異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管及其制作方法，所述異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管至少包括：第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層、源極、漏極、柵極、外延層和高功函數(shù)金屬層；其中，第二半導(dǎo)體層、源極和漏極形成于第一半導(dǎo)體層上；柵極形成在源極和漏極之間的第二半導(dǎo)體層的表面；柵極和第二半導(dǎo)體層的表面還形成有鈍化層，溝槽位于所述柵極和漏極之間的鈍化層中，暴露出第二半導(dǎo)體層表面，且溝槽中形成有外延層；源極、外延層上，以及源極和柵極之間的鈍化層上形成有高功函數(shù)金屬層，外延層和高功函數(shù)金屬層構(gòu)成肖特基接觸。這樣形成的新的HEMT中集成了SBD器件，器件面積小于將獨(dú)立的HEMT及獨(dú)立的SBD器件連接的方案，而在耐高溫、耐高壓、高功率、密度方面優(yōu)勢(shì)相當(dāng)。
【專利說(shuō)明】異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體技術(shù)，特別是涉及一種異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]—般的，傳統(tǒng)技術(shù)中的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HEMT)如圖1所示，包括形成在硅襯底100上的第一半導(dǎo)體層200、第二半導(dǎo)體層400、源極320、漏極310和柵極330。所述第一半導(dǎo)體層200和所述第二半導(dǎo)體層400構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，所述異質(zhì)結(jié)界面處存在二維電子氣。所述源極310、漏極320和柵極330為金屬，所述源極310、漏極320位于所述第二半導(dǎo)體層400兩端，并與所述第一半導(dǎo)體層200構(gòu)成歐姆接觸，所述柵極330位于所述第二半導(dǎo)體層400上，與所述第二半導(dǎo)體層400構(gòu)成肖特基接觸。異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作時(shí)，通過(guò)控制柵極330下的肖特基勢(shì)壘來(lái)控制所述二維電子氣的濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。所述第一半導(dǎo)體層200 —般為GaN，所述第二半導(dǎo)體層400 —般為AlGaN，兩者構(gòu)成AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)。所述柵極和第二半導(dǎo)體層400的表面還形成有鈍化層500，所述源極310和靠近所述源極310的鈍化層500 —側(cè)上形成有高功函數(shù)金屬層600以構(gòu)成金屬場(chǎng)板。
[0003]而由于所述第一半導(dǎo)體層200或者第二半導(dǎo)體層在縱向上摻雜類型是一致的，故在 HEMT 不能具有如 S1-LDMOS (S1-Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor,基于Si基底的橫向擴(kuò)散金屬氧化物娃半導(dǎo)體)等器件所具有的Body Diode (體二極管),這使得在HEMT關(guān)斷時(shí)會(huì)因源極電荷累積而產(chǎn)生局部高壓進(jìn)而燒壞器件。尤其在在電子開(kāi)關(guān)電路的一些應(yīng)用中，如在DC/AC變頻器中，由于工作電壓很大，需要在晶體管源漏極之間具有一個(gè)反向二極管，以在晶體管關(guān)斷時(shí)防止因源極電荷累積而產(chǎn)生局部高壓進(jìn)而燒壞器件。所以在設(shè)計(jì)基于HEMT器件的電子開(kāi)關(guān)電路時(shí)，需要并聯(lián)一只獨(dú)立的反向高壓二極管以保護(hù)HEMT器件。增大了電路復(fù)雜性和成本。
