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申请/专利权人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所

摘要：本发明提供一种基于AlGaNp‑GaN沟道的增强型纵向功率器件及制作方法，该器件包括层叠的GaN衬底、GaN漂移区、GaN阱区以及GaN外延层，所述GaN衬底、GaN漂移区、GaN阱区及GaN外延层的晶向为a轴竖直向上；栅沟槽，穿过n型导电的GaN外延层及p型导电的GaN阱区，并延伸至n型导电的GaN漂移区内；AlGaN层，形成于栅沟槽的底部及侧壁，AlGaN层与p型导电的GaN阱区形成AlGaNp‑GaN异质结沟道；栅介质层；栅极金属层；接触槽，接触槽中填充有金属接触层，金属接触层与GaN阱区形成欧姆接触；上电极以及下电极。本发明可有效提高沟道电子迁移率，减小器件导通电阻，同时提高阈值电压实现增强型的器件结构。

主权项：1.一种基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件，其特征在于，包括：GaN衬底外延结构，所述GaN衬底外延结构包含层叠的n型导电的GaN衬底、n型导电的GaN漂移区、p型导电的GaN阱区以及n型导电的GaN外延层，所述GaN衬底外延结构的晶向为a轴竖直向上；栅沟槽，形成于所述GaN衬底外延结构中，所述栅沟槽穿过所述n型导电的GaN外延层及所述p型导电的GaN阱区，并延伸至所述n型导电的GaN漂移区内；AlGaN层，形成于所述栅沟槽的底部及侧壁，所述AlGaN层与所述p型导电的GaN阱区形成AlGaNp-GaN异质结沟道；栅介质层，形成于所述AlGaN层表面；栅极金属层，于形成所述栅介质层上；接触槽，形成于所述GaN外延层中，所述接触槽显露所述GaN阱区，所述接触槽中填充有金属接触层，所述金属接触层与所述GaN阱区形成欧姆接触；上电极，形成于所述金属接触层及所述n型导电的GaN外延层上；以及下电极，形成于所述n型导电的GaN衬底背面；通过所述AlGaN层引入极化效应，使不加栅压的情况下，沿c轴横向方向的所述AlGaN层与所述p型导电的GaN阱区的界面处形成电子势阱，但器件仍保持常关；加正向栅压时易引入二维电子气，使沟道具有高电子迁移率；所述AlGaN层的厚度不大于35nm，所述AlGaN层中的Al组分的原子数百分比介于15％～25％之间。

全文数据：基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件及制作方法技术领域本发明属于半导体制造领域，特别是涉及一种基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件及制作方法。背景技术目前纵向GaN功率器件有两种代表性结构，分别是沟槽栅场效应晶体管TrenchGateMOSFET和电流孔径垂直电子晶体管CurrentApertureVerticalElectronTransistor，CAVET。槽栅型MOSFET的缺点在于凹槽底部槽角处存在电场线聚集效应，峰值电场强度大，导致栅介质提前击穿，器件的击穿电压无法达到GaN材料极限。并且，电子在反型p型GaN沟道中运动，同时受氧化物氮化镓界面特性影响，迁移率很小，导致器件导通电阻大。虽然CAVET器件引入了AlGaNGaN异质结结构，提高了沟道电子迁移率，但同时面临了实现增强型器件的难题，另外由于漂移区P-GaNcurrentblockinglayerCBL的存在，使器件的制备工艺更为复杂，同时导致纵向电流路径小，器件电流相对较小，输出特性不够理想。基于以上所述，提供一种可以提高沟道电子迁移率，减小器件导通电阻，同时提高阈值电压实现增强型的纵向功率器件及制作方法实属必要。发明内容鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件及制作方法，用于解决现有技术中阈值电压为负、沟道电子迁移率低、器件导通电阻高等问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件，包括：GaN衬底外延结构，所述GaN衬底外延结构包含层叠的n型导电的GaN衬底、n型导电的GaN漂移区、p型导电的GaN阱区以及n型导电的GaN外延层，所述GaN衬底外延结构的晶向为a轴竖直向上；栅沟槽，形成于所述GaN衬底外延结构中，所述栅沟槽穿过所述n型导电的GaN外延层及所述p型导电的GaN阱区，并延伸至所述n型导电的GaN漂移区内；AlGaN层，形成于所述栅沟槽的底部及侧壁，所述AlGaN层与所述p型导电的GaN阱区形成AlGaNp-GaN异质结沟道；栅介质层，形成于所述AlGaN层表面；栅极金属层，于形成所述栅介质层上；接触槽，形成于所述GaN外延层中，所述接触槽显露所述GaN阱区，所述接触槽中填充有金属接触层，所述金属接触层与所述GaN阱区形成欧姆接触；上电极，形成于所述金属接触层及所述n型导电的GaN外延层上；以及下电极，形成于所述n型导电的GaN衬底背面。