本發(fā)明涉及半導(dǎo)體，具體為一種增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、氮化物半導(dǎo)體功率器件相比于傳統(tǒng)硅材料器件具有高擊穿電場(chǎng)，更加節(jié)能，物理化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定，可以工作于更高的環(huán)境溫度下，具有更高的開關(guān)速度可以降低應(yīng)用系統(tǒng)的體積重量等多種優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于各種家用電器，電動(dòng)汽車，太陽能風(fēng)能等新能源發(fā)電，電動(dòng)汽車，機(jī)器人以及智能制造產(chǎn)業(yè)，大型數(shù)據(jù)處理中心等廣泛領(lǐng)域。

2、目前氮化物晶體管器件主要采用高電子遷移率晶體管(hemt)結(jié)構(gòu)，利用al?gan勢(shì)壘層與gan溝道層界面處由于極化電場(chǎng)的不連續(xù)形成的高濃度二維電子氣，該二維電子氣具有高電子遷移率，因此可以顯著降低器件的導(dǎo)通電阻，然而由于二維電子氣的存在，氮化物晶體管是耗盡型(常開型)器件，在不加外在柵壓的情況下溝道是導(dǎo)通的，從使用安全性考慮，需要增強(qiáng)型(常關(guān)型)器件，目前商業(yè)化的實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型氮化物晶體管的技術(shù)路線主要有兩種，一種是采用耗盡型氮化物器件與常關(guān)型硅晶體管形成cascode級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型功能；另一種是在勢(shì)壘層上生長(zhǎng)p型gan帽層，耗盡柵極下方溝道層中的二維電子氣實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型，cascode結(jié)構(gòu)中si晶體管的存在限制了高溫和高頻條件下器件的性能，對(duì)氮化物晶體管和si晶體管的性能匹配要求較高，同時(shí)也會(huì)增加芯片的成本；采用p型gan帽層實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型，為了提高柵壓擺幅和減少柵極漏電，一般采用在p型gan帽層上方制作肖特基接觸電極。

3、但是由于金屬肖特基接觸的特性以及難以在p型gan界面形成理想的金屬肖特基接觸，晶體管的柵極漏電仍然較高，而使用半導(dǎo)體pn結(jié)相比于金屬肖特基接觸有更低的漏電流，以及更高的耐壓特性，然而由于p型gan帽層通常采用高濃度mg摻雜，存在所謂的記憶效應(yīng)(memory?effect)，在摻雜氣體停止后在后續(xù)生長(zhǎng)過程中仍然存在較長(zhǎng)時(shí)間的mg摻雜，因此難以繼續(xù)生長(zhǎng)n型氮化物材料形成較好的pn結(jié)構(gòu)，故而提出一種增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)以解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，具備柵極耐壓性好，不容易漏電等優(yōu)點(diǎn)，解決了柵極耐壓性不好，容易漏電的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，包括外延結(jié)構(gòu)，所述外延結(jié)構(gòu)包括襯底、成核層、緩沖層、溝道層、勢(shì)壘層和勢(shì)壘層上的帽層，在所述外延結(jié)構(gòu)表面制作晶體管結(jié)構(gòu)的源極、柵極以及漏極；

3、所述勢(shì)壘層上的帽層包含極化摻雜p型氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，以及其上方的n型氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

4、進(jìn)一步，所述襯底為硅襯底、碳化硅襯底、藍(lán)寶石襯底或氮化鎵襯底，所述襯底還可以是以上述襯底材料為表面與其他材料形成的復(fù)合襯底。

5、進(jìn)一步，所述成核層為al?n、gan、i?nn或者是它們的合金，亦或是上述的多層堆疊結(jié)構(gòu)，所述成核層也可以是先在硅層表面生長(zhǎng)一層3c-s?ic或者s?in然后繼續(xù)生長(zhǎng)所述aln、gan、i?nn或者它們的合金，亦或是上述的多層堆疊結(jié)構(gòu)。

6、進(jìn)一步，所述緩沖層為al?n、al?gan、gan的單層或多層堆疊的結(jié)構(gòu)或al?n/gan、aln/al?gan和al?gan/gan超晶格結(jié)構(gòu)，所述緩沖層也可以是包括上述結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

7、進(jìn)一步，所述勢(shì)壘層為al?gan、al?n、al?i?nn、al?i?ngan，所述勢(shì)壘層也可以是上述層的復(fù)合疊加。

8、進(jìn)一步，所述溝道層為gan層，所述溝道層也可以是al?i?ngan的其他任意比例合金或者上述層的復(fù)合疊加。

9、進(jìn)一步，所述帽層中的p型極化摻雜氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)通過氮化物合金層中組分變化導(dǎo)致的極化電場(chǎng)變化實(shí)現(xiàn)，所述帽層中的p型極化摻雜氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含任意比例al?i?ngan合金層，所述a?l?i?ngan合金層中al和i?n的組分可以分別在0至100％范圍內(nèi)變化，所述al組分沿外延生長(zhǎng)方向遞減，所述i?n組分保持不變或沿外延生長(zhǎng)方向遞增或者是i?n組分沿外延生長(zhǎng)方向遞增而a?l組分保持不變從而形成p型極化摻雜結(jié)構(gòu)，所述al?ingan合金層也可以進(jìn)一步摻入b元素形成bal?i?ngan合金。

10、進(jìn)一步，所述帽層中的a?l?i?ngan?p型極化摻雜層可以是單層也可以包含多層，所述帽層中還可以根據(jù)需要在pn結(jié)之間插入其他層，如非摻雜氮化物層、摻碳氮化物層或氮化物超晶格，對(duì)所述帽層中包含的其他層不做具體限制。

