專利名稱：一種基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于功率半導體器件技術領域，涉及GaN異質結場效應晶體管(AWaN/GaN HFET)，尤其涉及增強型GaN異質結場效應晶體管。
背景技術：
硅(Si)基功率器件經過多年的發(fā)展，目前已進入性能平穩(wěn)期，其性能的進一步提升往往伴隨著成本的顯著增加。與此同時，諸多新型應用對功率管理單元的體積、效率以及工作穩(wěn)定性提出了更高要求。然而，傳統(tǒng)Si基功率器件的性能已逼近其理論極限，使得寬禁帶半導體成為應用于功率管理的理想替代材料。作為第三代半導體材料的典型代表， 寬禁帶半導體氮化鎵(GaN)具有許多硅材料所不具備的優(yōu)異性能，是高頻、高壓、高溫和大功率應用的優(yōu)良半導體材料，在經濟和軍事領域具有廣闊的應用前景。特別是基于GaN的 AlGaN/GaN結構具有更高的電子遷移率，使得GaN器件具有低的導通電阻、高的工作頻率， 能滿足系統(tǒng)對功率器件更大功率、更高頻率、更小體積和更惡劣高溫工作的要求。然而，常規(guī)GaN異質結場效應晶體管，即AWaN/GaN異質結HFET (HFET Heterojunction Field Effect Transistor)器件是常開型(耗盡型)器件，在零偏壓下AWaN/GaN異質結的HEMT器件處于常開狀態(tài)，只有在柵上加一定大小的負偏壓時，才能使器件處于關斷狀態(tài)。而具有正閾值電壓的常關型(增強型)功率開關器件能夠確保功率電子系統(tǒng)的安全性、降低系統(tǒng)成本和復雜性等，是功率系統(tǒng)中的首選器件。因此，對于 AlGaN/GaN HFET (Heterojunction Field Effect Transistor)器件而言，增強型 HFET 器件實現(xiàn)技術是研究者們極其關注的問題。目前國際上已提出多種方法來實現(xiàn)常關型器件。 文獻 Y. Ohmaki, et. al. , "Enhancement-mode AlGaN/AlN/GaN high electron mobility transistor with low on-state resistance and high breakdown voltage,，，Jpn. J. Appl. Phys.，vol. 45, no. 44，pp. L1168-L1170，Nov. 2006 提出減薄 AlGaN 勢壘層實現(xiàn)常關型AlGaN/GaN HFET的方法，并通過SiO2Passivation來降低開啟電阻，然而這種方法得到的源漏電流比較小，且AKkiN勢壘層的厚度難以精確控制；文獻W. Saito, et. al.， "Recessed-gate structure approach toward normally off high-voltage AlGaN/GaN HEMT for power electronics applications, " IEEE Trans. Electron Devices, vol. 53, no. 2,pp. 356-362,Feb. 2006提出的凹柵方法，然而這種方法也存在源漏電流比較小，AWaN 勢壘層厚度難以精確控制的問題，以及AKiaN晶格完整性可能被破壞的問題，；文獻^ng Cai, et. al. , "Control of Threshold Voltage of AlGaN/GaN HEMTs by Fluoride-Based Plasma Treatment :From Depletion Mode to Enhancement Mode，，IEEE Trans. Electron Devices, vol. 53，no. 9，pp. 2207-2215，Sep. 2006 提出的 CF4 等離子體注入，通過 F 離子對溝道電荷的耗盡的方法來實現(xiàn)常關型器件，但AlGaN晶格完整性可能被破壞，并且器件的穩(wěn)定性也有待研究。隨著大直徑硅Si基GaN外延技術的逐步成熟并商用化，Si基GaN功率半導體技術有望成為高性能低成本功率技術解決方案。