一种集成MIS-HEMT器件和GaN肖特基二极管的方法及应用

一种集成mis-hemt器件和gan肖特基二极管的方法及应用
技术领域
1.本发明属于电力电子技术中功率半导体器件领域，具体涉及一种集成mis-hemt器件和 gan肖特基二极管的方法。


背景技术：

2.电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，主要是使用电力电子器件对电能进行变换 和控制的技术，其变换的功率从1w以下到gw以上。通常所拥有的电力为直流或交流电， 为了对这些电力进行应用，需要对其进行变化，包括整流、直流斩波、交流控制和逆变。在 电能转换电路中，需要用到晶体管作为开关器件实现变换功能，而在部分电路的应用中，如 dc-ac逆变器中，晶体管在实现正向导通的同时，还需要为电路提供一个低损耗的反向续流 通路，来防止由于晶体管的突然关断而引入的反向电压尖刺。如果不对该电压尖刺加以抑制， 那么瞬时的高压可能会导致器件的寿命下降，甚至引发器件击穿。相比于传统的si基电力电 子器件，gan基hemt器件拥有高击穿电压、高电子迁移率以及高转换效率等优点，但是传 统的gan器件为耗尽型器件，为了保证器件关断，通常需要设计复杂的驱动电路；另一方面， gan基hemt器件缺少内部集成的反向续流二极管，需要在外部并联一个二极管，然而，并 联的二极管会增加器件的导通电阻和芯片面积。因此，将gan基hemt器件和具有低导通 电压的二极管集成在一起至关重要。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种集成mis-hemt器件和gan肖特基二极管的方法及应用。 本发明具有正阈值电压、高转换效率、高转换速率、低开关损耗以及小体积等优点。
4.本发明提供如下技术方案：
5.一种集成gan增强型凹槽结构mis-hemt器件和gan肖特基二极管的方法，具体包括 以下步骤：
6.1)外延片准备：si衬底上通过mocvd技术生长的带有gan帽层的algan/gan异质结 结构；
7.2)采用干法刻蚀技术刻蚀mis-hemt器件栅下及二极管阳极区的gan帽层，露出algan 层，未刻蚀区域的gan帽层作为氧化腐蚀的掩膜层；
8.3)将外延片放置于620～680℃的高温氧化炉中，通入氧气氧化40～60分钟，在该温度下，gan材料无法被氧化，而algan材料则很容易被氧化，因此只有mis-hemt器件栅下及二 极管阳极未被gan帽层覆盖的区域的algan材料被完全氧化；
9.4)将氧化后的外延片放置于70～80℃的tmah或koh液体中腐蚀50～70分钟，使得 mis-hemt器件栅下及二极管阳极被氧化的algan层完全腐蚀掉，mis-hemt器件栅下形 成凹槽结构，同时二极管的阳极也形成凹槽结构，mis-hemt器件和二极管的凹槽结构在 同一工艺步骤中制作在同一宽度方向上。由于该刻蚀工艺能够自停止在gan缓冲层，因此能 够在保证不损伤界面的情况下，实现较高的正向阈值电压；除了mis-hemt器件栅以外，有 源区
部分的二维电子气得到保留，因此能够在导通时实现高的导通电流；
10.5)生长栅介质层；
11.6)在mis-hemt器件的源端和漏端区域制作欧姆接触金属，其中，漏端的欧姆接触金属 同时也是二极管的阴极金属；
12.7)通过f离子注入的手段破坏非器件部分的晶格，形成电学隔离；
13.8)对二极管阳极部分的介质层进行刻蚀，露出gan材料；
14.9)生长二极管的阳极金属，阳极金属直接接触底部的gan材料形成肖特基接触，且由于 阳极金属直接接触gan，其导通电压能够从传统algan基二极管的1.12v下降到0.6v；而 由于阳极金属在侧面和algan/gan界面的二维电子气直接接触，因此器件的正向导通电阻也 会明显下降。二极管的阳极金属同时覆盖在mis-hemt器件源极的欧姆接触上，而阴极则与 mis-hemt器件漏极共用一个电极，在步骤6中制备漏端欧姆接触金属时，二极管的阴极金 属也同时被制作得到，gan肖特基二极管与mis-hemt器件形成并联结构；
