具有垂直漂移區(qū)的橫向GaN JFET的制作方法
【專利說明】具有垂直漂移區(qū)的橫向GaN JFET
【背景技術(shù)】
[0001] 功率電子器件廣泛用在各種應(yīng)用中。功率電子器件通常用在電路中以改變電能的 形式例如，從交流到直流，從一個電壓電平到另一電壓電平或者以一些其他方式。這樣的 器件可以在寬范圍的功率水平內(nèi)運行，從移動設(shè)備中的幾毫瓦到高壓輸電系統(tǒng)中的幾百兆 瓦。盡管在功率電子器件方面取得了進展，但是在本領(lǐng)域中還對改進的電子系統(tǒng)和操作該 改進的電子系統(tǒng)的方法存在需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002] 本發(fā)明一般性涉及電子器件。更具體地，本發(fā)明涉及一種使用第III族氮化物半 導(dǎo)體材料形成具有垂直漂移區(qū)的橫向結(jié)型柵極場效應(yīng)晶體管（JFET)。僅通過示例的方式， 本發(fā)明已應(yīng)用于使用基于氮化鎵（GaN)的外延層制造 JFET功率晶體管的方法和系統(tǒng)。該 方法和技術(shù)可以利用阻擋層來沿橫向方向引導(dǎo)電流。
[0003] 根據(jù)本公開內(nèi)容的半導(dǎo)體器件的實施方案可以包括具有第一導(dǎo)電類型的第III 族氮化物襯底、耦接到第III族氮化物襯底的具有第一導(dǎo)電類型的第一第III族氮化物外 延層、以及耦接到第一導(dǎo)電類型的第一第III族氮化物外延層并且具有至少一個開口的阻 擋層。該半導(dǎo)體器件還可以包括具有第一導(dǎo)電類型并且耦接到阻擋層的第二第III族氮化 物外延層，并且第一第III族氮化物外延層穿過阻擋層中的至少一個開口。該半導(dǎo)體器件 還可以包括具有第二導(dǎo)電類型并且耦接到第二第III族氮化物外延層的第三第III族氮化 物外延層，使得第二第III族氮化物外延層的至少一部分設(shè)置在第三第III族氮化物外延 層的至少一部分與阻擋層的至少一部分之間以形成溝道區(qū)；以及耦接到第二第III族氮化 物外延層的源極區(qū)，使得溝道區(qū)的至少一部分設(shè)置在源極區(qū)與阻擋層中的至少一個開口之 間。
[0004] 根據(jù)本公開內(nèi)容的方法的實施方案包括提供具有第一導(dǎo)電類型的第III族氮化 物襯底，并且形成具有第一導(dǎo)電類型并且耦接到第III族氮化物襯底的第一第III族氮化 物外延層。該方法還可以包括形成耦接到第一導(dǎo)電類型的第一第III族氮化物外延層并 且具有至少一個開口的阻擋層，并且形成耦接到阻擋層的具有第一導(dǎo)電類型的第二第III 族氮化物外延層，并且第一第III族氮化物外延層穿過阻擋層中的至少一個開口。該方法 還可以包括形成具有第二導(dǎo)電類型的第三第III族氮化物外延層，其耦接到第二第III族 氮化物外延層，使得第二第III族氮化物外延層的至少一部分設(shè)置在第三第III族氮化物 外延層的至少一部分與阻擋層的至少一部分之間以形成溝道區(qū)。最后，該方法可以包括形 成耦接到第二第III族氮化物外延層的源極區(qū)，使得溝道區(qū)設(shè)置在源極區(qū)與阻擋層中的至 少一個開口之間。
[0005] 根據(jù)本公開內(nèi)容的基于氮化鎵（GaN)的結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET)的實施方案可 以包括具有沿橫向維度延伸的頂表面的GaN漏極區(qū)、源極區(qū)以及耦接在源極區(qū)與GaN漏極 區(qū)之間并且可操作地在源極區(qū)與GaN漏極區(qū)之間傳導(dǎo)電流的第一導(dǎo)電類型的GaN溝道區(qū)。 基于GaN的JFET還可以包括設(shè)置在源極區(qū)與GaN漏極區(qū)之間的阻擋層，使得GaN溝道區(qū) 可操作地在GaN溝道區(qū)的橫向傳導(dǎo)區(qū)中大體上沿著橫向維度傳導(dǎo)電流。最后，基于GaN的 JFET可以包括耦接到GaN溝道區(qū)的第二導(dǎo)電類型的GaN柵極區(qū)，使得GaN溝道區(qū)的橫向傳 導(dǎo)區(qū)設(shè)置在阻擋層的至少一部分與GaN柵極區(qū)之間。
[0006] 通過本發(fā)明的方法實現(xiàn)了優(yōu)于常規(guī)技術(shù)的許多益處。例如，本發(fā)明的實施方案使 得能夠利用外延控制（而非例如光刻控制）來高水平地控制橫向JFET的溝道區(qū)的摻雜密 度和/或?qū)挾?。另外，大部分反向電場耗散在垂直漂移層上方，同時晶體管作用受橫向溝道 控制。結(jié)合下面的文字和附圖更詳細地描述了本發(fā)明的這些實施方案和其他實施方案及其 許多優(yōu)點和特性。
【附圖說明】
[0007] 圖IA和圖IB是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的橫向JFET的操作功能性的簡化 截面圖；
