[发明专利]一种垂直GaN基沟槽场效应晶体管的制备方法

说明书

本发明实施例公开了一种垂直GaN基沟槽场效应晶体管的制备方法，包括：在双面抛光的n型高掺杂自支撑GaN衬底上生长异质外延薄膜；在外延薄膜上进行刻蚀，形成垂直沟槽和垂直台面结构，并在垂直沟槽内蒸镀金属膜形成p体层电极；在垂直沟槽中的p体层电极区域以外的器件表面制备Al₂O₃薄膜作为栅极，酸洗钝化后在Al₂O₃薄膜表面蒸镀金属薄膜，退火形成欧姆接触电极；在p体层电极表面蒸镀S，并在欧姆接触电极的金属薄膜上沉积钝化层隔离台面，以及采用场板端接的方法消除隔离台面周围PN结边缘聚集的峰值电场。

技术领域

本发明实施例涉及电子技术领域，尤其是一种垂直GaN基沟槽场效应晶体管的制备方法。

背景技术

氮化镓(GaN)是一种重要的第三代半导体材料，因具备禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优越性能，在固态光源和电力电子、微波射频器件等领域，具有非常好的应用前景和市场潜在价值。AlGaN/GaN具有高的二维电子气浓度、大的电子饱和速率，这使其能工作在大电流情况下，同时材料本身具有高的临界击穿电场，与Si材料相比高出一个数量，这使器件在相同的尺寸下能承受更高的电压。此外，其大的禁带宽度决定它可以承受更高的工作温度。

目前，具有高电子迁移率、大击穿场强度和高热稳定性等优越的材料特性，宽带隙氮化镓基功率器件已被认为是下一代高效电力电子和紧密型电力系统的潜在候选材料。与高电子迁移率晶体管(HEMTs)和电流孔径垂直电子晶体管(CAVETs)相比，GaN基沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在实现本质常关运行方面更具竞争力，具有更高的电流密度。更低的导通电阻(Ron,sp)和更低的电流崩溃。横向氮化镓基场效应晶体管的发展大约达到饱和，由于击穿电压(VBR)受侧向漂移区长度的限制，虽然长度的增长可以增加VBR，但尺寸器件增大，导致有效电流减小密度每单位芯片面积。相比之下，在相同的击穿电压和额定安培数条件下，垂直氮化镓为基础设备已完全先进，与Si、蓝宝石、SiC和金刚石相比，在独立的GaN衬底上的MOSFETs可以大大降低发生高密度的圈闭状态和由晶格造成的非线性高功率下工作时的失配。

近年来，GaN垂直MOSFETs的VBR、Ron、sp和器件可靠性等方面的研究取得了很大进展。为了提高增强型模式垂直GaN的VBR性能，在N-GaN漂移区引入p-体，通过TCAD模拟形成“p-体/N漂移”结。垂直GaN层间基沟槽MOSFET(OG-FET)的阈值电压(Vth)为2.5V,Ron,sp为0.98mΩ·cm2,VBR为700V，以再生的10nm无意掺杂GaN夹层为沟道，50nm原位Al2O3为栅极介质。研究了具有MBE再生UID-GaN通道的垂直GaN沟槽MOSFETs，这避免了重新激活埋藏体p-GaN的需要，并保证了与MOCVD再生相同的通道迁移率的好处。采用Silvaco ATLAS二维模拟技术，改进了垂直GaN沟槽MOSFETs的器件特性，以在VBR和Ron、sp之间获得最佳折衷。采用极化诱导掺杂方式，在p-GaN上形成无意掺杂AlGaN，厚度约为100-300nm，浓度由0-7％，然后在UID AlGaN上生长p-AlGaN，厚度约为100-300nm，浓度由0-7％。极化诱导掺杂，是通过AlN与GaN极化性的不同，AlN大于GaN，从而使AlGaN，逐渐改变AlGaN材料组成成分，积累固定极化电荷，诱导三维空穴/电子的产生，从而生成三维空穴/电子气。Pi掺杂具有1)：对氢的钝化作用免疫；2)：对埋入p型层具有更高的击穿电压；3):能够完全活化Mg受体且不受温度影响的特性。在4英寸独立GaN衬底上展示了垂直GaN基沟槽门MOSFETs(GaNtg-MOSFET)高功率应用中的正常关闭运行。通过TCAD仿真得到的传输、输出和击穿电压特性曲线与实验数据吻合较好。

虽然现有产品虽然在反向击穿能力方面有了十足的发展，但是在器件中对于散热问题的处理仍然不充分；同时，由于在进行p-GaN掺杂时，使用Mg掺会带来较高的激活能，使得器件激活性能不佳。

发明内容

本发明实施例提供一种垂直GaN基沟槽场效应晶体管的制备方法，包括：