[发明专利]一种垂直结构高电子迁移率晶体管结构及其制造方法

说明书

本发明属于半导体技术领域，特指一种垂直结构高电子迁移率晶体管结构及其制造方法。所述晶体管结构自下而上依次包括：漏极电极、基板、键合金属层、漏极欧姆接触金属层、高阻层、位错调控结构、GaN沟道层、AlGaN势垒层、P型层、钝化层、源极电极和栅极电极，在栅极电极正下方的高阻层内设有垂直导电通道，使漏极欧姆接触金属层与GaN沟道层联通，所述位错调控结构在位错线附近形成对其余区域的相对高阻，从而使AlGaN/GaN HEMT器件在承受高电压的状态下，漏电流不从位错线处大量通过，而是被均匀分配到整个HEMT器件截面内，使得击穿性能向GaN理论击穿强度靠近，提升AlGaN/GaN HEMT器件的击穿电压。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特指一种垂直结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构及其制造方法。

背景技术

相比于第一、二代半导体材料，第三代半导体材料GaN材料具有禁带宽度大、击穿场强高、电子迁移率大、抗辐射能力强等优点，GaN基高电子迁移率晶体管无线通信基站、雷达、汽车电子等高频大功率领域具有极大的发展潜力。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(AlGaN/GaN HEMT)结构的出现是基于1975年T.Mimura等人(GaAs MOSFET for low-powerhigh-speed logic applications,37th Device Research Conference,University ofColorado,Boulder,CO,1979)以及1994年M.A.Khan等人(High electron mobilitytransistor based on a GaN/AlxGa1-xN heterojunction,Applied Physics Letters,65(1994):1121-1123)所描述的现象：在AlGaN和GaN异质结构界面区域显示出异常高的电子迁移率。

自GaN HEMT问世以来，击穿电压提升一直是难点之一。GaN HEMT源极和漏极之间的击穿电压由如下几个因素决定：GaN的击穿场强，器件的结构设计，异质结构的特性，栅极、源极和漏极上方的绝缘层设计，以及基底材料特性等。常见的几种击穿方式有:(1)源漏击穿，(2)栅漏击穿，(3)垂直击穿等。在器件结构方面，背势垒双异质结可以有效地抑制缓冲层漏电和短沟道效应，从而提高HEMT器件的击穿电压，采用场板调制电场也是提高HEMT器件击穿电压的重要手段，另外采用氧化铝或者氮化硅等作为栅绝缘层或者表面钝化层也可显著改善击穿特性。在沟道GaN层之前引入一层高阻GaN层也是提升击穿电压的常用方法，通常在GaN中掺入Fe、C等杂质元素来实现高阻。垂直GaN HEMT比横向GaN HEMT具有更高的击穿电压，成为高压HEMT的重要发展方向。经过近些年持续不断的技术进步，使得GaN基HEMT的击穿特性显著提升，然而目前商用1000V以上的功率器件仍然以SiC器件为主，GaN器件仍不能很好的满足高压高功率需求。这一事实与理论预测的击穿特性相矛盾。根据理论计算，GaN在导通电阻相同的情况下，比SiC具有更高的击穿电压。当器件结构经过很好的优化后，GaN基HEMT器件的击穿电压仍然远低于理论极限的重要原因来自于GaN材料的高位错密度。目前SiC的位错密度已经到了10²/cm²量级，而GaN由于采用异质外延，位错密度高达10⁸/cm²量级，即使采用价格极其高昂的GaN衬底，位错密度也达到10⁵/cm²量级，仍远高于SiC的位错密度。

和水平结构AlGaN/GaN HEMT器件承受高电压时电场主要集中在水平方向的源漏之间以及栅漏之间不同，当给一个垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件承受高电压时，其电场主要集中在垂直方向，此时电流的方向和GaN内部的位错线方向一致。高密度的位错线处成为电场集中和漏电的主要通道而容易使AlGaN/GaN HEMT器件击穿，使AlGaN/GaN HEMT特性远低于理论值。可见，高位错密度带来的不利影响是现有垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件击穿特性远低于理论水平的问题所在。

发明内容