优选地，通过所述AlGaN层引入极化效应，使不加栅压的情况下，沿c轴横向方向的所述AlGaN层与所述p型导电的GaN阱区的界面处形成电子势阱，但器件仍保持常关；加正向栅压时易引入二维电子气，使沟道具有高电子迁移率。优选地，通过加正向栅压来增大沟道中二维电子气浓度，以调控沟道电流。优选地，所述AlGaN层的厚度不大于35nm。优选地，所述栅极金属层包含NiAu叠层。优选地，所述金属接触层包含Pd金属层，所述上电极及所述下电极包含TiAl叠层。优选地，所述栅沟槽延伸至所述n型导电的GaN漂移区内的深度范围介于300nm～1000nm之间。优选地，所述AlGaN层中的Al组分的原子数百分比介于15％～50％之间。本发明还提供一种基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件的制作方法，包括步骤：1提供一GaN衬底外延结构，所述GaN衬底外延结构包含层叠的n型导电的GaN衬底、n型导电的GaN漂移区、p型导电的GaN阱区以及n型导电的GaN外延层，所述GaN衬底外延结构的晶向为a轴竖直向上；2于所述GaN衬底外延结构中形成栅沟槽，所述栅沟槽穿过所述n型导电的GaN外延层及所述p型导电的GaN阱区，并延伸至所述n型导电的GaN漂移区内；3于所述栅沟槽的底部及侧壁形成AlGaN层，所述AlGaN层与所述p型导电的GaN阱区形成AlGaNp-GaN异质结沟道；4于所述AlGaN层表面形成栅介质层，于所述栅介质层上形成栅极金属层；5于所述GaN外延层中形成接触槽，所述接触槽显露所述GaN阱区，于所述接触槽中填充金属接触层，并使所述金属接触层与所述GaN阱区形成欧姆接触；以及6于所述金属接触层及所述n型导电的GaN外延层上形成上电极，于所述n型导电的GaN衬底背面形成下电极。优选地，通过所述AlGaN层引入极化效应，使不加栅压的情况下，沿c轴横向方向的所述AlGaN层与所述p型导电的GaN阱区的界面处形成电子势阱，但器件仍保持常关；加正向栅压时易引入二维电子气，使沟道具有高电子迁移率。优选地，通过加正向栅压来增大沟道中二维电子气浓度，以调控沟道电流。优选地，所述AlGaN层的厚度不大于35nm。优选地，步骤4所述的栅极金属层包含NiAu叠层。优选地，步骤5所述的金属接触层包含Pd金属层，步骤6所述的上电极及所述下电极包含TiAl叠层。优选地，所述栅沟槽延伸至所述n型导电的GaN漂移区内的深度范围介于300nm～1000nm之间。优选地，所述AlGaN层中的Al组分的原子数百分比介于15％～50％之间。如上所述，本发明的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件及制作方法，具有以下有益效果：本发明通过增加AlGaN层，引入了极化效应，使不加栅压的情况下，沿着横向方向的p-GaNAlGaN界面处形成电子势阱，引入二维电子气2dimensionalelectrongas2DEG，具有较高沟道迁移率。从能带角度出发，p-GaNAlGaN结构更易形成常关，通过加正向栅压来增大沟道中2DEG的浓度，调控电流。本发明可有效提高沟道电子迁移率，减小器件导通电阻，同时提高阈值电压实现增强型的器件结构。附图说明图1～图7显示为本发明的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件的制作方法各步骤所呈现的结构示意图，其中，图7显示为本发明的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件的结构示意图。图8显示为本发明的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件在不同AlGaN层厚度下对应的转移特性曲线Vds＝1V。元件标号说明101n型导电的GaN衬底102n型导电的GaN漂移区103p型导电的GaN阱区104n型导电的GaN外延层105栅沟槽106AlGaN层107AlGaNp-GaN异质结沟道108栅介质层109栅极金属层110金属接触层111上电极112下电极具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图1～图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。如图1～图7所示，本实施例提供一种基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件的制作方法，包括步骤：如图1～图2所示，首先进行步骤1，提供一GaN衬底外延结构晶向为a轴向上，所述GaN衬底外延结构包含层叠的n型导电的GaN衬底101、n型导电的GaN漂移区102、p型导电的GaN阱区103以及n型导电的GaN外延层104，所述GaN衬底外延结构的晶向为a轴竖直向上。