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1、(10)申请公布号 CN 102810559 A (43)申请公布日 2012.12.05 CN 102810559 A *CN102810559A* (21)申请号 201210298406.3 (22)申请日 2012.08.21 H01L 29/417(2006.01) H01L 29/778(2006.01) H01L 21/285(2006.01) H01L 21/335(2006.01) (71)申请人 中山大学 地址 510275 广东省广州市海珠区新港西路 135 号 (72)发明人 刘扬 魏进 姚尧 (74)专利代理机构 广州粤高专利商标代理有限 公司 44102 代理人 禹。
2、小明 (54) 发明名称 一种兼具反向导通的异质结构场效应晶体管 及其制作方法 (57) 摘要 本发明公开一种兼具反向导通的异质结构场 效应晶体管及其制作方法， 其场效应晶体管， 由下 往上依次包括衬底、 缓冲层、 外延层、 势垒层 ； 外 延层、 势垒层形成异质结 ； 异质结上的势垒层上 设有欧姆接触源电极、 栅极、 源电极和欧姆接触漏 电极。 本发明与传统异质结构场效应晶体管相比， 通过在表面多设计一个电极实现器件反向导通， 工艺简单， 成本低廉， 与现有异质结构场效应晶体 管工艺完全兼容。在功率电路中需要续流的情况 下， 使用本发明的兼具反向导通功能的异质结构 场效应晶体管 , 可以不用。
3、并联反向导通二极管， 因此节约大量芯片面积， 减小测试与封装的成本， 提高器件可靠性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种兼具反向导通的异质结构场效应晶体管， 由下往上依次包括衬底 （1） 、 缓冲层 （2） 、 外延层 （3） 和势垒层 （4） ； 所述外延层 （3） 和势垒层 （4） 形成异质结 ； 所述异质结的势 垒层 （4） 上设有欧姆接触源电极 （5） 、 栅极 （6） 和欧姆接触漏电极 （8） ； 其特征在于。
4、所述异质 结的势垒层 （4） 上还设有源电极 （7） 。 2. 根据权利要求书 1 所述的兼具反向导通的异质结构场效应晶体管， 其特征在于所述 衬底 （1） 为 GaN 衬底、 SiC 衬底、 Si 衬底、 GaAs 衬底、 GeSi 衬底或蓝宝石衬底。 3. 根据权利要求书 1 所述的兼具反向导通的异质结构场效应晶体管， 其特征在于所述 异质结为 AlGaN/GaN 异质结、 AlGaAs/GaAs 异质结、 InAlGaAs/GaAS 异质结、 InP/InGaAs 异 质结、 InP/GaAs 异质结、 InAlAs/InGaAs 异质结、 AlGaN/GaN 异质结、 InAlN/Ga。
5、N 异质结或 InAlGaN/GaN 异质结。 4. 根据权利要求书 1 所述的兼具反向导通的异质结构场效应晶体管， 其特征在于所 述欧姆接触源电极 （5） 的金属材料为以下一种或多种的组合 ： 钛、 铝、 镍、 金、 铂、 铱、 钼、 钽、 铌、 钴、 锆或钨 ； 所述源电极 （7） 为肖特基接触源极， 其金属材料为以下一种或多种的组合 ： 钛、 铝、 镁、 银、 铅、 铟、 钯、 钽、 锆或钴。 5. 根据权利要求书 1 所述的兼具反向导通的异质结构场效应晶体管， 其特征在于所述 源电极 （7） 可以为 P 型材料形成 PN 结， 或由 PN 结与肖特基接触结合形成 JBS 复合接触。 6。
