hemts的实现方法主要有p-gan覆盖层、薄势垒层、槽栅结构、氟离子注入等技术。如今最受欢迎的方法是采用p-gan覆盖层，这样在无外加栅压的情况下，algan势垒层能带也会被抬高，当势垒层与沟道接触时，覆盖层下方的gan沟道层中的导带会被抬高至费米能级之上，该区域的2deg沟道耗尽，从而器件实现常闭状态。当有外加栅偏压时，p-gan覆盖层被耗尽分担了一部分外加的栅电压，从而使器件能承受较高的栅电压而不至于栅电流过大。然而，报道的具有p-gan覆盖层的hemt器件，其阈值电压(v
th
)仍然较低，无法满足实际应用中所需的3v以上；并且具有栅电流(ig)高、导通电阻大等缺点。因此想到使用p-gan/n-gan/p-gan三层结构来替代传统p-gan覆盖层，这三层结构与其下方的n-algan势垒层形成gan基晶闸管结构(gan thyristor)，如图2，从而可以优化hemt器件特性。
5.晶闸管是电子电力技术中传统的大功率器件，主要用于高电压和大电流的控制，使器件从关闭或者阻断的状态转换为开启或者是导通的状态，反之亦然。自20世纪50年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为实现理想器件的目标做出了不懈努力，并已取得了世人瞩目的成就。所谓晶闸管，其本质为一个能实现双稳态正反馈开关特性转换的pnpn结构的半导体器件。通常情况下，一个晶体管需要持续的基极驱动或栅极电压
才能使器件导通；而对于晶闸管，器件能保持阻断状态，直到有控制信号使其转到低阻状态，且此信号不必一直保持。
6.图3为晶闸管的基本结构示意图。其最顶层的p型区称为阳极，最底层的n型区称为阴极。若在阳极上加正电压，器件中的j2结处于反偏状态，晶闸管的阻断状态会一直维持下去，直到j2结开始进入击穿状态；若在阳极上加负电压，器件中的j1、j3结处于反偏状态，器件同样只有一个非常小的电流出现。图4为传统晶闸管的电流-电压特性曲线，图中v
p
是j2结的击穿电压，也是器件的开启电压。从图中，我们可以看到，晶闸管的开启电压较大。使用p-gan/n-gan/p-gan三层结构替代传统p-gan覆盖层后，集成gan晶闸管的常闭型hemt器件(gan-thyristor hemts)可以拥有更大的正阈值电压。当外加偏压达到阈值电压后，gan基晶闸管被开启，gan-thyristor hemts导通。此后gan基晶闸管的总电压将减小到几乎一个二极管的压降值，不仅所需的维持电压低，且在晶闸管中会产生非常大的电流，从而gan-thyristor hemts将拥有大的工作漏电流。当切断gan-thyristor hemts的栅极电压后，在hemt器件中仍有正向漏电压；在其作用下，gan基晶闸管将处于反向阻断状态，gan-thyristor hemts会被瞬间关闭，保证了使用的安全性。


技术实现要素：

7.本发明目的在于提供一种集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管及其制造方法，为提高常闭型hemts的阈值电压和工作电流提供了一种可行的解决方案，对功率开关器件的发展起到了一定的促进作用。
8.本发明采用以下技术方案：
9.一种集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管，包括衬底，成核层，铝镓氮(algan)缓冲层，氮化镓(gan)沟道，algan势垒层，p-gan1层，n-gan2层，p-gan3层，源极，漏极，栅极，钝化层；
10.所述成核层，algan缓冲层，gan沟道，algan势垒层在衬底上自下而上生长；
11.所述algan势垒层中间上方设有自下而上p-gan/n-gan/p-gan三层结构，包括p-gan1层，n-gan2层，p-gan3层；
12.所述algan势垒层两端分别设有源极和漏极；
13.所述p-gan3层上方设有栅极；
14.所述p-gan/n-gan/p-gan三层结构与源极以及漏极之间对称设有钝化层。
15.进一步的：所述algan势垒层厚度薄，为非故意掺杂的i-algan或si掺杂的n-algan材料。若为n-algan，其掺杂浓度约为10
19
cm-3
。
16.进一步的：p-gan1层中mg掺杂浓度大约10
17
～10
18
cm-3
，且该层厚度不能太大；n-gan2层中si掺杂浓度约为10
14
cm-3
，且厚度厚；p-gan3层中mg掺杂浓度约为10
19
cm-3
，且厚度较薄。
17.进一步的：所述衬底可为sic、si、gan、al2o3中的任一种；所述成核层可为gan、aln、algan中的一种；所述钝化层可为sin或al2o3或aln。