本發(fā)明在Si基AlGaN/GaN襯底上混合集成SiMOS和AlGaN/GaN HFET高壓功率器件，通過對低壓MOS的開啟與關斷實現(xiàn)了對常開型HFET 高壓器件的開啟與關斷，從而實現(xiàn)了常關型AlGaN/GaNHFET高壓功率器件，與此同時，該混合器件還具有常規(guī)HFET器件的高耐壓、低導通電阻等優(yōu)點。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管，屬于一種高、低壓混合集成器件，即在同一襯底基片上單片集成的低壓MOS管和耗盡型GaN異質結場效應晶體管(如圖1所示)，實現(xiàn)了低壓MOS對常開型AlGaN/GaNHFET高壓器件的控制，該混合集成器件不僅具有MOS器件的常關型(增強型)特性，而且具有常規(guī)AlGaN/GaN HFET器件的高耐壓、低導通電阻等優(yōu)點。本發(fā)明技術方案如下一種基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管，如圖1所示，包括同一襯底基片上單片集成的低壓MOS管1和耗盡型GaN異質結場效應晶體管2 ；其中，MOS管1的漏極和耗盡型GaN異質結場效應晶體管2的源極由金屬層電氣連接；GaN異質結場效應晶體管2的柵極與MOS管1的柵極互連，或者GaN異質結場效應晶體管2的柵極與MOS管1的源極互連；MOS管1和耗盡型GaN異質結場效應晶體管2之間采用介質隔離槽隔離。圖4和圖7分別給出基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管的兩種等效電路圖。本發(fā)明提供的基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管，其工作原理結合圖1、圖4，可以解釋如下圖1所示為本發(fā)明提供的基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管的結構示意圖，該器件集成了圖2所示的MOS管1和圖3所示的耗盡型GaN異質結場效應晶體管 2。的HFET。MOS管1的漏極和耗盡型GaN異質結場效應晶體管2的源極由金屬層電氣連接，并且它們的柵極也互連(如圖4所示)。當柵極加上一定正電壓時，且柵源之間的電壓大于MOS閾值電壓時，將形成從MOS的源極到漏極的電流通道，與此同時，由于耗盡型GaN 異質結場效應晶體管2是一個常開型器件，最終形成了從MOS源極到耗盡型GaN異質結場效應晶體管2的漏極的電流通路，使得整個基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管(集成器件)處于開態(tài)。該集成器件的反向耐壓工作原理為當MOS管1的柵極與源極之間電壓差小于其閾值電壓，即MOS處于關斷或者柵極浮空時，該集成器件為反向耐壓狀態(tài)。 當耗盡型GaN異質結場效應晶體管2的漏極外加電壓較小時，MOS管1的漏極電勢較低，此時耗盡型GaN異質結場效應晶體管2的柵極與源極之間的電勢差大于耗盡型GaN異質結場效應晶體管2的閾值電壓，耗盡型GaN異質結場效應晶體管2處于導通，主要由MOS承受耐壓；隨著耗盡型GaN異質結場效應晶體管2的漏極電壓的增大，MOS管1的漏極電壓增大， 也即耗盡型GaN異質結場效應晶體管2的源極電壓增大；當耗盡型GaN異質結場效應晶體管2的源極電壓增大到耗盡型GaN異質結場效應晶體管2柵極與源極間電壓差小于耗盡型 GaN異質結場效應晶體管2閾值電壓時，耗盡型GaN異質結場效應晶體管2柵極下的2DEG 被夾斷，耗盡型GaN異質結場效應晶體管2處于截止狀態(tài)，此時耗盡型GaN異質結場效應晶體管2開始承受耐壓。本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)在本發(fā)明提供的基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管，在同一襯底基片上單片集成了低壓MOS管和耗盡型GaN異質結場效應晶體管，其中低壓MOS管和耗盡型GaN 異質結場效應晶體管之間形成一種串聯(lián)結構，通過控制低壓MOS管的開關狀態(tài)實現(xiàn)了將耗盡型GaN異質結場效應晶體管向增強型GaN異質結場效應晶體管的轉變。整個器件不僅具有低壓MOS器件的常關型(增強型)特性，而且具有耗盡型GaN異質結場效應晶體管的高耐壓、低導通電阻等優(yōu)點，具有良好的頻率特性和輸出功率密度，適用于高頻、大功率領域。