具体地，采用化学气相沉积法于所述n型导电的GaN衬底101上依次沉积n型导电的GaN漂移区102、p型导电的GaN阱区103以及n型导电的GaN外延层104。所述n型导电的GaN衬底101为n型重掺杂的GaN衬底，所述n型导电的GaN漂移区102为n型轻掺杂的GaN漂移区，所述p型导电的GaN阱区103为P型掺杂的GaN阱区，所述n型导电的GaN外延层104为n型重掺杂的GaN外延层。如图3所示，然后进行步骤2，于所述GaN衬底外延结构中形成栅沟槽105，所述栅沟槽105穿过所述n型导电的GaN外延层104及所述p型导电的GaN阱区103，并延伸至所述n型导电的GaN漂移区102内。采用光刻工艺以及等离子体干法刻蚀工艺于所述GaN衬底外延结构中形成栅沟槽105，所述栅沟槽105延伸至所述n型导电的GaN漂移区102内的深度范围介于300nm～1000nm之间，例如，所述栅沟槽105延伸至所述n型导电的GaN漂移区102内的深度可以为300nm、500nm、700nm、1000nm等。如图4所示，接着进行步骤3，于所述栅沟槽105的底部及侧壁形成AlGaN层106，所述AlGaN层106与所述p型导电的GaN阱区103形成AlGaNp-GaN异质结沟道107。采用化学气相沉积工艺于所述栅沟槽105的底部及侧壁形成AlGaN层106，所述AlGaN层106与所述p型导电的GaN阱区103形成AlGaNp-GaN异质结沟道107，通过所述AlGaN层106引入极化效应，使得后续完成的增强型纵向功率器件在不加栅压的情况下，沿c轴横向方向的所述AlGaN层与所述p型导电的GaN阱区的界面处形成电子势阱，但器件仍保持常关；加正向栅压时易引入二维电子气，使沟道具有高电子迁移率。并且，从能带角度出发，p-GaNAlGaN异质结结构更易形成常关，通过加正向栅压来增大沟道中二维电子气浓度，以调控沟道电流。作为示例，所述AlGaN层106的厚度不大于35nm。例如，所述AlGaN层106的厚度可以为35nm、25nm、15nm等。作为示例，所述AlGaN层106中的Al组分的原子数百分比介于15％～50％之间。优选地，所述AlGaN层106中的Al组分的原子数百分比为25％。如图5所示，然后进行步骤4，于所述AlGaN层106表面形成栅介质层108，于所述栅介质层108上形成栅极金属层109。采用等离子体增强化学气相沉积法等于所述AlGaN层106表面形成栅介质层108，所述栅介质层108可以为高K介质层或二氧化硅层等。采用溅射法或蒸镀法于所述栅介质层108上形成栅极金属层109，所述栅极金属层109包含NiAu叠层，采用NiAu叠层，通过Ni提高Au与栅介质层108之间的粘附性能，可有效提高电极的机械强度，防止剥落。如图6所示，接着进行步骤5，于所述GaN外延层中形成接触槽，所述接触槽显露所述GaN阱区，于所述接触槽中填充金属接触层110，并使所述金属接触层110与所述GaN阱区形成欧姆接触。作为示例，所述的金属接触层110包含Pd金属层。如图7所示，最后进行步骤6，于所述金属接触层110及所述n型导电的GaN外延层104上形成上电极111，于所述n型导电的GaN衬底101背面形成下电极112，其中，一个基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件单元如图7中的方线框所示。所述的上电极111及所述下电极112包含TiAl叠层。采用TiAl叠层，通过Ti提高Al与GaN或介质层之间的粘附性能，可有效提高电极的机械强度，防止剥落。如图7所示，本实施例还提供一种基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件，包括：GaN衬底外延结构，所述GaN衬底外延结构包含层叠的n型导电的GaN衬底101、n型导电的GaN漂移区102、p型导电的GaN阱区103以及n型导电的GaN外延层104，所述GaN衬底外延结构的晶向为a轴竖直向上；栅沟槽105，形成于所述GaN衬底外延结构中，所述栅沟槽105穿过所述n型导电的GaN外延层104及所述p型导电的GaN阱区103，并延伸至所述n型导电的GaN漂移区102内；AlGaN层106，形成于所述栅沟槽105的底部及侧壁，所述AlGaN层106与所述p型导电的GaN阱区103形成AlGaNp-GaN异质结沟道107；栅介质层108，形成于所述AlGaN层106表面；栅极金属层109，于形成所述栅介质层108上；接触槽，形成于所述GaN外延层中，所述接触槽显露所述GaN阱区，所述接触槽中填充有金属接触层110，所述金属接触层110与所述GaN阱区形成欧姆接触；上电极111，形成于所述金属接触层110及所述n型导电的GaN外延层104上；以及下电极112，形成于所述n型导电的GaN衬底101背面，一个基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件单元如图7中的方线框所示。