[0004]為了解決這個(gè)問(wèn)題,Panasonic(松下)公司在2012年發(fā)布了一種新型的GaN HEMT,如圖2所示。在此器件中，松下將漏極320延伸到與硅襯底100相接觸，另在所述硅襯底100的背面淀積背面金屬層700形成肖特基電極，以此將硅肖特基二極管集成于GaN HEMT中。而由于所述硅肖特基二極管是基于硅襯底100所形成，并不具有基于GaN襯底形成的半導(dǎo)體器件特有的高耐壓，高功率密度，低電阻及高耐溫的特性。集成此硅二極管會(huì)影響整體氮化鎵器件在惡劣環(huán)境下的工作能力。另一方面，此器件結(jié)構(gòu)需要在漏極處做很深的刻蝕以暴露出硅襯底100，工藝難度很大，并且會(huì)增大器件的漏電。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管及其制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中難以在異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管中集成二極管的問(wèn)題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管，所述異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管至少包括:第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層、源極、漏極、柵極、外延層和高功函數(shù)金屬層；[0007]其中，所述第二半導(dǎo)體層、所述源極和漏極形成于所述第一半導(dǎo)體層上；
[0008]所述柵極形成在所述源極和所述漏極之間的第二半導(dǎo)體層的表面；
[0009]所述柵極和第二半導(dǎo)體層的表面還形成有鈍化層，所述溝槽位于所述柵極和漏極之間的鈍化層中，暴露出所述第二半導(dǎo)體層表面，且所述溝槽中形成有外延層；
[0010]所述源極、所述外延層上，以及源極和柵極之間的鈍化層上形成有高功函數(shù)金屬層，所述外延層和所述高功函數(shù)金屬層構(gòu)成肖特基接觸。
[0011]優(yōu)選的，所述第一半導(dǎo)體層為三五族化合物半導(dǎo)體，所述第二半導(dǎo)體層為與所述第一層半導(dǎo)體層形成異質(zhì)結(jié)的三五族化合物半導(dǎo)體。
[0012]優(yōu)選的，所述第一半導(dǎo)體層形成于硅襯底上。
[0013]優(yōu)選的，所述高功函數(shù)金屬層為Ni或Pt。
[0014]優(yōu)選的，所述源極與所述源極和柵極之間的鈍化層上所述高功函數(shù)金屬層為金屬場(chǎng)板。
[0015]優(yōu)選的，所述外延層的厚度為IOnm?I ii m。
[0016]優(yōu)選的，所述溝槽和柵極之間的距離小于和所述溝槽和漏極的距離。
[0017]優(yōu)選的，所述溝槽的寬度為2iim?4iim。
[0018]優(yōu)選的，所述外延層中的Al濃度大于等于或大于所述第二半導(dǎo)體層中的Al濃度。
[0019]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供了一種異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的制作方法，包括:
[0020]提供硅襯底；
[0021]在所述硅襯底上從下至上依次形成所述第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層和犧牲層；
[0022]在所述犧牲層中形成所述溝槽，所述溝槽暴露出所述第二半導(dǎo)體層的表面；
[0023]利用外延工藝在所述溝槽中形成所述外延層；
[0024]利用刻蝕工藝去除所述犧牲層；
[0025]形成所述源極、漏極和柵極；
[0026]在所述柵極和第二半導(dǎo)體層的表面形成鈍化層，所述鈍化層暴露出所述源極、漏極和所述外延層；
[0027]在所述源極、鈍化層和所述外延層上形成高功函數(shù)金屬層，以形成覆蓋所述源極、柵極、柵極與漏極之間的鈍化層上的金屬場(chǎng)板和所述外延層的肖特基接觸。
[0028]如上所述，本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管及其制作方法，具有以下有益效果:
[0029]本發(fā)明的技術(shù)方案中，在傳統(tǒng)技術(shù)中的HEMT的柵極G與漏極D之間溝道的上方利用外延工藝形成的外延層與高功函數(shù)金屬層形成了一個(gè)肖特基接觸，且此肖特基接觸通過(guò)源極上的金屬場(chǎng)板(高功函數(shù)金屬層)與源極相連接，從而成功將肖特基二極管(SBD)集成于傳統(tǒng)的HEMT器件中，形成了耐高溫、耐高壓、高功率，并且器件面積小于將獨(dú)立HEMT及SBD器件連接的新的HEMT。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1顯示為傳統(tǒng)技術(shù)中的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖2顯示為松下公司發(fā)布的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖3至圖5顯示為實(shí)施例中提供的新的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的示意圖。