15.10)生长介质层，作为mis-hemt器件栅和二极管阳极之间的隔离层；
16.11)制作mis-hemt器件栅金属；
17.12)对金属电极进行开孔，最终完成mis-hemt器件和gan肖特基二极管的集成。
18.上述制备方法中，所述步骤5)具体为，ald生长3～5nm的aln层，lpcvd生长20～30nm 的sin层作为栅介质。
19.上述制备方法中，所述步骤6)具体为，光刻露出欧姆接触部分，采用icp刻蚀该区域 的sin介质层，并腐蚀aln层，随后电子束蒸发生长金属叠层，剥离后在欧姆接触的位置留 下金属叠层，紧接着在快速退火形成欧姆接触，所述金属叠层为ti/al/ni/au。
20.上述制备方法中，所述步骤8)具体为，光刻露出二极管阳极，而gan mis-hemt部分 则由光刻胶覆盖，采用icp刻蚀二极管阳极的sin介质层，再采用5:1boe腐蚀阳极的aln 层，使得二极管阳极的gan层裸露在外。或者，光刻露出二极管的阳极部分，而mis-hemt 部分则由光刻胶覆盖，采用icp刻蚀阳极的sin介质层，再采用5:1boe腐蚀阳极的aln层， 使得阳极的gan层裸露在外，并保留二极管阳极的凹槽边缘的介质层。
21.上述制备方法中，所述步骤9)具体为，光刻露出二极管阳极区域需要生长阳极金属的 部分，而gan mis-hemt区域仍由光刻胶保护，电子束蒸发生长阳极金属，剥离后的金属在 二极管阳极部分与gan接触形成肖特基接触，同时阳极金属覆盖在源极欧姆接触上，形成电 学接触。或者，光刻露出二极管阳极需要长金属的部分，而mis-hemt区域仍由光刻胶保护， 电子束蒸发生长阳极金属，剥离后的金属在二极管阳极部分与gan直接接触形成肖特基接触， 同时阳极金属覆盖在mis-hemt源极欧姆接触上，以及覆盖在二极管阳极的凹槽边缘的介质 层上并延伸到有源区表面的介质上，形成mis场版结构。
22.上述制备方法中，所述步骤10)具体为，ald生长20～25nm的al2o3。
23.本发明进一步提供了一种双向导电单极单向开关，其特征在于，包括gan肖特基二极管 和mis-hemt器件，mis-hemt器件和gan肖特基二极管在器件宽度方向上进行交叉设置， 形成叉指并联结构mis-hemt器件由源极、栅极和漏极组成，栅下形成凹槽结构，为gan 增强型凹槽mis-hemt器件，该器件栅下的algan层被完全刻蚀，在凹槽区域生长有介质 层，源端和漏端的金属叠层与algan材料形成欧姆接触；gan肖特基二极管由阳极和阴极 组成，二极管的阳极采用凹槽结构，阳极金属直接接触底部的gan材料形成肖特基接触，gan 肖特
基二极管的阳极和mis-hemt器件源极通过金属连接，且gan肖特基二极管与 mis-hemt器件栅极之间采用介质层隔离，gan肖特基二极管的阴极与mis-hemt器件的 漏极共用一个电极，gan肖特基二极管与mis-hemt器件形成并联结构。
24.所述gan肖特基二极管的阳极凹槽边缘的介质层未被刻蚀，gan肖特基二极管的阳极 金属除了覆盖在整个凹槽结构之上，还有部分延申到有源区，并在凹槽边缘以及有源区部分 与介质层和半导体形成mis结构。
25.本发明的技术效果：
26.1、高温氧化腐蚀工艺没有引入等离子体，因此不会在gan mis-hemt器件以及gan肖 特基二极管器件凹槽中引入损伤；
27.2、高温氧化腐蚀工艺具有自停止的特性，能够实现器件之间的高度统一性；
28.3、由于gan mis-hemt器件的凹槽和gan肖特基二极管的凹槽在同一工艺中进行，因 此没有增加工艺的复杂性；
29.4、与现有的gan基开关器件相比，该工艺能够实现具有正向阈值电压、更高正、反向 导通电流以及低反向开启电压的开关器件，实现更低的开关损耗、更小的占用面积以及更高 的转换速率。
附图说明
30.图1为本发明集成gan增强型凹槽结构mis-hemt器件和gan肖特基二极管的双向导 电单极单向开关的俯视图；
31.图2为本发明gan增强型凹槽结构mis-hemt器件部分的剖面图；