6、. 根据权利要求书 4 或 5 所述的兼具反向导通的异质结构场效应晶体管， 其特征在于 所述源电极 （7） 通过金属布线与欧姆接触源电极 （5） 连接 ； 或源电极 （7） 横跨栅极 （6） 与欧 姆接触源电极 （5） 连接， 欧姆接触源电极 （5） 、 源电极 （7） 与栅极 （6） 通过介质材料隔离。 7. 根据权利要求书 1 所述的兼具反向导通的异质结构场效应晶体管， 其特征在于所述 栅极 （6） 为常开栅极或常关栅极， 栅极 （6） 的结构为肖特基栅极、 F 离子注入常关栅、 凹型 栅、 具有 p 型覆盖层的栅极或 MIS 型栅。 8. 一种兼具反向导通的异质结构场效应晶体管的制作方法。
7、， 其特征在于包括以下步 骤 ： 1） 在衬底 （1） 表面上依次外延生长缓冲层 （2） 、 外延层 （3） 、 势垒层 （4） ； 2） 在势垒层 （4） 上通过欧姆接触定义欧姆接触源电极 （5） 、 欧姆接触漏电极 （8） ； 3） 在势垒层 （4） 上通过肖特基接触定义栅极 （6） 、 源电极 （7） ； 欧姆接触源电极 （5） 与 源电极 （7） 连接。 9. 根据权利要求 8 所述制作方法， 其特征在于步骤 1） 所述衬底 （1） 为 GaN 衬底、 SiC 衬底、 Si 衬底、 GaAs 衬底、 GeSi 衬底或蓝宝石衬底。 10. 根据权利要求 8 所述制作方法， 其特征在于步骤。
8、 1） 所述外延生长法为金属有机化 学气相沉积法或分子束外延法。 权 利 要 求 书 CN 102810559 A 2 1/4 页 3 一种兼具反向导通的异质结构场效应晶体管及其制作方法 技术领域 0001 本发明属于半导体器件技术领域， 特别涉及一种兼具反向导通的异质结构场效应 晶体管及其制作方法。 背景技术 0002 随着微电子技术的发展， 传统 Si 和 GaAs 半导体器件性能已接近其材料本身决定 的理论极限。GaN 与 Si 相比， 具有宽禁带宽度、 高临界击穿电场 （高达 3MV/cm） 、 高的饱和电 子漂移速度和良好的热导率等优越的性能， 更加适合制作高功率大容量、 高开关速度。
9、的功 率开关器件， 成为下一代功率开关器件的理想材料。 0003 GaN 材料具有较强的极化效应， 极化方向上生长的 AlGaN/GaN 异质结的界面由于 极化效应形成高浓度和高电子迁移率的二维电子气 （2DEG） ， 使得 AlGaN/GaN 异质结构场效 应晶体管 （HFETs） 具有极低的导通电阻， 非常适合制作功率开关器件。 由于GaN属于宽禁带 半导体， 其工作温度可达 500以上。因此 GaN 器件有比较广的应用环境。在世界各国研究 计划的启动和推动下， GaN 等宽禁带半导体材料和器件的研制获得了飞速的发展， 国际上多 家半导体厂商相继推出高功率、 高频、 高温的宽禁带半导体产品。
10、， 其应用领域正不断扩展。 0004 目前， 基于GaN的功率开关器件主要包括A1GaNGaN HFET(HFET)、 GaN MOSFET和 MISHFET 等结构。其中， AIGaN GaN HFET 具有工艺简单、 技术成熟、 优良的正向导通特 性和高的工作频率等优点， 成为 GaN 功率开关器件中最受关注的器件结构。如图 1 所示， 是 现有技术的 AlGaN/GaN HFET 器件结构示意图 ； 其中， 1衬底、 2缓冲层、 3外延层、 4 势垒层、 5欧姆接触源电极、 6栅极、 8欧姆接触漏电极。 在传统的 AlGaN/GaN HFET 器 件中外延层 3 为 GaN 薄膜， 势垒。
