CN105047709A - 栅极与源漏极异面的GaN基HEMT的结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了栅极与源漏极异面的GaN基HEMT(高电子迁移率晶体管)的结构与制作方法，能够降低栅极表面漏电，降低导通电阻。所述栅极与源漏极异面的GaN基HEMT，包括一个源极，一个漏极与一个栅极，其中栅极处于外延片的一面，而源漏两极处于另一面。由于栅极与源漏两极处于不同的平面，栅极表面漏电将减少，同时源漏距离可以设计的相对较小，从而减少导通电阻。本发明可以减少栅极表面漏电流，并通过缩短源漏电极间距减少正向导通电阻，从而减少GaN基HEMT在使用中的电能损耗。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种栅极与源漏极异面的GaN基异面栅极结构HEMT与其制作工艺。
背景技术
近些年来GaN基电力电子器件吸引了许多人的注意。然而GaN基HEMT的栅极漏电流一直是一个限制GaN基HEMT性能的原因。其中，由于HEMT通常为表面器件，所以表面漏电流是栅极漏电流的一个主要来源。另外，电力电子器件的正向导通电阻也是一个重要的性能参数。较低的正向导通电阻，可以有效的降低电力电子器件在使用过程中的电能损耗。由于常见的GaN基HEMT的栅极处于源漏电极，器件的源漏极间距存在着限制，难以缩短。源漏极间距与正向导通电阻成正比，所以常见GaN基HEMT的正向导通电阻存在着一个限制。
发明内容
本发明提出了本发明公开了栅极与源漏极异面的GaN基HEMT的结构。这种结构可以减少栅极表面漏电流，并通过缩短源漏电极间距减少正向导通电阻，从而减少GaN基HEMT在使用中的电能损耗。
本发明技术方案如下：
栅极与源漏极异面的GaN基HEMT结构，如图1所示，包含位于衬底上的GaN基HEMT外延结构，在所述外延结构上具有栅极、源漏极、漏电极，其中在栅极与外延结构之间存在一个介质层，在栅极上表面存在一个电镀铜衬底。此结构的主要特征为，栅极处于不同于源漏极所在平面的另一平面，可以用于实现增强型或耗尽型GaN基HEMT。
上述结构中，衬底材料可以采用蓝宝石或氮化镓；电极金属与转移衬底可以使用Ni、Al、Au、Pt、Ti、Cr、Cu或W等金属及其复合金属体系制作，电极金属俯视面积
介质层材料为Al2O3、SiO2、HfO2、HfTiO、ZrO2、SiNx、SiNO或MgO。
本发明提出了本发明公开了栅极与源漏极异面的GaN基HEMT的制作方法，包括以下步骤：
步骤1.在衬底表面外延生长GaN基HEMT外延结构；
步骤2.在势垒层上表面(外延方向为上)制作介质层；
步骤3.在介质层表面制作一个金属电极，作为栅极，并制作一个厚导电层作为转移衬底；
步骤4.在沟道层下表面(外延方向为上)制作两个电极，作为源极与漏极；
本发明提供的栅极与源漏极异面的GaN基HEMT的结构，由于栅极与源漏电极处于不同的表面，从而彻底阻断了栅极表面漏电通道。同时，由于栅极位置的改变，源漏电极可以安置的比常见HEMT更加接近，从而减少正向导通电阻。由于正向导通电阻的降低，所以这种新结构晶体管在使用时，电能损耗将相对减少。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1是栅极与源漏极异面的GaN基HEMT结构示意图；
图2是栅极与源漏极异面的GaN基耗尽型(常开型)HEMT衬底剥离前结构示意图；
图3是栅极与源漏极异面的GaN基增强型(常关型)HEMT衬底剥离前结构示意图。
具体实施方式
栅极与源漏极异面的GaN基HEMT结构，如图1所示，包含位于衬底上的GaN基HEMT外延结构1、2，在所述外延结构上具有栅极4、源漏极6、漏电极7，其中在栅极与外延结构之间存在一个介质层3，在栅极上表面存在一个电镀铜衬底5。此结构的主要特征为，栅极处于不同于源漏极所在平面的另一平面，可以用于实现增强型或耗尽型GaN基HEMT。