32.图3(a)为本发明gan肖特基二极管部分的剖面图；
33.图3(b)为本发明带有mis场版结构的gan肖特基二极管部分的剖面图；
34.图4为si衬底上生长的gan帽层/algan/gan外延片；
35.图5为刻蚀栅下gan帽层的过程；
36.图6为氧化腐蚀形成凹槽结构的过程；
37.图7为生长介质层的过程；
38.图8为制备欧姆接触的过程；
39.图9为离子注入形成隔离的过程；
40.图10(a)为二极管区阳极部分介质刻蚀的过程；
41.图10(b)为带场版结构的二极管区阳极部分介质刻蚀的过程；
42.图11(a)为二极管区生长阳极金属的过程；
43.图11(b)为带场版的二极管区生长阳极金属的过程；
44.图12(a)为gan mis-hemt部分生长介质层的过程；
45.图12(b)为gan肖特基二极管部分生长介质层的过程；
46.图12(c)为带场版的gan肖特基二极管部分生长介质层的过程；
47.图13(a)为gan mis-hemt部分制作栅金属的过程；
48.图13(b)为制作完栅金属后gan肖特基二极管部分的剖面图；
49.图13(c)为制作完栅金属后带场版的gan肖特基二极管部分的剖面图；
50.图中，1—硅衬底；2—氮化镓缓冲层；3—铝镓氮势垒层；4—氮化镓帽层；5—欧姆
接触 金属叠层；6—介质层1；7—介质层2；8—介质层3；9—栅金属叠层；10—阳极金属叠层。
具体实施方式
51.以下结合附图，通过具体的实施例子对本发明所述的集成gan增强型凹槽结构mis-hemt器件和gan肖特基二极管制备的双向导电单极单向开关实施方法做进一步的说 明
52.本发明集成mis-hemt和gan肖特基二极管的方法制备的双向导电单极单向开关，如 图1所示。该器件采用gan增强型凹槽mis-hemt器件，该gan增强型凹槽mis-hemt 器件和gan肖特基二极管在器件宽度方向上进行交叉设置，形成叉指并联结构。对图1器件 俯视图沿着a1-a2直线做剖面，得到如图2所示的gan增强型凹槽mis-hemt器件部分的 剖面图，该器件由源极、栅极和漏极组成，栅下形成凹槽结构，即栅下的algan层被完全刻 蚀，导致栅下无二维电子气，因此可以实现增强型的特性，同时在凹槽区域生长有介质层， 以减小栅的漏电并提高栅击穿电压，源端和漏端的金属叠层通过高温退火工艺与algan材料 形成欧姆接触；沿着图1俯视图中b1-b2方向做剖面，得到gan肖特基二极管部分的剖面图 如图3所示，该器件由阳极和阴极组成，二极管的阳极采用凹槽结构，即刻蚀阳极区域的 algan层形成凹槽，生长的阳极金属ni/au会直接接触底部的gan材料形成肖特基接触，由 于ni金属与gan之间的势垒高度低于ni金属与algan之间的势垒高度，且ni金属可以直 接接触沟道内的二维电子气，因此能够显著降低导通电压和导通电阻。其中，图3(a)为凹槽 内介质层完全刻蚀的普通二极管结构；而图3(b)则为带mis场版结构的肖特基二极管，即凹 槽边缘的介质层未被刻蚀，阳极金属除了覆盖在整个凹槽结构之上，还有部分延申到有源区， 并在凹槽边缘以及有源区部分与介质层和半导体形成mis结构的场版，该结构能够缓解阳极 边缘的高电场，并显著提升肖特基二极管的击穿电压，因而提升整个器件的击穿电压。二极 管的阳极和mis-hemt器件源极通过金属连接，且gan肖特基二极管与mis-hemt器件栅 极之间采用介质层隔离，二极管的阴极与mis-hemt器件的漏极共用一个电极，两者形成并 联结构。当mis-hemt器件栅端电压大于阈值电压，mis-hemt器件漏端电压为正时，ganmis-hemt器件开启并正向导通，为电流提供正向通路；当mis-hemt器件栅上电压为零， 且电路中存在反向电流时，gan-mishemt器件关断，而与其叉指并联的二极管正向导通， 为电路提供反向续流通路，防止因gan基mis-hemt器件突然关断而引入的电压尖刺。
53.图4到13为制备本发明集成gan增强型凹槽结构mis-hemt器件和gan肖特基二极 管的双向导电单极单向开关的主要工艺步骤.