18.进一步的：所述源极和漏极与algan势垒层形成的接触为欧姆接触；栅极与p-gan3层形成的接触为肖特基接触；源极、漏极和栅极所采用的电极材料为金属ni，al，au，pt或ti中的一种或几种。
19.进一步的：所述algan势垒层与p-gan1层、n-gan2层及p-gan3层构成gan基晶闸管结构。利用gan基晶闸管结构的基本特性，可以获得正向阈值电压大、工作电流高、关闭速度快且工艺简单的常闭型hemt器件。
20.基于上述的集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管的制备方法，包括以下步骤：
21.步骤1，在衬底上通过金属有机化学气相沉积上自下而上生长成核层，algan缓冲层，gan沟道，algan势垒层，p-gan1层，n-gan2层，p-gan3层；
22.步骤2，干法刻蚀p-gan1层，n-gan2层和p-gan3层，以留出生长源极、漏极和钝化层的区域；
23.步骤3，使用等离子体增强化学气相沉积法，生成钝化层，并且对其进行干法刻蚀，以留出生长源极、漏极的区域；
24.步骤4，在algan势垒层上留出的生长源极、漏极的区域沉积金属层，构成源极与漏极的欧姆接触电极；
25.步骤5，在p-gan3层上沉积金属层，形成肖特基栅极。
26.优选的：所述生长源极、漏极的区域在algan势垒层上两端位置；所述生长钝化层的区域分别位于p-gan/n-gan/p-gan三层结构与源极、漏极之间的algan势垒层上。
27.上述集成gan晶闸管的常闭型hemt器件的原理在于：
28.使用p-gan/n-gan/p-gan三层结构替代传统p-gan覆盖层时，这三层结构可与其下方n-algan势垒层形成gan基晶闸管结构。由于gan基晶闸管的开启电压大，集成gan晶闸管的常闭型hemt器件(gan-thyristor hemts)可以拥有更大的正阈值电压。当外加偏压达到阈值电压后，gan基晶闸管被开启，gan-thyristor hemts导通。此后gan基晶闸管的总电压将减小到几乎一个二极管的压降值，其不仅所需维持电压低且会产生大电流，从而gan-thyristor hemts将拥有大的工作漏电流。当切断gan-thyristor hemts的栅极电压后，在hemt器件中仍有正向漏电压；在其作用下，gan基晶闸管将处于反向阻断状态，gan-thyristor hemts会被瞬间关闭。同时，所使用的三层结构均为gan材料，在器件制备过程中为纯氮化镓工艺，工艺简单。
29.有益效果
30.(1)本发明使用p-gan/n-gan/p-gan三层结构替代传统p-gan覆盖层，为制备常闭型hemt器件提供了另一种行之有效的方法。所使用的三层结构与其下方的n-algan势垒层形成gan基晶闸管结构，从而利用gan基晶闸管的基本特性，制备出了阈值电压更大，工作电流更高的常闭型hemt器件。
31.(2)gan-thyristor hemt器件开启后，gan基晶闸管仅需很小的电压就可维持导通，并且在晶闸管中有很大的电流产生，从而hemt器件将拥有更大的工作漏电流。
32.(3)切断gan-thyristor hemts的栅极电压后，在hemt器件中仍有正向漏电压，在其作用下，gan基晶闸管将处于反向阻断状态，gan-thyristor hemts会被瞬间关闭，保证了使用的安全性。
33.(4)由于gan基晶闸管结构为p-gan/n-gan/p-gan/n-algan层，在器件制备过程中为纯氮化镓工艺，工艺简单。
34.(5)本发明为常闭型hemt器件的研究提供了一个可行的探索思路，开辟了gan基晶
闸管在常闭型gan基hemt器件中的新应用前景。
附图说明
35.图1为本发明的集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管结构示意图。
36.图2为gan基晶闸管的结构示意图。
37.图3为传统pnpn晶闸管的结构示意图。
38.图4为传统pnpn晶闸管的电流-电压特性曲线。
39.图5为本发明的集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管的转移特性曲线示意图。
40.图6为本发明的集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管的输出特性曲线示意图。
具体实施方式
41.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
42.实施例1