[0008] 圖2至圖11是示出了用于制造根據(jù)一個實施方案的橫向JFET的工藝的簡化截面 圖；
[0009] 圖12是示出了制造根據(jù)本發(fā)明的實施方案的橫向JFET的方法的簡化流程圖。
【具體實施方式】
[0010] 本發(fā)明一般性涉及電子器件。更具體地，本發(fā)明涉及使用第III族氮化物半導(dǎo)體 材料形成具有垂直漂移區(qū)的橫向結(jié)型柵極場效應(yīng)晶體管（JFET)。僅通過示例的方式，已將 本發(fā)明應(yīng)用于使用基于氮化鎵（GaN)的外延層制造 JFET功率晶體管的方法和系統(tǒng)。該方 法和技術(shù)可以利用阻擋層來沿橫向方向引導(dǎo)電流。
[0011] 基于GaN的電子器件和光電器件正經(jīng)歷快速發(fā)展，并且一般有望超越競爭者硅 (Si)和碳化硅（SiC)。與GaN及相關(guān)合金和異質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的期望特性包括：用于可見光 發(fā)射和紫外光發(fā)射的高帶隙能量；有利的傳輸特性（例如，高電子迀移率和高飽和速度）； 高擊穿電場以及高熱導(dǎo)率。具體地，對于給定的背景摻雜水平N，電子迀移率μ高于競爭材 料。這提供了低電阻率P，原因是電阻率與電子迀移率成反比，如公式（1)所示：
(1)
[0013] 其中q為元電荷。
[0014] 由包括體GaN襯底上的同質(zhì)外延GaN層的GaN材料所提供的另一優(yōu)異特性是對于 雪崩擊穿的高臨界電場。高臨界電場使得與具有較低臨界電場的材料相比能夠在更小的長 度L上支持更大的電壓。電流流經(jīng)更小的長度與低電阻率導(dǎo)致比其他材料的電阻更低的電 阻R，原因是電阻可以通過公式（2)確定：
⑵
[0016] 其中A為溝道或電流路徑的截面積。
[0017] 一般而言，在器件的斷開狀態(tài)中支持高電壓所需的器件物理尺寸與在導(dǎo)通狀態(tài)下 使電流經(jīng)過具有低電阻的同一器件之間存在折衷關(guān)系。在許多情況下，GaN優(yōu)于其他材料 之處在于使該折衷最小化并且使性能最大化。另外，生長在體GaN襯底上的GaN層與生長 在失配襯底上的層相比具有低缺陷密度。低缺陷密度將導(dǎo)致優(yōu)越的熱導(dǎo)率、更小的陷阱相 關(guān)的效應(yīng)例如動態(tài)導(dǎo)通電阻以及更好的可靠性。
[0018] 除了垂直結(jié)構(gòu)外，也考慮橫向JFET。根據(jù)摻雜水平、物理尺寸、導(dǎo)電類型（例如，η 型材料或P型材料）以及其他因素，可以將橫向JFET設(shè)計成具有常斷或常通功能性。常斷 橫向JFET因其防止電流在柵極被施加零電壓的情況下流動的能力而特別有用，其中，其可 用作用在功率應(yīng)用的橫向JFET的安全特征。
[0019] 可以以各種方式來制造常斷橫向JFET。例如，可以通過ρ+柵極來選通源極到漏極 的η型電流路徑。利用足夠低的背景摻雜和因 ρ+柵極中高的空穴濃度而產(chǎn)生的高的正電 荷，能夠使溝道在零偏壓下耗盡載流子或者被夾斷。當向柵極施加正向電壓時，溝道能夠被 重新接通以使器件接通。如下面在本文中所詳述的，本發(fā)明的實施方案可以包括阻擋層和 在電流路徑的至少一部分中沿著橫向方向引導(dǎo)電流的柵極。從而，橫向JFET被稱為橫向結(jié) 型場效應(yīng)晶體管，這是因為電流的至少一部分被引導(dǎo)為橫向流動。
[0020] 除了支持高電壓、低電阻JFET應(yīng)用的能力以外，本文中所述的橫向JFET能夠以其 他方式不同于傳統(tǒng)橫向JFET。GaN外延層的使用能夠使得橫向JFET的各個層中的作為厚 度的函數(shù)的摻雜劑濃度非均勻，這能夠優(yōu)化器件的性能。
[0021] 圖IA和圖IB是示出了根據(jù)實施方案的橫向JFET 100的操作功能性的簡化橫截 面圖。參照圖1Α，設(shè)置了漏極區(qū)10。根據(jù)圖IA示出的本發(fā)明的實施方案，襯底為η型GaN 襯底，但是本發(fā)明不限于該特定材料。在其他實施方案中，使用具有P型摻雜的襯底。
[0022] 另外，雖然圖IA示出了 GaN襯底，但是本發(fā)明的實施方案不限于GaN襯底。其他第 III-V族材料特別是第III族氮化物材料包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，其不僅可以取代所示的 GaN襯底，而且可以取代本文中所述的其他基于GaN的層和結(jié)構(gòu)。作為實例，二元第III-V族 (例如，第III族氮化物）材料、三元第III-V族（例如，第III族氮化物）材料例如InGaN 和AlGaN、以及四元第III-V族（例如，第III族氮化物）材料例如AlInGaN包括在本發(fā)明 的范圍內(nèi)。