[0033]圖6顯示為實(shí)施例中提供的新的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管版圖示意圖。[0034]圖7顯示為傳統(tǒng)技術(shù)中將異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管和二極管并聯(lián)的版圖示意圖。
[0035]圖8至圖15顯示為實(shí)施例中提供的新的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的器件性能的示意圖。
[0036]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0037]
100硅襯底
200第一半導(dǎo)體層
201二維電子氣
310 漏極
320源極
330柵極
400第二半導(dǎo)體層
410外延層
500鈍化層
600高功函數(shù)金 屬層
700背面金屬層
【具體實(shí)施方式】
[0038]為了便于說(shuō)明，先對(duì)本說(shuō)明書(shū)涉及到的詞匯進(jìn)行詮釋。本說(shuō)明書(shū)中，相關(guān)詞匯的含義以此處詮釋為準(zhǔn)。
[0039]三五族化合物半導(dǎo)體:為三族元素和五族元素組合成的化合物的半導(dǎo)體。如Ga、In、Al等屬于三族元素;As、N等屬于五族元素。比如GaN、AIN、InN、GaAs> AlAs等都屬于三五族化合物半導(dǎo)體。
[0040]相較于傳統(tǒng)HEMT器件，本發(fā)明的技術(shù)方案中利用選擇性外延工藝，在HEMT的柵極與漏極間溝道的上方，形成外延層，然后再形成高功函數(shù)金屬以與所述外延層形成了肖特基接觸和金屬場(chǎng)板，且所述肖特基接觸通過(guò)覆蓋源極的金屬場(chǎng)板與源極相連接。實(shí)現(xiàn)將肖特基二極管(SBD)集成于HEMT器件中，并利用HEMT柵漏之間的溝道做為導(dǎo)電通道。這樣形成的新的HEMT中集成了耐高溫、耐高壓、高功率、且密度優(yōu)勢(shì)相當(dāng)?shù)腟BD器件，并且器件面積小于將獨(dú)立HEMT及SBD器件連接的方案。本實(shí)施例中，將所述形成的新的HEMT器件命名為SDIHEMT。
[0041]以下由特定的具體實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)及功效。
[0042]請(qǐng)參閱圖3至圖6。須知，本說(shuō)明書(shū)所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說(shuō)明書(shū)所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的限定條件，故不具技術(shù)上的實(shí)質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達(dá)成的目的下，均應(yīng)仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。同時(shí)，本說(shuō)明書(shū)中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語(yǔ)，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的范圍，其相對(duì)關(guān)系的改變或調(diào)整，在無(wú)實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實(shí)施的范疇。
[0043]如圖3所示，本發(fā)明提供一種新的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管(SDIHEMT)，其包括:
[0044]包括形成在硅襯底100上的第一半導(dǎo)體層200、第二半導(dǎo)體層400、源極320、漏極310和柵極330。所述第一半導(dǎo)體層200和所述第二半導(dǎo)體層400構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，所述異質(zhì)結(jié)界面處存在二維電子氣(2DEG) 201。