衬底材料可以采用蓝宝石或氮化镓；电极金属与转移衬底可以使用Ni、Al、Au、Pt、Ti、Cr、Cu或W等金属及其复合金属体系制作，电极金属俯视面积介质层材料为Al2O3、SiO2、HfO2、HfTiO、ZrO2、SiNx、SiNO或MgO。
实施例1
以蓝宝石材料为衬底的栅极与源漏极异面的GaN基耗尽型(常开型)HEMT制作步骤如下：
步骤1.层8为蓝宝石衬底，利用金属有机化合物化学气相沉淀技术外延生长层9缓冲层、层10GaN沟道层与层11AlGaN势垒层，形成异质结。其中势垒层的铝组份可选择为26％，层10与层11为本征材料，厚度分别为3um与20nm。
步骤2.在外延片上表面(AlGaN面)制作层12介质层，可以选用低压力化学气相沉积法沉积20nmSiN。
步骤3.在介质层上制作层13栅极金属，金属可以选择Ni与Au，利用金属蒸镀技术先蒸镀20nmNi，然后再蒸镀200nmAu。
步骤4.通过衬底剥离或转移衬底技术，在层13上电镀制作层14铜衬底，并使用激光剥离技术，去除外延片下表面的层8蓝宝石衬底。在去除了蓝宝石衬底后，制作层6源极与层7漏极于层1GaN层(同图2层9)下表面(外延方向为上)。
实施例2
以氮化镓材料为衬底的栅极与源漏极异面的GaN基耗尽型(常开型)HEMT制作步骤如下：
步骤1.层8为GaN衬底，利用金属有机化合物化学气相沉淀技术外延生长层9缓冲层、层10GaN沟道层与层11AlGaN势垒层，形成异质结。其中势垒层的铝组份可选择为26％，层10与层11为本征材料，厚度分别为3um与20nm。
步骤2.在外延片上表面(AlGaN面)制作层12介质层，可以选用低压力化学气相沉积法沉积20nmSiN。
步骤3.在介质层上制作层13栅极金属，金属可以选择Ni与Au，利用金属蒸镀技术先蒸镀20nmNi，然后再蒸镀200nmAu。
步骤4.在层13上电镀制作层14铜衬底，再利用感应耦合等离子体刻蚀技术，刻蚀GaN衬底。在去除了GaN衬底后，制作层6源极与层7漏极于层1GaN层(同图2层10)下表面(外延方向为上)。
实施例3
以蓝宝石材料为衬底的栅极与源漏极异面的GaN基增强型(常关型)HEMT制作步骤如下：
步骤1.层15为蓝宝石衬底，利用金属有机化合物化学气相沉淀技术外延生长层16缓冲层、层17GaN沟道层与层18AlGaN势垒层，形成异质结。其中势垒层的铝组份可选择为26％，层17与层18为本征材料，厚度分别为3um与20nm。
步骤2.在外延片上表面(AlGaN面)，利用金属有机化合物化学气相沉淀技术外延生长，进行二次外延，制作层19p型GaN层，厚度为10到300nm之间；
步骤3.在外延片上表面(AlGaN面)制作层20介质层，可以选用低压力化学气相沉积法沉积20nmSiN。
步骤4.在介质层上制作层21栅极金属，金属可以选择Ni与Au，利用金属蒸镀技术先蒸镀20nmNi，然后再蒸镀200nmAu。
步骤5.通过衬底剥离或转移衬底技术，在层21上电镀制作层22铜衬底，并使用激光剥离技术，去除外延片下表面的层8蓝宝石衬底。在去除了蓝宝石衬底后，制作层6源极与层7漏极于层1GaN层(同图3层17)下表面(外延方向为上)。
实施例4
以氮化镓材料为衬底的栅极与源漏极异面的GaN基增强型(常关型)HEMT制作步骤如下：
步骤1.层15为GaN衬底，利用金属有机化合物化学气相沉淀技术外延生长层16缓冲层、层17GaN沟道层与层18AlGaN势垒层，形成异质结。其中势垒层的铝组份可选择为26％，层17与层18为本征材料，厚度分别为3um与20nm。
步骤2.在外延片上表面(AlGaN面)，利用金属有机化合物化学气相沉淀技术外延生长，进行二次外延，制作层19p型GaN层，厚度为10到300nm之间；
步骤3.在外延片上表面(AlGaN面)制作层20介质层，可以选用低压力化学气相沉积法沉积20nmSiN。
步骤4.在介质层上制作层21栅极金属，金属可以选择Ni与Au，利用金属蒸镀技术先蒸镀20nmNi，然后再蒸镀200nmAu。