54.具体实施例一：
55.1)外延片是si衬底上生长的带有gan帽层的algan/gan异质结结构，algan/gan外 延片的具体结构及厚度为2.5nm gan/25nm algan/420nm i-gan/4.2um buffer/1000um si，外延 层的厚度视实际工艺而定，没有严格限制，如图4所示，
56.2)首先采用干法刻蚀技术刻蚀mis-hemt器件栅下及二极管阳极区的gan帽层，露出 algan层，如图5所示，未刻蚀区域的gan帽层作为氧化腐蚀的掩膜层；
57.3)将外延片放置于620～680℃的高温退火炉中，通入氧气氧化40～60分钟，在该温度下， gan材料无法被氧化，而algan材料则很容易被氧化，因此只有mis-hemt器件栅下
及二 极管阳极露出的algan层被完全氧化；
58.4)将氧化后的外延片放置于70～80℃的tmah或koh液体中腐蚀50～70分钟，将 mis-hemt器件栅下及二极管阳极被氧化的algan层完全腐蚀掉，同时形成gan凹槽hemt 器件的栅极和gan凹槽gan肖特基二极管器件的阳极。由于只有algan层被氧化，因此腐 蚀会自停止在gan层，形成光滑的表面，如图6所示；
59.5)ald生长5nm的aln层，lpcvd生长20nm的sin层作为栅介质，如图7所示；
60.6)光刻露出欧姆接触部分，采用icp刻蚀该区域的sin介质、5:1boe腐蚀aln层，随 后电子束蒸发生长ti/al/ni/au，剥离后在欧姆接触的位置留下金属叠层，紧接着在860℃的 快速退火炉中退火33s形成欧姆接触，如图8所示；
61.7)再次光刻露出非器件部分，采用高能f离子注入破坏非器件部分的晶格，在器件之间 形成电学隔离，注入角度为7
°
，三次注入的能量和计量分别为150kev、3e14 cm-3
，80kev、 1e14 cm-3
，40kev、6e13 cm-3
，如图9所示；
62.8)第三次光刻只露出二极管的阳极部分，而gan mis-hemt部分则由光刻胶覆盖，采 用icp刻蚀阳极的sin介质层，再采用5:1boe腐蚀阳极的aln层，使得阳极的gan层裸 露在外，如图10(a)所示；
63.9)第四次光刻只露出二极管阳极需要长金属的部分，而gan mis-hemt区域仍由光刻 胶保护，电子束蒸发生长阳极金属ni/au，剥离后的金属在二极管阳极部分与gan直接接触 形成肖特基接触，由于ni金属直接与gan材料接触，二极管的正向导通电压从传统的algan 基二极管的1.12v下降到0.6v，同时阳极金属覆盖在源极欧姆接触上，形成电学接触，如图 11(a)所示；
64.10)ald生长20nm的al2o3，作为二极管阳极和mis-hemt器件栅极之间的隔离层，gan mis-hemt部分如图12(a)所示，gan肖特基二极管部分如图12(b)所示；
65.11)电子束蒸发生长ni/au，并剥离形成栅金属，gan-mishemt部分形成凹槽栅结构， 如图13(a)所示，gan肖特基二极管部分的阳极金属则和栅极金属用介质层隔离，如图13(b) 所示；
66.12)对欧姆接触电极部分的al2o3采用5:1boe开孔，最终形成本文发明所描述的叉指 型开关器件，其俯视图如图1所示，其中gan-mishemt部分如图2所示，gan肖特基二极 管部分如图3(b)所示。
67.具体实施例二：
68.1)外延片是si衬底上生长的带有gan帽层的algan/gan异质结结构，algan/gan外 延片的具体结构及厚度为2.5nm gan/25nm algan/420nm i-gan/4.2um buffer/1000um si，外延 层的厚度视实际工艺而定，没有严格限制，如图4所示，
69.2)首先采用干法刻蚀技术刻蚀mis-hemt器件栅下及二极管阳极区的gan帽层，露出 algan层，如图5所示，未刻蚀区域的gan帽层作为氧化腐蚀的掩膜层；