[0045]所述第二半導(dǎo)體層400、所述源極310和漏極320形成于所述第一半導(dǎo)體層200上；所述源極310、漏極320和柵極330為金屬，所述源極310、漏極320位于所述第二半導(dǎo)體層400兩端，并與所述第一半導(dǎo)體層200構(gòu)成歐姆接觸。所述柵極330形成在所述源極310和所述漏極320之間的第二半導(dǎo)體層400的表面；所述柵極330位于所述第二半導(dǎo)體層400上，與所述第二半導(dǎo)體層400構(gòu)成肖特基接觸。
[0046]所述柵極和第二半導(dǎo)體層400的表面還形成有鈍化層500，所述溝槽位于所述柵極330和漏極320之間的鈍化層500中，暴露出所述第二半導(dǎo)體層400表面，且所述溝槽中形成有外延層410 ；
[0047]所述源極310和所述外延層410上，以及源極310和柵極330之間的鈍化層500上形成有高功函數(shù)金屬層600，所述外延層410和所述高功函數(shù)金屬層600構(gòu)成肖特基接觸。
[0048]本實(shí)施例中，所述第一半導(dǎo)體層200形成于娃襯底100上。在其它實(shí)施方式中,所述第一半導(dǎo)體層200也可以基于別的材質(zhì)的襯底形成，如碳化硅，藍(lán)寶石等。
[0049]本實(shí)施例中，所述第一半導(dǎo)體層200為GaN，所述第二半導(dǎo)體層400為AlGaN，兩者構(gòu)成AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)。
[0050]本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠了解的是,AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)是目前制作HEMT的最重要和最基本的材料體系。其中，由于三五族化合物半導(dǎo)體具有較大的壓電系數(shù)(AlN和GaN的壓電系數(shù)為8.9和8.5)，同時(shí)，AlN和GaN之間的晶格失配為2.5%，大的壓電系數(shù)和晶格失配使得在GaN和AlGaN層之間有一個(gè)很強(qiáng)的壓電激化效應(yīng)。另一方面，三五族化合物半導(dǎo)體具有低對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)，這使得在AlGaN層中還存在著很強(qiáng)的自發(fā)激化效應(yīng)。自發(fā)激化效應(yīng)和壓電激化效應(yīng)是互相增強(qiáng)的，這使得AlGaN層中的激化強(qiáng)度可達(dá)到MV/cm數(shù)量級(jí)。另外，由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處大的導(dǎo)帶不連續(xù)性，提供一個(gè)很深的量子阱和很高濃度的2DEG，它比傳統(tǒng)的AlGaAs/GaAs體系高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0051]在其它實(shí)施例中，所述第一層半導(dǎo)體層200也可以為其它三五族化合物半導(dǎo)體，如GaAs ;所述第二層半導(dǎo)體層400也可以為可與所述第一層半導(dǎo)體層200形成異質(zhì)結(jié)的其他三五族化合物半導(dǎo)體，如AlGaAs、InAlN等。
[0052]所述鈍化層500的材質(zhì)為氧化硅、氮化硅或BPSG等。
[0053]所述外延層410的厚度為IOnm?I ii m。
[0054]本實(shí)施例中，所述外延層410的材質(zhì)為AlGaN。所述外延層410中的Al濃度等于或大于所述第二半導(dǎo)體層中的Al濃度。
[0055]如前所述，AlGaN和GaN之間的激化效應(yīng)由材料本身的自發(fā)激化和AlGaN與GaN之間內(nèi)建應(yīng)力產(chǎn)生的壓電激化有關(guān)。越厚的AlGaN層，或Al組分更高的AlGaN層，均可以引入更強(qiáng)的與GaN之間的應(yīng)力，增大壓電激化。
[0056]本實(shí)施例中，通過(guò)MOCVD生長(zhǎng)等方法再次生長(zhǎng)外延層410于第二半導(dǎo)體層400上，一方面在局部增加了 AlGaN層的厚度，另一方面也可以通過(guò)在再生AlGaN層中引入更多的Al的組分以增大AlGaN與GaN之間的壓電激化，以吸引更多的自由電子在AlGaN與GaN之間的界面處積聚，增多2DEG溝道中的載流子數(shù)量。