步骤5.在层21上电镀制作层22铜衬底，再利用感应耦合等离子体刻蚀技术，刻蚀GaN衬底。在去除了GaN衬底后，制作层6源极与层7漏极于层1GaN层(同图2层17)下表面(外延方向为上)。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种栅极与源漏极异面的GaN基HEMT的结构，包括位于衬底上的GaN基HEMT外延结构(1)、(2)，在所述外延结构上具有栅极(4)、源源极(6)、漏电极(7)，其中在栅极(4)与外延结构之间存在一个介质层(3)，在栅极(4)上表面存在一个电镀铜衬底(5)，栅极(4)处于器件的上表面，而源漏电极(6)则处于器件的下表面(外延方向为上)，转移衬底处于栅极(4)的上表面，其中，栅极(4)处于不同于源漏极(6)所在平面的另一平面，可以用于实现增强型或耗尽型GaN基HEMT。
2.根据权利要求1所述的栅极与源漏极异面的GaN基HEMT的结构，其特征在于，其中所述GaN基HEMT外延结构为耗尽型HEMT结构，从下往上依次包括衬底、GaN基缓冲层、GaN基沟道层和GaN基势垒层。
3.根据权利要求1所述的栅极与源漏极异面的GaN基HEMT的结构，其特征在于，其中所述GaN基HEMT外延结构为增强型HEMT结构，从下往上依次包括衬底、GaN基缓冲层、GaN基沟道层、GaN基势垒层和p-GaN层。
4.根据权利要求1所述的栅极与源漏极异面的GaN基HEMT的结构，其特征在于，其中电极金属与转移衬底是使用Ni、Al、Au、Pt、Ti、Cr或Cu金属或其复合金属体系制作，电极金属俯视面积小于器件横截面积，厚度范围在10到3000nm之间，转移衬底厚度范围在100到400um之间。
5.根据权利要求1所述的栅极与源漏极异面的GaN基HEMT的结构，其特征在于，其中所述介质层材料为Al2O3、SiO2、HfO2、HfTiO、ZrO2、SiNx、SiNO或MgO。
6.一种如权利要求1所述的栅极与源漏极异面的GaN基HEMT的制作方法，包括如下步骤：
步骤1.在衬底表面外延生长GaN基HEMT外延结构；
步骤2.在势垒层上表面外延方向为上制作介质层；
步骤3.在介质层表面制作一个金属电极作为栅极，并制作一个厚导电层作为转移衬底；
步骤4.在沟道层下表面外延方向为上制作两个电极，作为源极与漏极，其中，栅极处于不同于源漏极所在平面的另一平面。
7.根据权利要求6所述的栅极与源漏极异面的GaN基HEMT的制作方法，其特征在于，其中所述衬底的材料为蓝宝石或氮化镓。
8.根据权利要求6所述的栅极与源漏极异面的GaN基HEMT的制作方法，其特征在于，其中所述介质层的材料为Al2O3、SiO2、HfO2、HfTiO、ZrO2、SiNx、SiNO或MgO。
9.根据权利要求6所述的栅极与源漏极异面的GaN基HEMT的制作方法，其特征在于，其中电极金属与转移衬底是使用Ni、Al、Au、Pt、Ti、Cr或Cu金属或其复合金属体系制作，电极金属俯视面积小于器件横截面积，厚度范围在10到3000nm之间，转移衬底厚度范围在100到400um之间。
10.根据权利要求6中所述的栅极与源漏极异面的GaN基HEMT的制作方法，其特征在于，其中制作源漏极之前，先制作栅极于结构的上表面，其制作方法是使用光刻工艺等方法制作掩膜后，利用金属蒸镀或溅射等方法沉积金属，并利用金属剥离工艺完成栅极制作，或者也可以先沉积金属后，制作掩膜，并利用金属刻蚀技术制作栅电极。
11.根据权利要求6中所述的栅极与源漏极异面的GaN基HEMT的制作方法，其特征在于，其中步骤4中在源漏极金属制作之前，需要对衬底与缓冲层进行处理，使得金属电极制作后，在垂直方向接近沟道层与势垒层之间的二维电子气，处理衬底与缓冲层时，是使用刻蚀技术开口，或使用转移衬底技术剥离衬底后，刻蚀缓冲层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20151111 |