70.3)将外延片放置于620～680℃的高温退火炉中，通入氧气氧化40～60分钟，在该温度下， gan材料无法被氧化，而algan材料则很容易被氧化，因此只有mis-hemt器件栅下及二 极管阳极露出的algan层被完全氧化；
71.4)将氧化后的外延片放置于70～80℃的tmah或koh液体中腐蚀50～70分钟，将 mis-hemt器件栅下及二极管阳极被氧化的algan层完全腐蚀掉，同时形成gan凹槽hemt 器
件的栅极和gan凹槽gan肖特基二极管器件的阳极。由于只有algan层被氧化，因此腐 蚀会自停止在gan层，形成光滑的表面，如图6所示；
72.5)ald生长5nm的aln层，lpcvd生长20nm的sin层作为栅介质，如图7所示；
73.6)光刻露出欧姆接触部分，采用icp刻蚀该区域的sin介质、5:1boe腐蚀aln层，随 后电子束蒸发生长ti/al/ni/au，剥离后在欧姆接触的位置留下金属叠层，紧接着在860℃的 快速退火炉中退火33s形成欧姆接触，如图8所示；
74.7)再次光刻露出非器件部分，采用高能f离子注入破坏非器件部分的晶格，在器件之间 形成电学隔离，注入角度为7
°
，三次注入的能量和计量分别为150kev、3e14 cm-3
，80kev、 1e14 cm-3
，40kev、6e13 cm-3
，如图9所示；
75.8)第三次光刻只露出二极管的阳极部分，而gan mis-hemt部分则由光刻胶覆盖，采 用icp刻蚀阳极的sin介质层，再采用5:1boe腐蚀阳极的aln层，使得阳极的gan层裸 露在外，凹槽边缘部分的介质层没有被刻蚀，作为后续工艺中场版结构的重要组成部分，如 图10(b)所示；
76.9)第四次光刻只露出二极管阳极需要长金属的部分，而gan mis-hemt区域仍由光刻 胶保护，电子束蒸发生长阳极金属ni/au，剥离后的金属在二极管阳极部分与gan直接接触 形成肖特基接触，由于ni金属直接与gan材料接触，二极管的正向导通电压从传统的algan 基二极管的1.12v下降到0.6v，同时阳极金属覆盖在源极欧姆接触上，形成电学接触，阳极 金属覆盖在凹槽边缘的栅介质上并延伸到有源区表面的介质上，形成mis场版结构，该结构 能够缓和阳极边缘的高电场，是的器件的击穿电压得到提升，如图11(b)所示；
77.10)ald生长20nm的al2o3，作为二极管阳极和mis-hemt器件栅极之间的隔离层，gan mis-hemt部分如图12(a)所示，带场版的gan肖特基二极管部分如图12(c)所示；
78.11)电子束蒸发生长ni/au，并剥离形成栅金属，gan-mishemt部分形成凹槽栅结构， 如图13(a)所示，带场版的gan肖特基二极管部分的阳极金属则和栅极金属用介质层隔离， 如图13(c)所示；
79.12)对欧姆接触电极部分的al2o3采用5:1boe开孔，最终形成本文发明所描述的叉指 型开关器件，其俯视图如图1所示，其中gan-mishemt部分如图2所示，带场版的gan 肖特基二极管部分如图3(b)所示。
80.虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技 术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发 明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱 离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同 变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。