11、层 4 为 AlGaN 薄膜。 0005 A1GaN GaN HFET 作为开关器件应用在电力电子电路中， 常在开关器件两端反并 联一个二极管， 其作用一般包括在开关器件关断后为主电路电流提供续流回路 ( 续流二极 管 )、 防止可能出现的反向电压对开关器件造成损坏等。现有 A1GaN GaN HFET 是具有正 向导通特性， 无法实现反向二极管导通特性。 因而在实际应用中必须反并联一个二极管， 从 而增加系统成本。 发明内容 0006 本发明目的是在异质结构场效应晶体管具有正向导通特性的基础上， 为其增加反 向二极管导通特性， 可以使得在异质结构场效应晶体管需要反向导通的一些应用中不再并 联。
12、反向二极管， 提供一种节约芯片面积， 减少测试与封装成本， 提高反向导通性能， 提高系 统可靠性， 降低功耗的一种兼具反向导通的异质结构场效应晶体管及其制作方法。 0007 为实现上述目的， 本发明的技术方案为 ： 一种兼具反向导通的异质结构场效应晶体管， 由下往上依次包括衬底、 缓冲层、 外延 层和势垒层 ； 所述外延层和势垒层形成异质结 ； 所述异质结的势垒层上设有欧姆接触源电 极、 栅极和欧姆接触漏电极 ； 所述异质结的势垒层上还设有源电极。 说 明 书 CN 102810559 A 3 2/4 页 4 0008 所述衬底为 GaN 衬底、 SiC 衬底、 Si 衬底、 GaAs 衬底、。
13、 GeSi 衬底或蓝宝石衬底。 0009 所述异质结为 AlGaN/GaN 异质结、 AlGaAs/GaAs 异质结、 InAlGaAs/GaAS 异质结、 InP/InGaAs 异质结、 InP/GaAs 异质结、 InAlAs/InGaAs 异质结、 AlGaN/GaN 异质结、 InAlN/ GaN 异质结或 InAlGaN/GaN 异质结。 0010 其中异质结的表达关系为 ： 势垒层 / 外延层异质结 ； 即比如 AlGaN/GaN 异质结表 示为势垒层为AlGaN， 外延层为GaN ； AlGaAs/GaAs异质结表示为势垒层为AlGaAs， 外延层为 GaAs， 其他按照相同方式。
14、理解。 0011 所述欧姆接触源电极的金属材料为以下一种或多种的组合 ： 钛、 铝、 镍、 金、 铂、 铱、 钼、 钽、 铌、 钴、 锆或钨 ； 所述源电极为肖特基接触源极， 其金属材料为以下一种或多种的组合 ： 钛、 铝、 镁、 银、 铅、 铟、 钯、 钽、 锆或钴。 0012 所述源电极为 P 型材料形成 PN 结， 或由 PN 结与肖特基接触结合形成 JBS 复合接 触。 0013 所述源电极通过金属引线与欧姆接触源电极连接 ； 或源电极横跨栅极与欧姆接触 源电极连接， 欧姆接触源电极、 源电极与栅极通过介质材料隔离。 0014 所述栅极为常开栅极或常关栅极， 栅极的结构基栅极、 常开栅。
15、极、 常关栅极、 F 离子 注入常关栅、 凹型栅、 具有 p 型覆盖层的栅极或 MIS 型栅。 0015 本发明的又一目的是提供一种兼具反向导通的异质结构场效应晶体管的制作方 法， 包括以下步骤 ： 1） 在衬底表面上依次外延生长缓冲层、 外延层、 势垒层 ； 2） 在势垒层上通过欧姆接触定义欧姆接触源电极、 欧姆接触漏电极 ； 3） 在势垒层上通过肖特基接触定义栅极、 源电极 ； 欧姆接触源电极与源电极连接。 0016 其中步骤 3） 在势垒层上通过肖特基接触定义栅极、 第二源极可以一起进行或单独 进行， 其中第二源极所选取的金属与栅极金属相同或不同， 或具有不同功函数的金属形成 的复合电极。