作为示例，，通过所述AlGaN层106引入极化效应，使得所述增强型纵向功率器件在不加栅压的情况下，沿c轴横向方向的所述AlGaN层与所述p型导电的GaN阱区的界面处形成电子势阱，但器件仍保持常关；加正向栅压时易引入二维电子气，使沟道具有高电子迁移率。并且，从能带角度出发，p-GaNAlGaN异质结结构更易形成常关，通过加正向栅压来增大沟道中二维电子气浓度，以调控沟道电流。作为示例，所述AlGaN层106的厚度不大于35nm。例如，所述AlGaN层106的厚度可以为35nm、25nm、15nm等。作为示例，所述栅极金属层109包含NiAu叠层。作为示例，所述金属接触层110包含Pd金属层，所述上电极111及所述下电极112包含TiAl叠层。作为示例，所述栅沟槽105延伸至所述n型导电的GaN漂移区102内的深度范围介于300nm～1000nm之间。例如，所述栅沟槽105延伸至所述n型导电的GaN漂移区102内的深度可以为300nm、500nm、700nm、1000nm等。优选地，所述AlGaN层106中的Al组分的原子数百分比介于15％～50％之间。优选地，所述AlGaN层106中的Al组分的原子数百分比为25％。以下对本实施例的具体的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件的效果进一步进行说明：表1本实施例的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件HCMT器件仿真结构参数表2采用上表所示结构参数仿真的新型器件性能与已报道的GaNTrenchgateMOSFET结果比较：其中，上述已报道的GaNTrenchgateMOSFET具体参数可参见论文“T.Oka,T.Ina,Y.Ueno,andJ.Nishii,"1.8mΩ·cm2verticalGaN-basedtrenchmetal–oxide–semiconductorfield-effecttransistorsonafree-standingGaNsubstratefor1.2-kV-classoperation,"AppliedPhysicsExpress,vol.8,pp.054101-1-3,Apr.2015”。图8显示为本发明的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件在不同AlGaN层106厚度下对应的转移特性曲线Vds＝1V，如图8所示，本实施例的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件在AlGaN层106厚度为35nm的情况下，器件的阈值电压也能达到2V。如上所述，本发明的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件及制作方法，具有以下有益效果：本发明通过增加AlGaN层106，引入了极化效应，使不加栅压的情况下，沿着横向方向的p-GaNAlGaN界面处形成电子势阱，引入二维电子气2dimensionalelectrongas2DEG，具有较高沟道迁移率。从能带角度出发，p-GaNAlGaN结构更易形成常关，通过加正向栅压来增大沟道中2DEG的浓度，调控电流。本发明可有效提高沟道电子迁移率，减小器件导通电阻，同时提高阈值电压实现增强型的器件结构。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

权利要求：1.一种基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件，其特征在于，包括：GaN衬底外延结构，所述GaN衬底外延结构包含层叠的n型导电的GaN衬底、n型导电的GaN漂移区、p型导电的GaN阱区以及n型导电的GaN外延层，所述GaN衬底外延结构的晶向为a轴竖直向上；栅沟槽，形成于所述GaN衬底外延结构中，所述栅沟槽穿过所述n型导电的GaN外延层及所述p型导电的GaN阱区，并延伸至所述n型导电的GaN漂移区内；AlGaN层，形成于所述栅沟槽的底部及侧壁，所述AlGaN层与所述p型导电的GaN阱区形成AlGaNp-GaN异质结沟道；栅介质层，形成于所述AlGaN层表面；栅极金属层，于形成所述栅介质层上；接触槽，形成于所述GaN外延层中，所述接触槽显露所述GaN阱区，所述接触槽中填充有金属接触层，所述金属接触层与所述GaN阱区形成欧姆接触；上电极，形成于所述金属接触层及所述n型导电的GaN外延层上；以及下电极，形成于所述n型导电的GaN衬底背面。2.