[0057]異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作時(shí)，通過(guò)控制柵極330下的肖特基勢(shì)壘來(lái)控制所述二維電子氣(2DEG) 201的濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中電流的控制。 [0058]另外，本實(shí)施例中，所述源極310與所述源極310和柵極330之間的鈍化層500上所述高功函數(shù)金屬層600為金屬場(chǎng)板。所述高功函數(shù)金屬層為Ni或Pt。與硅器件中的金屬場(chǎng)板原理類似，金屬場(chǎng)板可以將源極偏壓引入到鈍化層上方，以平整鈍化層下方的導(dǎo)電溝道里的電場(chǎng)分布，從而提高器件的耐壓能力。
[0059]在現(xiàn)有工藝中，一般HEMT中也具有金屬場(chǎng)板，其也可以起到平整柵漏間電場(chǎng)分布的作用。而在本實(shí)施例中，在金屬場(chǎng)板的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入了一個(gè)跟第二半導(dǎo)體層400更近的肖特基接觸，故其對(duì)AlGaN與GaN之間的2DEG溝道的影響會(huì)更直接，起到進(jìn)一步平整柵漏電場(chǎng)的作用。
[0060]圖4至圖5所示，分別為本實(shí)施例提供的HEMT在漏源極間偏壓正偏和漏源極間偏壓反偏狀態(tài)下的工作情況。本實(shí)施例，外延層410和高功函數(shù)金屬層600引入的肖特基二極管是在源極310和漏極320之間形成一個(gè)漏源正向截止，作為反向?qū)ǖ男沽骰芈贰?br> [0061]如圖4中所示，當(dāng)器件漏極320的電壓高于源極310的電壓時(shí)，器件如傳統(tǒng)HEMT正常工作，肖特基二極管因反偏處于截至狀態(tài)；
[0062]如圖5中所示，當(dāng)器件關(guān)斷瞬間，源極310的電荷積累時(shí)，源極310電壓高于漏極，故肖特基二極管正偏，積累電荷通過(guò)肖特基二極管流向漏極320獲得釋放，保護(hù)了器件。
[0063]圖6為本實(shí)施例提供的SDIHEMT的版圖示意圖，圖7所示為傳統(tǒng)技術(shù)中將HEMT和二極管(SBD)并聯(lián)的版圖不意圖。
[0064]一般來(lái)講，典型的HEMT的源極S和柵極G之間距離Les為I至2 ii m，漏極D和柵極G之間距離的LeD為15至20 ii m,源極S或漏極D的寬度Ls/D為20 y m。集成肖特基二極管柵極G (外延層的寬度)的寬度!^㈣為〗~4pm。引入集成肖特基二極管后，只在漏極D和柵極G之間增大2~4 ii m。
[0065]而一般的HEMT的的寬度為59 u m，獨(dú)立的SBD的寬度為55 u m。亦即新的漏極和柵極之間距離為17至24微米。但此增加的長(zhǎng)度比完全新增一個(gè)獨(dú)立的具有相同耐壓能力的二極管(器件長(zhǎng)度為40微米或更多)要小很多。圖6和圖7比較中可見(jiàn)，SDIHEMT所占的面積比獨(dú)立的HEMT和獨(dú)立的SBD并聯(lián)所占的面積要小得多。
[0066]另外，發(fā)明人為了驗(yàn)證本實(shí)施例提供的SDIHEMT的器件性能，使用SynopsysSentaurus TCAD軟件對(duì)傳統(tǒng)HEMT和SDIHEMT進(jìn)行了對(duì)比模擬，具體情況如下:
[0067]1.模型結(jié)構(gòu)
[0068]各層組成:娃襯底100的厚度為I U m ;第一半導(dǎo)體層200為GaN，厚度為4 y m ;第二半導(dǎo)體層400為Ala25Gaa75N,厚度為20nm ;鈍化層500為SiN，厚度為200nm。另外，第一半導(dǎo)體層200和硅襯底100之間還形成有緩沖層(buffer層，未圖示)，材質(zhì)為GaN，厚度為3nm。
[0069]電極分配:源極(S) /柵極(G) /肖特基結(jié)(SCH) /漏極(D)，其中源極(S)和肖特基結(jié)(SCH)通過(guò)場(chǎng)板連接。[0070]器件尺寸:
[0071]SDIHEMT:LS/LD=1 u m, LG/LSCH=2 u m, LGS/LG,SCH=2 u m, Lsch7d=15 u m。HEMT:LS/LD=1 u m,Lg=2 u m, Lgs=2 u m, Lgd= 15 y m。
[0072]表面電荷:Etrap- Ei=L 2eV, Dtrap=2.8 x IO13CnT2。
[0073]其中，各符號(hào)的含義與上文一致。
[0074]2.模擬結(jié)果
[0075]在此模擬中，所述外延層410為50nm厚的Ala25Gaa75N15其能帶結(jié)構(gòu)和載流子濃度分布如圖8和圖9所示。