11、進(jìn)一步，所述帽層中的n型氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以是非故意摻雜的弱n型半導(dǎo)體或者部分或全部區(qū)域采用雜質(zhì)原子進(jìn)行n型摻雜，所述帽層中的n型氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)也可以通過al?i?ngan氮化物合金層中組分變化導(dǎo)致的極化摻雜實(shí)現(xiàn)n型摻雜。

12、進(jìn)一步，所述晶體管的源極、漏極和在通過光刻工藝刻蝕掉除柵極區(qū)域以外的帽層后，在所述源極和漏極區(qū)域制作歐姆接觸電極，所述柵電極制作在柵極區(qū)域帽層的n型半導(dǎo)體層的上方與n型半導(dǎo)體層形成歐姆接觸。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)的技術(shù)方案具備以下有益效果：

14、該增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，通過在帽層中設(shè)置p型極化摻雜結(jié)構(gòu)，不僅可以實(shí)現(xiàn)相比于雜質(zhì)摻雜更高的離化電荷和空穴濃度，有效耗盡溝道層中的二維電子氣，同時(shí)避免mg摻雜p型氮化物時(shí)的記憶效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)界面較好的pn結(jié)構(gòu)，代替通常使用的金屬半導(dǎo)體肖特基接觸柵極，提高柵極的耐壓并減少柵極漏電。

技術(shù)特征：

1.一種增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，包括外延結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述外延結(jié)構(gòu)包括襯底(10)、成核層(11)、緩沖層(12)、溝道層(13)、勢(shì)壘層(14)和勢(shì)壘層(14)上的帽層，在所述外延結(jié)構(gòu)表面制作晶體管結(jié)構(gòu)的源極(171)、柵極(172)以及漏極(173)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述襯底(10)為硅襯底、碳化硅襯底、藍(lán)寶石襯底或氮化鎵襯底，所述襯底(10)還可以是以上述襯底材料為表面與其他材料形成的復(fù)合襯底。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述成核層(11)為aln、gan、inn或者是它們的合金，亦或是上述的多層堆疊結(jié)構(gòu)，所述成核層(11)也可以是先在硅層表面生長(zhǎng)一層3c-sic或者sin然后繼續(xù)生長(zhǎng)所述aln、gan、inn或者它們的合金，亦或是上述的多層堆疊結(jié)構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述緩沖層(12)為aln、algan、gan的單層或多層堆疊的結(jié)構(gòu)或aln/gan、aln/algan和algan/gan超晶格結(jié)構(gòu)，所述緩沖層(12)也可以是包括上述結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述勢(shì)壘層(14)為algan、aln、alinn、alingan，所述勢(shì)壘層(14)也可以是上述層的復(fù)合疊加。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述溝道層(13)為gan層，所述溝道層(13)也可以是alingan的其他任意比例合金或者上述層的復(fù)合疊加。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述帽層中的p型極化摻雜氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)通過氮化物合金層中組分變化導(dǎo)致的極化電場(chǎng)變化實(shí)現(xiàn)，所述帽層中的p型極化摻雜氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含任意比例alingan合金層，所述alingan合金層中al和in的組分可以分別在0至100％范圍內(nèi)變化，所述al組分沿外延生長(zhǎng)方向遞減，所述in組分保持不變或沿外延生長(zhǎng)方向遞增或者是in組分沿外延生長(zhǎng)方向遞增而al組分保持不變從而形成p型極化摻雜結(jié)構(gòu)，所述alingan合金層也可以進(jìn)一步摻入b元素形成balingan合金。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述帽層中的alinganp型極化摻雜層可以是單層也可以包含多層，所述帽層中還可以根據(jù)需要在pn結(jié)之間插入其他層，如非摻雜氮化物層、摻碳氮化物層或氮化物超晶格，對(duì)所述帽層中包含的其他層不做具體限制。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述帽層中的n型氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以是非故意摻雜的弱n型半導(dǎo)體或者部分或全部區(qū)域采用雜質(zhì)原子進(jìn)行n型摻雜，所述帽層中的n型氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)也可以通過alingan氮化物合金層中組分變化導(dǎo)致的極化摻雜實(shí)現(xiàn)n型摻雜。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述晶體管的源極(171)、漏極(173)和在通過光刻工藝刻蝕掉除柵極區(qū)域以外的帽層后，在所述源極(171)和漏極(173)區(qū)域制作歐姆接觸電極，所述柵電極(172)制作在柵極區(qū)域帽層的n型半導(dǎo)體層的上方與n型半導(dǎo)體層形成歐姆接觸。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，包括外延結(jié)構(gòu)，所述外延結(jié)構(gòu)包括襯底、成核層、緩沖層、溝道層、勢(shì)壘層和勢(shì)壘層上的帽層，在所述外延結(jié)構(gòu)表面制作晶體管結(jié)構(gòu)的源極、柵極以及漏極，所述勢(shì)壘層上的帽層包含極化摻雜p型氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，以及其上方的n型氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。該增強(qiáng)型氮化物半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，通過在帽層中設(shè)置p型極化摻雜結(jié)構(gòu)，不僅可以實(shí)現(xiàn)相比于雜質(zhì)摻雜更高的離化電荷和空穴濃度，有效耗盡溝道層中的二維電子氣，同時(shí)避免Mg摻雜p型氮化物時(shí)的記憶效應(yīng)，與P型極化摻雜層上方的n型層之間實(shí)現(xiàn)界面較好的pn結(jié)構(gòu)，代替通常使用的金屬半導(dǎo)體肖特基接觸柵極，提高柵極的耐壓并減少柵極漏電。

技術(shù)研發(fā)人員：苗操,劉兆平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：寧波石墨烯創(chuàng)新中心有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9