[发明专利]一种选择区域凹槽栅GaN电流孔径垂直结构晶体管结构及实现方法

说明书

本发明公开了一种选择区域凹槽栅GaN电流孔径垂直结构晶体管结构及实现方法，本发明属于微电子技术领域，涉及氮化镓垂直结构电力电子器件制作。所述结构包括漏极金属、GaN自支撑衬底、漂移区、P型GaN、非故意掺杂GaN、AlGaN势垒、栅介质、栅极和源极金属。在衬底上生长漂移区，P型GaN，并在P型GaN上形成电流孔径结构、再生长非故意掺杂GaN和AlGaN势垒层，去除电流孔径周围AlGaN势垒层，淀积栅介质，源极、栅极和漏极金属。本发明去除AlGaN势垒层，形成增强型沟道，避免了对电流孔径上方区域的损伤，栅漏电得到有效控制，同时提高了器件的阈值电压，拓展了GaN电流孔径垂直结构晶体管的应用范围。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及氮化镓垂直结构电力电子器件制作。

背景技术

GaN材料由于其击穿电场强、迁移率高以及AlGaN/GaN异质结界面处高浓度的二维电子气而被视为功率器件领域重要替代材料。GaN材料有望进一步降低器件的静态损耗和开关损耗，从而进一步提高系统效率。

近年来，随着GaN在光电领域的发展，GaN自支撑衬底的成本不断降低，质量不断提高，这为GaN垂直结构器件的发展提供了有利的条件。同时，GaN材料生长技术不断发展，不论是同质外延还是异质外延，生长的GaN晶体背景载流子浓度和位错密度很低，迁移率较高，能完全满足GaN垂直结构器件发展的需求。

GaN垂直结构器件由于其特有的材料特性，电流输出能力和耐压能力很强，而且其受表面态的影响较小，因此适于新型功率系统对于功率开关器件的需求。

目前，GaN垂直结构三极管主要分为两类。一种是槽型金属氧化物半导体晶体管(Trench MOSFET)，在GaN领域，Mg掺杂的激活率很低，导致实现P型GaN要掺杂大量Mg，导致MOSFET的沟道迁移率很低，另一方面，刻蚀栅槽降低了器件的击穿电压；另一种是电流孔径垂直结构晶体管(CAVET)，这种结构利用背势垒实现器件的关断，同时利用AlGaN/GaN异质结界面处高浓度的二维电子气降低导通电阻，这种结构的缺点是增强型实现困难，而增强型器件有利于减小功率系统电路复杂度以及具有失效保护机制。为实现增强型，采用P型栅技术，可以耗尽栅下方的二维电子气，但是P型栅构成的pn结其开启电压限制了栅极摆幅，在实用中往往需要较大的栅极摆幅以屏蔽电路串扰从而提高系统的容错能力，因此实现高阈值电压的CAVET增强型结构在实际应用中意义重大。

发明内容

本发明为了提高电流孔径垂直结构晶体管的阈值电压，在传统电流孔径垂直结构晶体管结构的基础上，进行选择性栅刻蚀，去除部分栅极下方的AlGaN，以形成增强型沟道，只有在栅极施加一定的正电压以后，栅极下方积累电子，形成沟道，器件导通。

本发明的技术思路如下：传统电流孔径垂直结构晶体管结构中，P-GaN背势垒耗尽部分二维电子气，P-GaN上生长了一层非故意掺杂的GaN，GaN之上生长了一层AlGaN，利用AlGaN和GaN之间的极化诱导出高浓度的二维电子气，为防止P型GaN中Mg扩散到AlGaN/GaN界面，非故意掺杂的GaN有一定厚度，因此P型GaN距离二维电子气沟道有一段距离，耗尽二维电子气的作用有限，即使可以排除Mg扩散的影响，P-GaN与AlGaN/GaN界面的距离较近时，耗尽效果明显，器件导通电阻急剧上升，CAVET失去其特有的结构优势。在不影响器件导通电阻的基础上，本发明通过选择性刻蚀部分栅极下方的AlGaN，形成局部的增强型沟道，从而提高阈值电压。

依据上述技术思路，为了提高电流孔径垂直结构晶体管阈值电压，一种选择区域凹槽栅GaN电流孔径垂直结构晶体管结构及实现方法，所述结构包括GaN自支撑衬底、n^-漂移区、P型GaN、电流孔径、再生长的非故意掺杂的GaN、AlGaN势垒层、栅介质层、栅极金属和源极金属。

在GaN自支撑衬底上生长近本征的高阻n型GaN，之后生长背势垒P型GaN，然后对P型GaN进行选择性刻蚀，直至露出n型GaN表面，从而形成电流孔径。