[0076]其中，圖8中的橫軸為異質(zhì)結(jié)縱向位置(Depth，單位為nm)，縱軸為導(dǎo)帶能級(jí)高度(Conduction band,單位為eV)。圖中，實(shí)線表示了 SDIHEMT在肖特基接觸處的縱向?qū)芗?jí)分布，虛線表示了 HEMT在柵極與漏極間的縱向?qū)芗?jí)分布。
[0077]圖9中的橫軸為異質(zhì)結(jié)縱向位置(Depth，單位為nm)，縱軸為載流子濃度(Electron density，數(shù)量級(jí)為102°，單位為cm_3)。圖中，實(shí)線表示了 SDIHEMT在肖特基接觸處的溝道載流子濃度分布，虛線表示了 HEMT在柵極與漏極間的溝道載流子濃度分布。
[0078]可以看出，相較于HEMT中正常SiN鈍化后的AlGaN/GaN溝道，擁有AlGaN外延層410的SDIHEMT的溝道因?yàn)楦鼜?qiáng)的激化效應(yīng)，即使在有肖特基金屬覆蓋的情況下，仍具有更深的2DEG溝道能級(jí)深度和更高的載流子濃度，以此可以避免肖特基結(jié)對(duì)器件載流能力的限制。
[0079]圖10所示，為SDIHEMT與傳統(tǒng)HEMT的器件開(kāi)關(guān)特性比較(Transfer IV)。圖中，橫軸為柵源偏壓(Vffi，單位為V)，縱軸為導(dǎo)通電流(ID，單位為A/mm)。實(shí)線表示了 SDIHEMT的器件開(kāi)關(guān)特性，虛線表示了 HEMT的器件開(kāi)關(guān)特性?？梢钥闯鯯DIHEMT與HEMT在類似尺寸下具有相當(dāng)甚至略好的器件開(kāi)關(guān)特性。
[0080]如圖11所示，為SDIHEMT器件的輸出特性(Output IV)的示意圖，圖中，橫軸為漏源偏壓(Vds，單位為V)，縱軸為輸出電流(ID，單位為A/mm)。實(shí)線表示了 SDIHEMT的輸出特性，虛線表示了 HEMT的輸出特性?？梢钥吹絊DIHEMT因?yàn)轭~外的肖特基結(jié)接觸區(qū)域及柵與肖特基結(jié)之間的區(qū)域，在源漏偏壓較小時(shí)，相對(duì)于HEMT其最小導(dǎo)通電阻會(huì)增大13%左右。但當(dāng)源漏間偏壓大于10伏特時(shí)，得益于AlGaN再生外延層所引入的高濃度溝道載流子，SDIHEMT顯示出了更強(qiáng)的載流能力。
[0081]圖12所示，為SDIHEMT與傳統(tǒng)HEMT的關(guān)斷漏電特性(off-state IV)。圖中，橫軸為漏源偏壓(Vds，單位為V)，縱軸為關(guān)斷漏電(ID，單位為A/mm)。實(shí)線表示了 SDIHEMT的關(guān)斷漏電特性，虛線表示了 HEMT的關(guān)斷漏電特性。可以看到在類似尺寸下，SDIHEMT具有比HEMT更高的耐壓能力，其擊穿電壓增大20%左右。在低源漏偏壓情況下，SDIHEMT因?yàn)檩^HEMT多了一個(gè)肖特基接觸，故其器件漏電會(huì)大于HEMT，但仍擁有小于I y A/mm的低漏電性能。
[0082]如圖13所示，為SDIHEMT與傳統(tǒng)HEMT的C-V比較示意圖，圖中，橫軸為柵源偏壓(Vffi，單位為V)，縱軸為寄生電容(C，單位為f/mm)。實(shí)線表示了 SDIHEMT的寄生電容特性，虛線表示了 HEMT的寄生電容特性?？梢钥吹皆陬愃瞥叽缦?，SDIHEMT相對(duì)于HEMT其最大寄生電容并不具有明顯增加。
[0083]如圖14所示，為SDIHEMT與傳統(tǒng)HEMT在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中的動(dòng)態(tài)I_V比較示意圖。圖中，橫軸為信號(hào)時(shí)間(Time，單位為s)，縱軸為相應(yīng)電流(ID，單位為A/mm)。實(shí)線表示了 SDIHEMT的動(dòng)態(tài)開(kāi)啟特性，虛線表示了 HEMT的動(dòng)態(tài)開(kāi)啟特性。
[0084]因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)表面具有大量的帶正電的表面缺陷，在器件動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)的過(guò)程中器件溝道上方的異質(zhì)結(jié)表面會(huì)處于持續(xù)的表面缺陷充放電狀態(tài)，引起氮化鎵功率器件特有的電流崩塌效應(yīng)。此電流崩塌的時(shí)間常數(shù)和強(qiáng)度決定于表面缺陷的能級(jí)高度和濃度。
[0085]圖14中可以看到，在相同的表面缺陷設(shè)定下，可以看到，SDIHEMT的電流崩塌恢復(fù)時(shí)間僅為傳統(tǒng)HEMT的10%左右。這是由于SDIHEMT中的肖特基接觸隔離了柵與漏之間的表面缺陷溝道，使得在器件柵開(kāi)關(guān)的時(shí)候僅有柵與肖特基接觸間的一小段區(qū)域處于表面缺陷充放電的狀態(tài)，故其電流崩塌效應(yīng)大大弱于傳統(tǒng)HEMT器件。