圖1是本發(fā)明提供的基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管的結構示意圖。圖2是常規(guī)NMOS結構示意圖。圖3是常規(guī)耗盡型GaN異質結場效應晶體管結構示意圖。圖4是本發(fā)明提供的基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管的一種等效電路圖。圖5是具有絕緣柵結構的常規(guī)耗盡型GaN異質結場效應晶體管結構示意圖。圖6是本發(fā)明提供的具體由NMOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管的結構示意圖，其中所集成的耗盡型GaN異質結場效應晶體管為具有絕緣柵結構的常規(guī)耗盡型 GaN異質結場效應晶體管。圖7是本發(fā)明提供的基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管的另一種等效電路圖。圖8是本發(fā)明的制備工藝流程示意圖。上述圖中1為MOS管，2為耗盡型GaN異質結場效應晶體管，3為襯底基片，4為異質外延緩沖層，5為GaN外延層，6為AKiaN外延層，7為MOS管漏極或源極，8為MOS管柵極，9為GaN異質結場效應晶體管的源極，10為肖特基柵結構，11為GaN異質結場效應晶體管的漏極，12為P型Si襯底，13為N+摻雜區(qū)，14為MOS管的柵介質層，15為鈍化層，16為絕緣柵結構的GaN異質結場效應晶體管的柵介質層，17為介質隔離槽，18為冒層。
具體實施例方式一種基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管，如圖1所示，包括同一襯底基片上單片集成的低壓MOS管1和耗盡型GaN異質結場效應晶體管2 ；其中，MOS管1的漏極和耗盡型GaN異質結場效應晶體管2的源極由金屬層電氣連接；GaN異質結場效應晶體管2的柵極與MOS管1的柵極互連，或者GaN異質結場效應晶體管2的柵極與MOS管1的源極互連；MOS管1和耗盡型GaN異質結場效應晶體管2之間采用介質隔離槽隔離。上述方案中1)所述襯底基片材料可以是硅、氮化鎵、碳化硅或藍寶石。2)所述介質隔離槽材料為空氣、Si02、Si3N4、AlN或A1203。3)所述介質隔離槽位于MOS管1的漏端耗盡型GaN異質結場效應晶體管2的源端之間。4) MOS管1可以是為匪OS管、PMOS管、LDMOS管或Cool MOS器件。8)所述耗盡型GaN異質結場效應晶體管2的柵結構為肖特基柵或絕緣柵；肖特基柵電極材料可以是M或Pt ；絕緣柵電極材料可以是Α1、Μ或多晶硅；絕緣柵的柵介質材料可以是SiO2、氮化硅、A1203、A1N或Η 2。圖8給出了本發(fā)明一種制備工藝流程圖。圖8(a)所示是AKiaN/GaN外延片；圖 8(b)所示，將AnGaN/GaN外延片制作MOS器件的部分刻蝕到襯底，用冒層將其他部分覆蓋起來；圖8(c)所示，在制作MOS器件的部分生長Si(如果臺階對器件性能影響不大，也可以略去這一步)；圖8 (d)所示，在生長柵極絕緣層14與MOS柵極8 ；圖8 (e)所示，制作MOS器件源漏區(qū)的摻雜，并除去冒層；圖8(f)所示，在MOS與HFET器件之間制備隔離層制作MOS與 GaN異質結場效應晶體管的電極，并制作鈍化層。本發(fā)明提供的基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管的制備工藝包括以下步驟第一步如圖8(b)，將外延片用于制造MOS器件的部分刻蝕至襯底。在AlGaN/GaN 外延片上制備一層冒層18。第二步如圖8(c)，在襯底上制備Si層。第三步如圖8 (d)，制備MOS器件的源區(qū)和漏區(qū)，并在MOS器件部分表面制備一層氧化層和柵極材料。第四步如圖8 (e)，制作MOS器件源漏區(qū)的摻雜，并除去冒層。第五步如圖8 (f)，分別制作MOS器件和HFET器件的源電極和漏電極。第六步如圖8 (g)，制作HFET器件的柵電極，并制作鈍化層。應當說明，本發(fā)明的核心發(fā)明點在于單片集成低壓MOS器件和耗盡型GaN異質結場效應晶體管，其中低壓MOS管和耗盡型GaN異質結場效應晶體管之間形成串聯(lián)結構，通過控制低壓MOS管的開關狀態(tài)實現(xiàn)了將耗盡型GaN異質結場效應晶體管向增強型GaN異質結場效應晶體管的轉變。本發(fā)明器件結構或制備工藝具有很多中變化，本發(fā)明不可能也沒有必要一一逐級，但本領域技術人員應當理解在本發(fā)明的基礎上所作出的各種結構或工藝上的變化，均在本發(fā)明申請保護的范圍之內。
