[发明专利]氮化物系场效应晶体管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高耐压性的具有大电流密度的氮化物系晶体管元件，尤其涉及一种基于横向外延过生长法(epitaxial lateral overgrowth：ELO)并具有常关(normally off)特性的氮化物系垂直型场效应晶体管(heterojunction field-effect transistor：HFET)元件。

背景技术

在功率放大电路、电源电路、马达驱动电路等中应用硅半导体的功率设备得到应用。然而由于硅半导体的局限性，硅设备的高耐压化、低电阻化以及高速化达到限度，并使适应市场需求变得困难。因此，具有高耐压、高温操作、大电流密度、高速切换以及低导通电阻之类的特性的III-V系设备的开发正在得到研究。

然而，所提出的III-V系设备是由沿着基板表面排列源极、栅极和漏极的水平型结构所构成，因此不适于需要大电流的功率设备。而且，存在不容易实现功率设备所必需的常关操作的问题。并且，存在当高电压操作时电子被俘获于半导体与保护膜之间而导致漏极电流减小的所谓电流崩塌(current collapse)现象出现的问题。而且，水平型结构的III-V系设备、尤其是GaN设备其耐压也是不足而使用为600V以下的高速响应用途。

作为具有高耐压性以及大电流密度的场效应晶体管，CAVET(Current Aperture Vertical Electron Transistor：电流孔径垂直电子晶体管)作为一种生长于GaN基板的垂直型(vertical type)场效应晶体管，还可以通过在栅极部分应用2DEG(二维电子气)和CBL(Current Blocking Layer：电流阻断层)而提高性能。然而，所述CAVET在常开设备这一点上在实用性方面存在局限性。

另外，在制作氮化镓系晶体管时，如果使用GaN基板则存在高成本引起的缺点，而如果使用蓝宝石基板，则穿透位错(Threading Dislocation：TD)的发生量较多而存在击穿电压(Breakdown Voltage：BV)较低的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高耐压、大电流密度、常关特性的垂直型的氮化物系场效应晶体管。

而且，本发明的目的在于提供一种能够用低廉的成本制作的常关特性的氮化物系场效应晶体管。

根据本发明的一个方面的氮化物系场效应晶体管，包括：源极；第一导电型的第一开关半导体层，形成于所述源极的下部；第二导电型的第二开关半导体层，形成于所述第一开关半导体层下部；所述第一导电型的第三开关半导体层，以包裹所述第二开关半导体层的下部以及所述第一开关半导体层和第二开关半导体层的侧面的形态形成；栅芯，在所述第一开关半导体层和第二开关半导体层的侧部形成为侧面具有用于形成沟道的垂直面或倾斜面；栅极绝缘膜，形成于所述栅芯下表面；漏极，根据经由所述沟道的垂直方向的电荷流动而与所述源极电耦合。

其中，在所述栅极上没有施加电压的状态下，由于所述第二开关半导体层而可以在包裹所述第一开关半导体层和第二开关半导体层的侧面的所述第三开关半导体层区域中形成耗尽层。

在此，在所述第二开关半导体层与第三开关半导体层之间还可以包括掺杂有碳或铁的氮化镓的附加开关半导体层。

其中，所述第二开关半导体层的一部分边界可具有到达所述第三开关半导体层的边界的形态。

在此，所述第一开关半导体层可具有能够使所述第二开关半导体层横向外延过生长的种子层的形态。

其中，所述第三开关半导体层的下方可设置本征氮化镓半导体层和所述漏极，且所述漏极可直接或者通过媒介层而间接地贴附于导热性基板。

根据本发明的另一侧面的氮化物系场效应晶体管的制造方法，可包括如下步骤：在蓝宝石基板上形成第一导电型的氮化镓半导体层；蚀刻所述第一导电型的氮化镓半导体层而形成开关半导体层；将所述第一导电型的氮化镓半导体层作为种子层而执行横向外延过生长，从而形成第二导电型的氮化镓半导体层；蚀刻将要形成栅极的区域的所述第二导电型的氮化镓半导体层和第一导电型的氮化镓半导体层；在蚀刻的表面上形成本征氮化镓半导体层；在所述本征氮化镓半导体层上形成高浓度氮化镓半导体层；扩大蚀刻空间，该蚀刻空间是没有被在蚀刻的表面上形成本征氮化镓半导体层的步骤中形成的本征氮化镓半导体所填充而剩余的空间；在所述高浓度氮化镓半导体层上形成漏极；在所述漏极上贴附导热性基板；除去所述蓝宝石基板；在除去所述蓝宝石基板的表面上形成绝缘膜；在所述绝缘膜上形成栅极；蚀刻将要形成源极的区域的所述绝缘膜；形成源极。