43.见图1，本实施例的一种集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管，包括sic衬底1，且在sic衬底1上自下而上生长aln成核层2，algan缓冲层3，gan沟道4，i-algan势垒层5；所述i-algan势垒层5两端分别设有源极9和漏极10，中间设有自下而上的p-gan/n-gan/p-gan三层结构、栅极11；所述p-gan/n-gan/p-gan三层结构与源极9以及漏极10之间对称设有sin钝化层12。
44.所述p-gan/n-gan/p-gan三层结构包括p-gan1层6，n-gan2层7，p-gan3层8。
45.所述i-algan势垒层5与p-gan1层6、n-gan2层7及p-gan3层8构成gan基晶闸管结构。利用gan基晶闸管结构的基本特性，可以获得正向阈值电压大、工作电流高、关闭速度快且工艺简单的常闭型hemt器件。
46.本实施例一种集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管的制作方法，包括以下步骤：
47.步骤1，准备2μm厚的sic衬底1(可自制或购买商用的sic)，将sic衬底1放入金属有机化学气相沉积系统的反应室中，并在h2和nh3的气氛中进行约970℃左右的退火。
48.步骤2，在sic衬底1上，使用al源、ga源、n源、si源，氢气(h2)和氮气(n2)为载气。通过金属有机化学气相沉积自下而上分别生长5nm厚的aln成核层2、1.25μm厚的algan缓冲层3、0.2μm厚的mg掺杂为1e16 cm-3
的gan沟道4、14nm厚的i-algan势垒层5、30nm厚的mg掺杂为5e17 cm-3
的p-gan1层6、60nm厚的si掺杂为1e14 cm-3
的n-gan2层7、35nm厚的mg掺杂为1e19 cm-3
的p-gan3层8。
49.步骤3，使用反应离子刻蚀技术，干法刻蚀p-gan1层，n-gan2层和p-gan3层；以留出生长源极、漏极和钝化层的区域。
50.步骤4，通过等离子体增强化学气相沉积法，利用sih4和n2作为化学反应源，选用200w的射频功率、350℃的生长温度、18nm/min的沉积速率生长130nm厚的si3n4钝化层12。
51.步骤5，使用反应离子刻蚀技术，干法刻蚀si3n4钝化层12，以留出生长源极9、漏极
10的区域。
52.步骤6，使用磁控溅射镀膜机在i-algan势垒层5表面沉积ti/al/ti/au多层金属结构，经过剥离和在n2氛围下870℃退火50s，形成欧姆接触的源极9和漏极10。其厚度为11/70/30/25nm。
53.步骤7，使用磁控溅射镀膜机溅射ni/au金属，经剥离工艺生长出厚度为5/30nm的肖特基栅极11，然后经过700-900℃的高温退火。
54.所述步骤1中，使用sic衬底，是因为gan材料的许多关键物理特性均与sic材料相近，且sic材料具有高电阻率和热导率，十分适用于大功率器件。
55.所述步骤6中，在源极9和漏极10中，第一层ti与扩散到界面的al、gan或algan反应生成含有ti，al，ga和n的多元产物，在半导体材料表面层中形成n空位，相当于n型重掺杂；第二层的ti是起扩散阻挡层的作用，阻止au向下扩散，减少au和al之间的反应。最外面一层au是为了防止ti和al被氧化，提高欧姆接触的热稳定性。
56.在所述步骤7中，选用ni作为制备肖特基栅的金属是因为其功函数与algan材料功函数相差较大，且ni的粘附性好。au的引入是为了防止金属氧化，同时降低栅电阻。
57.本实施例的一种集成氮化镓晶闸管的常闭型高电子迁移率晶体管的原理在于：
58.使用p-gan/n-gan/p-gan三层结构(p-gan1层6、n-gan2层7及p-gan3层8)替代传统p-gan覆盖层时，这三层结构可与其下方n-algan势垒层形成gan基晶闸管结构。由于gan基晶闸管的开启电压大，集成gan晶闸管的常闭型hemt器件(gan-thyristor hemts)可以拥有更大的正阈值电压，据估算，器件此时的阈值电压可达到5v以上(如图5)。当外加偏压达到阈值电压后，gan基晶闸管被开启，gan-thyristor hemts导通。此后gan基晶闸管的总电压将减小到几乎一个二极管的压降值，其不仅所需维持电压低且会产生大电流，从而gan-thyristor hemts将拥有大的工作漏电流(如图6)。当切断gan-thyristor hemts的栅极电压后，在hemt器件中仍有正向漏电压；在其作用下，gan基晶闸管将处于反向阻断状态，gan-thyristor hemts会被瞬间关闭。同时，所使用的三层结构均为gan材料，在器件制备过程中为纯氮化镓工艺，工艺简单。倘若继续优化p-gan/n-gan/p-gan三层结构的掺杂和工艺等参数，器件的关键性能指标还可以继续提高。
59.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。