16、。 0017 更进一步的， 步骤 1） 所述衬底为 GaN 衬底、 SiC 衬底、 Si 衬底、 GaAs 衬底、 GeSi 衬 底或蓝宝石衬底。 0018 更进一步的， 步骤 1） 所述外延生长法为金属有机化学气相沉积法或分子束外延 法。 0019 本发明异质结构场效应晶体管的工作原理 ： 假设源极电压为 0V， 当栅极所加电压 大于阈值电压时， 给漏电极施加正电压， 器件可以像传统型异质结构场效应晶体管一样首 先在欧姆接触漏电极和欧姆接触源极之间实现正向导通， 器件开启。当器件关断时栅极所 加电压小于阈值电压， 器件中栅极区域下方的二维电子气被耗尽， 此时给漏极施加一个负 电压， 器件在源。
17、电极和欧姆接触漏电极之间导通能够实现导通二极管特性。这样就使得器 件在正向和反向时都具有导通特性， 形成兼具反向导通功能的异质结构场效应晶体管。 0020 本发明就比现有的异质结构场效应晶体管增加了反向时的二极管导通特性。 只需 要在势垒层表面设计两个源极， 没有增加任何复杂的工艺步骤就能实现。同时在使用中比 传统的异质结构场效应晶体管并联二极管形式少了并联二极管， 降低成本。可以根据需要 容易获得增强型或者耗尽型的兼具反向导通功能的异质结构场效应晶体管。 本发明的制作 说 明 书 CN 102810559 A 4 3/4 页 5 方法， 步骤较少， 工艺简单 ； 易实现本发明的工作原理。 附。
18、图说明 0021 图 1 是现有技术的 AlGaN/GaN HFET 器件结构示意图 ； 图 2 是本发明实施例一的异质结构场效应晶体管结构示意图 ； 图 3 是图 2 所示器件结构制作的第一步 ； 图 4 为图 2 所示器件结构制作的第二步 ； 图 5 为图 2 所示器件结构制作的第三步 ； 图 6 是本发明实施例二的结构示意图 ； 图 7 是本发明实施例三的结构示意图 ； 图 8 是本发明实施例四的结构示意图 ； 图 9 是本发明实施例五的结构示意图。 具体实施方式 0022 实施例一 图2是本发明所提供的一种兼具反向导通的AlGaN/GaN HFET器件结构示意图 ； 由下往 上依次包括。
19、衬底 1、 缓冲层 2、 外延层 3、 势垒层 4 ； 所述外延层 3、 势垒层 4 形成异质结 ； 所述 异质结上的势垒层 4 上设有欧姆接触源电极 5、 栅极 6、 源电极 7 和欧姆接触漏电极 8。在本 实施例中外延层 3 为 GaN 薄膜， 势垒层 4 为 AlGaN 薄膜， AlGaN 薄膜和 GaN 薄膜形成 AlGaN/ GaN 异质结 ； 栅极 6 为肖特基栅极， 源电极 7 为肖特基源电极 ； 其中肖特基源电极与欧姆接 触源电极 5 连接。 0023 图 3 至图 5 是实现图 2 所示结构的实施方法， 具体的实施步骤为 ： 1） 如图 3 所示， 通过化学气相沉积或分子束外。
20、延法在衬底 1 上依次生长一层缓冲层 2、 外延层 3 GaN 薄膜、 势垒层 4 AlGaN 薄膜， GaN 薄膜和 AlGaN 薄膜形成 GaN/AlGaN 异质结结 构。 0024 2） 如图 4 所示， 在 AlGaN 薄膜表面定义欧姆接触源电极 5 和欧姆接触漏电极 8 区 域， 蒸镀 Ti/Al/Ni/Au 合金作为欧姆接触源电极 5 和欧姆接触漏电极 8 金属， 并通过退火形 成欧姆接触。 0025 3） 如图 5 所示， 在 AlGaN 薄膜表面定义栅极 6 和肖特基源电极区域， 蒸镀 Ni/Au 作 为栅极 6 的肖特基金属和肖特基源电极的肖特基金属， 肖特基金属与欧姆接触源。