權利要求
1.一種基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管，包括低壓MOS管(1)和耗盡型GaN異質結場效應晶體管⑵；其特征在于，MOS管⑴和耗盡型GaN異質結場效應晶體管(2)集成于同一襯底基片上；MOS管(1)的漏極和耗盡型GaN異質結場效應晶體管(2) 的源極由金屬層電氣連接；GaN異質結場效應晶體管⑵的柵極與MOS管(1)的柵極互連； MOS管(1)和耗盡型GaN異質結場效應晶體管(2)之間采用介質隔離槽隔離。
2.一種基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管，包括低壓MOS管(1)和耗盡型GaN異質結場效應晶體管O)；其特征在于，MOS管(1)和耗盡型GaN異質結場效應晶體管(2)集成于同一襯底基片上；MOS管(1)的漏極和耗盡型GaN異質結場效應晶體管(2) 的源極由金屬層電氣連接；GaN異質結場效應晶體管⑵的柵極與MOS管(1)的源極互連； MOS管(1)和耗盡型GaN異質結場效應晶體管(2)之間采用介質隔離槽隔離。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管，其特征在于，所述襯底基片材料為硅、氮化鎵、碳化硅或藍寶石。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管，其特征在于，所述介質隔離槽材料為空氣、SiO2, Si3N4, AlN或A1203。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管，其特征在于，所述介質隔離槽位于MOS管(1)的漏端耗盡型GaN異質結場效應晶體管⑵的源端之間。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管，其特征在于，所述MOS管(1)為NMOS管、PMOS管、LDMOS管或Cool MOS器件。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管，其特征在于，所述耗盡型GaN異質結場效應晶體管O)的柵結構為肖特基柵或絕緣柵。
8.根據(jù)權利要求7所述的基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管，其特征在于，所述肖特基柵電極材料為M或Pt ；所述絕緣柵電極材料為Al、Ni或多晶硅；所述絕緣柵的柵介質材料為SiO2、氮化硅、A1203、AlN或HfO2。
全文摘要
一種基于MOS控制的增強型GaN異質結場效應晶體管，屬于功率半導體器件技術領域。包括單片集成的低壓MOS管和耗盡型GaN異質結場效應晶體管；其中，MOS管的漏極和耗盡型GaN異質結場效應晶體管的源極相連；二者的柵極互連，或者GaN異質結場效應晶體管的柵極與MOS管的源極互連；MOS管和耗盡型GaN異質結場效應晶體管之間采用介質隔離槽隔離。本發(fā)明通過控制與耗盡型GaN異質結場效應晶體管相串聯(lián)的低壓MOS管的開關狀態(tài)實現(xiàn)了將耗盡型GaN異質結場效應晶體管向增強型GaN異質結場效應晶體管的轉變，不僅具有低壓MOS器件的常關型特性，而且具有耗盡型GaN異質結場效應晶體管的高耐壓、低導通電阻等優(yōu)點，具有良好的頻率特性和輸出功率密度，適用于高頻、大功率領域。
文檔編號H01L29/778GK102194819SQ20111010599
公開日2011年9月21日 申請日期2011年4月26日 優(yōu)先權日2011年4月26日
發(fā)明者張波, 張競, 汪志剛, 陳萬軍, 魏進 申請人:電子科技大學