CN109346407A - 氮化镓hemt的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于制造方法，具体涉及一种氮化镓HEMT的制造方法。一种氮化镓HEMT的制造方法，其中，在氮化镓基板上,电子移动层和电子供给层AlXGa1‑XN(0<x≦1)和该电子供给层上,按顺序依次设置源极、漏极、栅极,并组成横向排列。以此为特征的化合物半导体装置。本发明的显著效果是：通过应用本发明中的工艺,在AlXGa1‑XN电子供给层上设置电极,顺序依次为源极、漏极、栅极,且为横向排列。可以得到稳定的电流—电压特性。同时,可以提高原件的耐压值。本发明在提高GaN系化合物半导体装置的ON耐压的同时,还改善了I—V特性。
Description
技术领域
本发明属于制造方法，具体涉及一种氮化镓HEMT的制造方法，该氮化镓 HEMT的制造方法可以提高使用氮化物化合物半导体制造的高电子迁移率晶体管(HEMT)的稳定性。
背景技术
一般来说,当我们提到半导体时,给人留下最深映象的多为经微加工工艺制造的大规模集成电路(LSI),为了让LSI按照设想实现功能,必须按照所需供给一定的电压、电流。因此，可以提供该电压、电流的电源必不可少。为了实现“按照所需的形式供给电力”,半导体在其中扮演着重要的角色。从控制电力(能源) 这层意义上看,在其中起到核心作用的半导体部件被称为电力半导体模块或电力半导体也就不足为奇了。
近年,使用碳化硅(SiC)材料制作的电力半导体模块被投入市场,并被认为是次时代的电力半导体模块而备受期待。另外,氮化镓(GaN)电力转换用晶体三极管又因其更高速的开关速度,可以实现迄今为止从未有过的电力应用场景。相关课题也在进一步研讨中。
另一方面,随着蓝光二极管(LED)和激光二极管技术的不断进步发展,因为优质的氮化镓基板已经在市面上实现销售,虽然以前往的电力半导体模块是以在异种基板上形成的原件为主体,但可以预见的是,GaN电力半导体模块将超越硅材料(Si)、碳化硅材料原件,从而实现大容量半导体模块的制造。
电力半导体模块的应用场合可以大致分为以下三大块:1、30％使用在面向 PC(个人计算机)及PC周边设备中。2、15％使用在面向数码家电、车载电子设备中。3、30％使用在面向生活家电、家务家电以及工业、通信领域。在电力半导体模块的世界中,甚至可以说有多少种电源,就有多少种电力半导体模块。为了能够顺应市场需求,充实各种应用电路、易用的封装部件、复合部件以及恒压·恒流的实现等,我们有必要储备涉及多个技术分支的技术力量。
现在,在电力半导体模块领域中扮演主角的是Si材料。同样的,在以Si为主角构建的LSI世界中,当作为基本原件的晶体管的尺寸缩小至1/k时,同时也需要将电压缩小至1/k,顺应该低电力化要求,并随着微加工技术的进化,已经逐步实现了高速开关和大规模的集成化。
在电力半导体模块领域中,微细加工技术被认为已经落后数年之久,获得更好的触发电压极限(耐压)和对模电性能的改善越来越有必要。但是,通过微细加工技术可以实现的性能方面的改善被局限在耐压范围为100V以下的低耐压领域。而在需求超过100V耐压值的领域中,单纯地引入微细加工技术是不能对性能实现改善的。这是因为作为半导体重要特性的低ON抵抗和栅极电量和耐压之间，一般来说存在此消彼长的关系。
作为解决之这一难题的手段,我们可以考虑通过变更材料来实现性能的提升,这就诞生了使用如SiC和GaN这样的宽禁带(WideBandGap)材料半导体制造而成的电力半导体模块。宽禁带材料的最大特征是:击穿电场强度高。利用这一特性,即便采用和Si相同的原件结构,也可以实现耐压值的提高。