21、电极 5 相 连。这一步也可以分为两个步骤制作， 既分别定义与制作栅极 6 金属和肖特基源电极金属。 0026 实施例二 图 6 中 ： 1衬底、 2缓冲层、 3外延层、 4势垒层、 5欧姆接触源电极、 6栅极、 7源电极、 8欧姆接触漏电极、 11第一源电极， 12第二源电极 ； 在本实施例中外延层 3 为 GaAs 薄膜， 势垒层 4 为 AlGaAs 薄膜， 则外延层 3 和势垒层 4 组成的异质结为 AlGaAs/ GaAs 异质结 ； 图 4 所示的实施例的实施方法与图 2 所示实施例的实施方法类似， 区别在于 在制作图 2 中的源电极 7 分为两个部分第一源电极 11 与第二源电极。
22、 12， 第一源电极 11 与 第二源电极 12 通过两个步骤制备。第一源电极 11 与第二源电极 12 是不同功函数的金属 形成的复合肖特基源电极， 第一源电极11、 第二源电极12分别与欧姆接触源电极5相连接。 说 明 书 CN 102810559 A 5 4/4 页 6 0027 实施例三 图 7 中 ： 1衬底、 2缓冲层、 3外延层、 4势垒层、 5欧姆接触源电极、 6栅极、 7源电极、 8欧姆接触漏电极、 9介质材料， 10栅极金属 ； 在本实施例中外延层 3 为 InGaAs 薄膜， 势垒层 4 为 InAlAs 薄膜， 则外延层 3 和势垒层 4 组成的异质结为 InAlAs/。
23、 InGaAs 异质结 ； 源电极 7 为肖特基源电极。图 5 所示的实施例的实施方法与图 2 所示实施 例的实施方法类似， 区别在于在栅极 6 改为 MIS 栅极， 可以通过分布外延或者刻蚀的方法， 在势垒层形成凹槽结构， 然后沉积介质材料， 然后制作 MIS 栅极。 0028 实施例四 图 8 中 ： 1衬底、 2缓冲层、 3外延层、 4势垒层、 5欧姆接触源电极、 6栅极、 7源电极、 8欧姆接触漏电极、 9介质材料 ； 在本实施例中外延层 3 为 GaN 薄膜， 势垒层 4 为 InAlN 薄膜， 则外延层 3 和势垒层 4 组成的异质结为 InAlN/GaN 异质结 ； 源电极 7 。
24、为肖 特基源电极。图 6 所示的实施例的实施方法与图 2 所示实施例的实施方法类似， 区别在于 栅极 6 金属通过介质材料或空气与欧姆接触源电极 5 及源电极 7 金属隔离， 可以在制备栅 极 6 金属后沉积介质材料或牺牲层， 通过刻蚀去除欧姆接触源电极 5 和源电极 7 区域的介 质材料。最后将源电极 7 制作肖特基接触源电极， 最后可以选择全部保留或者部分去除或 者全部去除栅极 6 金属与肖特基接触源电极金属之间的隔离材料。 0029 实施例五 图 9 中 ： 1衬底、 2缓冲层、 3外延层、 4势垒层、 5欧姆接触源电极、 6栅极、 7源电极、 8欧姆接触漏电极、 9介质材料、 13肖特。
25、基接触源电极金属。 在本实施例中 外延层 3 为 GaN 薄膜， 势垒层 4 为 InAlGaN 薄膜， 则外延层 3 和势垒层 4 组成的异质结为 InAlGaN/GaN异质结。 图7所示的实施例的实施方法与图2所示实施例的实施方法类似， 区 别在于肖特基源电极为肖特基接触与 MIS 结构的复合结构， 而此实施例中， 肖特基接触源 电极金属 13 可以选用一种金属或多种金属的组合。 说 明 书 CN 102810559 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102810559 A 7 2/3 页 8 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102810559 A 8 3/3 页 9 图 7 图 8 图 9 说 明 书 附 图 CN 102810559 A 9 。