根据权利要求1所述的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件，其特征在于：通过所述AlGaN层引入极化效应，使不加栅压的情况下，沿c轴横向方向的所述AlGaN层与所述p型导电的GaN阱区的界面处形成电子势阱，但器件仍保持常关；加正向栅压时易引入二维电子气，使沟道具有高电子迁移率。3.根据权利要求1所述的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件，其特征在于：通过加正向栅压来增大沟道中二维电子气浓度，以调控沟道电流。4.根据权利要求1所述的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件，其特征在于：所述AlGaN层的厚度不大于35nm。5.根据权利要求1所述的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件，其特征在于：所述栅极金属层包含NiAu叠层。6.根据权利要求1所述的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件，其特征在于：所述金属接触层包含Pd金属层，所述上电极及所述下电极包含TiAl叠层。7.根据权利要求1所述的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件，其特征在于：所述栅沟槽延伸至所述n型导电的GaN漂移区内的深度范围介于300nm～1000nm之间。8.根据权利要求1～7任一项所述的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件，其特征在于：所述AlGaN层中的Al组分的原子数百分比介于15％～50％之间。9.一种基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件的制作方法，其特征在于，包括步骤：1提供一GaN衬底外延结构，所述GaN衬底外延结构包含层叠的n型导电的GaN衬底、n型导电的GaN漂移区、p型导电的GaN阱区以及n型导电的GaN外延层，所述GaN衬底外延结构的晶向为a轴竖直向上；2于所述GaN衬底外延结构中形成栅沟槽，所述栅沟槽穿过所述n型导电的GaN外延层及所述p型导电的GaN阱区，并延伸至所述n型导电的GaN漂移区内；3于所述栅沟槽的底部及侧壁形成AlGaN层，所述AlGaN层与所述p型导电的GaN阱区形成AlGaNp-GaN异质结沟道；4于所述AlGaN层表面形成栅介质层，于所述栅介质层上形成栅极金属层；5于所述GaN外延层中形成接触槽，所述接触槽显露所述GaN阱区，于所述接触槽中填充金属接触层，并使所述金属接触层与所述GaN阱区形成欧姆接触；以及6于所述金属接触层及所述n型导电的GaN外延层上形成上电极，于所述n型导电的GaN衬底背面形成下电极。10.根据权利要求9所述的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件的制作方法，其特征在于：通过所述AlGaN层引入极化效应，使不加栅压的情况下，沿c轴横向方向的所述AlGaN层与所述p型导电的GaN阱区的界面处形成电子势阱，但器件仍保持常关；加正向栅压时易引入二维电子气，使沟道具有高电子迁移率。11.根据权利要求10所述的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件的制作方法，其特征在于：通过加正向栅压来增大沟道中二维电子气浓度，以调控沟道电流。12.根据权利要求9所述的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件的制作方法，其特征在于：所述AlGaN层的厚度不大于35nm。13.根据权利要求9所述的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件的制作方法，其特征在于：步骤4所述的栅极金属层包含NiAu叠层。14.根据权利要求9所述的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件的制作方法，其特征在于：步骤5所述的金属接触层包含Pd金属层，步骤6所述的上电极及所述下电极包含TiAl叠层。15.根据权利要求9所述的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件的制作方法，其特征在于：所述栅沟槽延伸至所述n型导电的GaN漂移区内的深度范围介于300nm～1000nm之间。16.根据权利要求9～15任一项所述的基于AlGaNp-GaN沟道的增强型纵向功率器件的制作方法，其特征在于：所述AlGaN层中的Al组分的原子数百分比介于15％～50％之间。

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