GaN材料和Si及SiC材料制造的原件的不同点体现在原件本身的基本“形制”上。晶体管中有源极、漏极以及栅极三个电极,而Si和SiC电力半导体模块则采用了被称为“纵型”的构造。而采用“横型”构造则是希望将存在于 AlGaN/GaN界面的二维电子气(2DEG)作为电流的通路使用。
另外,氮化镓是一种自带电极性(自然分极)的结晶,且在结晶上施加压力后, 又会产生新的电极性(歪分极),所以又是一种压电材料。在面向产业化应用的研究中,基本采取的都是这种横型构造的结构。
AlGaN和GaN虽然存在天然的极性差异,但是因为晶格常数的不同,当用 AlGaN和GaN构建异构体时,为了使晶格常数吻合,就会产生结晶的扭曲,从而产生歪分极。因为这种非刻意使然的扭曲的发生,氮化镓的能带会朝着AlGa向下方自然弯曲,在该弯曲部位产生2DEG。因为该2DEG拥有很高的电子移动速度,从而让实现极快的开关速度成为可能。
在蓝宝石、砷化镓(GaAs)、SiC、Si基板上形成的含有AlGaN层/GaN层的 HEMT。举例说明，如日本专利申请第4663156号中记载的那种。此种情形中,HEMT 虽然也会发挥作用,但是因为GaN层间的晶格常数和热膨胀系数的不同导致界面产生扭曲,在扭曲产生的压力作用下,会导致密度为1×109cm-2～1×1010cm-2的穿透位错,导致缺陷的增值,其后形成的AlGaN层将会继承作为下衬的GaN层的状态。这样容易导致漏电的发生和耐压降低,最终明显降低成品原件的性能。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供一种氮化镓HEMT的制造方法。
本发明是这样实现的：一种氮化镓HEMT的制造方法，其中，在氮化镓基板上,电子移动层和电子供给层AlXGa1-XN(0<x≦1)和该电子供给层上,按顺序依次设置源极、漏极、栅极,并组成横向排列。以此为特征的化合物半导体装置。
如上所述的一种氮化镓HEMT的制造方法，其中，在所述的电子移动层中, 作为杂质,至少含有从C、Fe、Cr、V组成的群中选择的至少一种原子。
如上所述的一种氮化镓HEMT的制造方法，其中，在所述的电子供给层,作为杂质,至少含有从O、Si组成的群中选择的至少一种原子。
如上所述的一种氮化镓HEMT的制造方法，其中，在所述的源极、漏极以及栅极之间包覆着一层氮化硅膜。
本发明的显著效果是：通过应用本发明中的工艺,在AlXGa1-XN电子供给层上设置电极,顺序依次为源极、漏极、栅极,且为横向排列。可以得到稳定的电流—电压特性。同时,可以提高原件的耐压值。本发明在提高GaN系化合物半导体装置的ON耐压的同时,还改善了I—V特性。
附图说明
图1为本发明中的原理构成的示意图。
图2为作为本法明实施形态的一个例子的HEMT的截面图。
图3为作为本法明实施形态的一个例子的HEMT的I—V特性。
图中：1.基板、2.电子移动层、3.电子供给层、4.绝缘膜、5.源极、6.漏极、7.栅极、11.GaN基板、12.i型GaN电子移动层、13.n型Al0.25Ga0.75N 电子供给层、14.SiN膜、15.由Ti/Au构成的源极、16.由Ti/Au构成的漏极、 17.由Ni/Au构成的栅极、18.二维电子气(2DEG)。
具体实施方式
图1展示了该发明的原理构成。下面参照图1来说明为了解决本发明中的课题而采取的手段。
在本发明中,先准备一块GaN基板1,在该GaN基板1上构建GaN电子移动层2,在该电子移动层2上构建AlxGa1-xN(0<x≦1)电子供给层3,在该电子供给层3上配置源极5、漏极6以及栅极7。以上为该发明的特征。
这样一来,电子供给层3上的三个电极按照源极5、漏极6、栅极7的顺序依次配置,压电电荷抬高能带,隧道电流减小,从而实现肖特基特性的提升。界面附近产生的空穴相互抵消,又因为可以排除铝(Al)导致的表面陷阱的影响,从而能够获得稳定的I—V特性。