[0086]如圖15所示，為SDIHEMT的反向?qū)щ奍V。圖中，橫軸為肖特基極與漏極間偏壓(VSCH_D,單位為V),縱軸為肖特基電流(Isra,單位為A/mm)?？梢钥吹皆谠绰┓雌珪r(shí),在肖特基結(jié)與漏極間可以形成肖特基結(jié)正向開(kāi)啟電流，且其導(dǎo)流能力與SDIHEMT器件正向載流能力相當(dāng)，不致出現(xiàn)泄流不及的情況。表一對(duì)比了 SDIHEMT及HEMT在類似設(shè)計(jì)下的性能特征:
[0087]表一:在類似設(shè)計(jì)下的SDIHEMT和HEMT性能特征對(duì)比
【權(quán)利要求】
1.一種異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管，其特征在于，所述異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管至少包括:第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層、源極、漏極、柵極、外延層和高功函數(shù)金屬層； 其中，所述第二半導(dǎo)體層、所述源極和漏極形成于所述第一半導(dǎo)體層上； 所述柵極形成在所述源極和所述漏極之間的第二半導(dǎo)體層的表面； 所述柵極和第二半導(dǎo)體層的表面還形成有鈍化層，所述溝槽位于所述柵極和漏極之間的鈍化層中，暴露出所述第二半導(dǎo)體層表面，且所述溝槽中形成有外延層； 所述源極、所述外延層上，以及源極和柵極之間的鈍化層上形成有高功函數(shù)金屬層，所述外延層和所述高功函數(shù)金屬層構(gòu)成肖特基接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管，其特征在于:所述第一半導(dǎo)體層為三五族化合物半導(dǎo)體，所述第二半導(dǎo)體層為與所述第一層半導(dǎo)體層形成異質(zhì)結(jié)的三五族化合物半導(dǎo)體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管，其特征在于:所述第一半導(dǎo)體層形成于硅襯底上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管，其特征在于:所述高功函數(shù)金屬層為Ni或Pt。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管，其特征在于:所述源極與所述源極和柵極之間的鈍化層上所述高功函數(shù)金屬層為金屬場(chǎng)板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管，其特征在于:所述外延層的厚度為IOnm?I U m0
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管，其特征在于:所述溝槽和柵極之間的距離小于所述溝槽和漏極的距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管，其特征在于:所述溝槽的寬度為2y m?4 u m0
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管，其特征在于:所述外延層中的Al濃度等于或大于所述第二半導(dǎo)體層中的Al濃度。
10.一種異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的制作方法，其特征在于，包括: 提供娃襯底； 在所述硅襯底上從下至上依次形成所述第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層和犧牲層； 在所述犧牲層中形成所述溝槽，所述溝槽暴露出所述第二半導(dǎo)體層的表面； 利用外延工藝在所述溝槽中形成所述外延層； 利用刻蝕工藝去除所述犧牲層； 形成所述源極、漏極和柵極； 在所述柵極和第二半導(dǎo)體層的表面形成鈍化層，所述鈍化層暴露出所述源極、漏極和所述外延層； 在所述源極、鈍化層和所述外延層上形成高功函數(shù)金屬層，以形成覆蓋所述源極、柵極、柵極與漏極之間的鈍化層上的金屬場(chǎng)板和所述外延層的肖特基接觸。
【文檔編號(hào)】H01L21/335GK103579332SQ201310532829
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月31日
【發(fā)明者】袁理 申請(qǐng)人:中航（重慶）微電子有限公司