尤其是通过设置SiN膜4,可以将界面附近诱发的空穴进一步驱赶至内部, 由此可以防止滞后现象的产生,并同时可以将被压电电荷抬高的界面电位拉低下来。这样一来,费米能级相对被抬高,从而增大了电流的密度。
下面参照图2所示,说明一下本发明的第一实施形态中的GaN系HEMT。在以 Ga面为主面的GaN基板11上,利用通常的HVPE法,例如制造一个厚度为3μm 的i型GaN电子移动层12。在该层上依次堆积厚度为25nm,Si掺杂浓度为2× 1018cm-3的n型Al0.25Ga0.75N电子供给层13。接着,用CVD法在整个表面堆积厚度为 20nm的SiN膜14。在构建栅极的部位设置开口部,在开口部构建由Ni/Au组成的栅极17。同时为源极和漏极设置开口部。在开口部构建由Ti/Au组成的源极15 和漏极16。以上构造制造完成后,便完成了在AlGaN电子供给层13和GaN电子移动层12界面18上形成2DEG,并以该2DEG为电流通路的GaN系HEMT的基本构造。
i型GaN电子移动层12虽然掺杂了碳(C),但也可以从由铁(Fe)、铬(Cr)、钒 (V)组成的群中选择至少包含其中一种元素进行掺杂。另外,n型Al0.25Ga0.75N电子供给层13虽然选用Si进行掺杂,但也可以选用氧(O)掺杂。
图2展示的是一个单体HEMT的示意图,但进行集成化的时候,可以通过注入离子或使用台面型晶体管蚀刻法来实现原件的分离。图3是本发明中GaN—HEMT 的电流—电压特性。可以看出其具有优良的电力晶体管特性。
上面对本发明的具体实施形态进行了说明。但本发明的实施形态并不局限于上文记述的构成和条件。可以有各种不同的变化。例如,上文提及的电子供给层是由Al0.25Ga0.75N层构成的,其中Al的后缀x并未限定为0.25,只要取值范围在0.10～0.40之间,都能获得满意的效果。
另外,在该实施形态中,电子供给层是由n型AlGaN层构成的,但并不一定非要使用Si掺杂层。因为GaN系HEMT的运作原理为:由结晶构造引起分极,由分极产生压电电荷,该压电电荷诱发二维电子气,所以也可以选择使用未掺杂层。
另外,在上述实施形态中,电子移动层是由AlGaN层构成,保护层是由GaN 层构成。但并不一定非要使用这种构成方法。可以选择在电子流动层、电子供给层中的至少一方或双方添加In。例如当在电子移动层中添加In后得到InGa时, 可以提高电子的移动速度。而在保护层中添加In后得到InGa时,则可以减小禁带宽度(Bandgap),此时比起使用GaN层,电子供给层和电子移动层的界面电位可以进一步被拉低。
另外,在上述实施形态中,对n通道型HEMT进行了说明。当然,该方案同样也适用于p通道型HEMT。在制造p通道型HEMT时,各层的名称则变更为GaN空穴移动层、AlXGa1-XN(0<x≦1)空穴供给层、将导电类型翻转过来即可。
Claims (4)
1.一种氮化镓HEMT的制造方法，其特征在于：在氮化镓基板上,电子移动层和电子供给层AlXGa1-XN(0<x≦1)和该电子供给层上,按顺序依次设置源极、漏极、栅极,并组成横向排列，以此为特征的化合物半导体装置。
2.如权利要求1所述的一种氮化镓HEMT的制造方法，其特征在于：在所述的电子移动层中,作为杂质,至少含有从C、Fe、Cr、V组成的群中选择的至少一种原子。
3.如权利要求2所述的一种氮化镓HEMT的制造方法，其特征在于：在所述的电子供给层,作为杂质,至少含有从O、Si组成的群中选择的至少一种原子。
4.如权利要求3所述的一种氮化镓HEMT的制造方法，其特征在于：在所述的源极、漏极以及栅极之间包覆着一层氮化硅膜。
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