在基极层具有增强的掺杂的三价氮化物晶体管

摘要

一种垂直沟道MOSFET，包括：三价氮化物材料的N型掺杂的基板；和在该基板的顶部表面上生长的三价氮化物材料的外延层，在所述外延层中形成N型掺杂漂移区；所述三价氮化物材料的P型掺杂基极层，该基极层在该漂移区的至少一部分的顶部上形成；所述三价氮化物材料的N型掺杂源极区，该源极区在该基极层的至少一部分上形成；以及具有至少一个垂直壁的栅极沟道，该垂直壁沿着该源极区的至少一部分和该基极层的至少一部分延伸；其中沿着该栅极沟道的该P型掺杂基极层的至少一部分是所述P型掺杂三价氮化物材料的、另外包含一定比例的铝的层。

说明书

本申请要求2014年8月28日提交的美国申请系列号14/471,980的优先权和权利，该美国申请以引用方式全文并入本文。

技术领域

本发明概括地讲涉及三价氮化物晶体管，具体地讲涉及GaN基垂直沟道MOSFET。

背景技术

GaN基晶体管在功率器件中的使用日益增加。主要使用的是AlGaN/GaN基横向场效应晶体管，其中异质界面处的极化电荷产生高密度、高迁移率的二维电子气(2DEG)，从而有效地降低导通状态电阻。横向GaN晶体管可在低成本、大直径的Si基板上制作。但是，大多数横向GaN晶体管的阈值电压未高得足以用于高功率应用（如汽车应用），在高功率应用中，优选阈值电压在3-5伏以上，以防止噪声所引起的误操作。此外，在这些晶体管中，通过增加栅极-漏极间距来提高击穿电压，这会降低有效电流密度，并且对于所要求的额定电流而言会增加芯片尺寸和成本。

另外，GaN自立基板上的垂直GaN器件已引起人们的注意。在垂直器件中，通过增加漂移区的厚度而又不牺牲器件尺寸来提高击穿电压，使得可以实现高功率密度的芯片。Tohru Oka、Yukihisa Ueno、Tsutomu Ina和Kazuya Hasegawa的文章"Vertical GaN-basedtrench metal oxide semiconductor field-effect transistors on a free-standingGaN substrate with blocking voltage of 1.6 kV" (Applied Physics Express 7,021002 (2014))公开了在具有1.6千伏阻挡电压的GaN自立基板上的GaN基垂直沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。

图1示意性显示GaN自立基板12上的GaN基垂直沟道MOSFET 10，这是一种现有技术。基板12是N型掺杂量高的GaN基板12，在其上形成GaN外延层14。在基板12的顶部，在层14的底部中形成N型掺杂量低的漂移区16。根据本发明，掺杂量低可意指掺杂量低于1E18cm^-3。在层14中在漂移区16的顶部上形成P型掺杂量高的基极层18，并且在基极层18的顶部上形成N型掺杂量高的源极区20。根据本发明，掺杂量高可意指掺杂量高于1E18cm^-3。在源极区20上可形成源极接点22。栅极沟道24具有至少一个垂直壁26和具有底壁28，该垂直壁沿着源极区20的一部分和基极层18的一部分延伸，该底壁与漂移区16接触。绝缘层30覆盖沟道24的内部。在绝缘层30的顶部上可形成栅极区32。在栅极区32上可形成栅极接点34。在基板12的底部上可形成漏极接点35。

基极层18的P型掺杂可通过在外延层14中掺入P型掺杂剂如镁来实现。但是，已注意到，在GaN中进行P型掺杂通常是低效的。这是因为：1. GaN中的镁掺杂剂大部分被氢原子钝化；2. 镁掺杂具有高电离能。GaN中的低效P型掺杂导致晶体管10的性能下降，如阈值电压低和基极电阻高。

发明内容

本发明涉及一种三价氮化物垂直沟道MOSFET，如GaN垂直沟道MOSFET，其中沿着栅极沟道的P型掺杂基极层的至少一部分包含一定比例的铝，从而形成具有在下和/或在上区域的异质结构。

本发明的一个实施方案涉及一种垂直沟道MOSFET，其包括三价氮化物材料的N型掺杂基板；在该基板的顶部表面上生长的三价氮化物材料的外延层，在所述外延层中形成N型掺杂漂移区；所述三价氮化物材料的P型掺杂基极层，该基极层在该漂移区的至少一部分的顶部上形成；所述三价氮化物材料的N型掺杂源极区，该源极区在该基极层的至少一部分上形成；以及具有至少一个垂直壁的栅极沟道，该垂直壁沿着该源极区的至少一部分和该基极层的至少一部分延伸；其中沿着该栅极沟道的该P型掺杂基极层的至少一部分是所述P型掺杂三价氮化物材料的、另外包含一定比例的铝的层。

根据本发明的一个实施方案，所述三价氮化物材料是GaN。

根据本发明的一个实施方案，铝在所述P型掺杂三价氮化物材料的层中的比例在垂直方向（或者说沿着与该基板的平面正交的方向，而非该表面的代表水平面的平面）上变化。

根据本发明的一个实施方案，铝的比例低于20%。

根据本发明的一个实施方案，所述P型掺杂三价氮化物材料的、另外包含一定比例的铝的层，是在下方的GaN层的Ga面上生长的AlGaN层；其中铝在该AlGaN层中的比例从底部到顶部下降（其中，例如，在该基板的表面的正交方向上的外延生长是从底部到顶部生长）。

根据本发明的一个实施方案，铝的比例从底部到顶部从20%降低到0%。

根据本发明的一个实施方案，所述P型掺杂三价氮化物材料的、另外包含一定比例的铝的所述层，是在下方的GaN层的N面上生长的AlGaN层；其中铝在该AlGaN层中的比例从底部到顶部增加。

根据本发明的一个实施方案，铝的比例从底部到顶部从0%增加到20%。

根据本发明的一个实施方案，该P型掺杂基极层的、另外包含一定比例的铝的所述层，在外延层中该漂移区顶部上所形成的P型掺杂基极层上生长。

本发明还涉及一种制作垂直沟道MOSFET的方法，该方法包括：提供N型掺杂量高的三价氮化物的基板；在该基板上形成该三价氮化物材料的外延层；在该外延层中形成三价氮化物材料的、N型掺杂量低的、与该基板接触的漂移区；在该外延层上形成所述三价氮化物材料的、P型掺杂量高的、包含一定比例的铝的区域；在该基极层上形成所述三价氮化物材料的、N型掺杂量高的源极区；并且形成具有至少一个垂直壁的栅极沟道，该垂直壁沿着该源极区的至少一部分和该基极层的至少一部分延伸。

根据本发明的一个实施方案，所述三价氮化物材料是GaN。

根据本发明的一个实施方案，铝的比例在垂直方向上变化。

根据本发明的一个实施方案，所述在该外延层上形成所述三价氮化物材料的、P型掺杂量高的、包含一定比例的铝的区域包括：在该GaN外延层的Ga面上生长AlGaN层；其中该AlGaN层的铝的比例从底部到顶部降低。

根据本发明的一个实施方案，所述下方的GaN层是在所述外延层中该N型掺杂量低的漂移区上方形成的P型掺杂量高的区域。

根据本发明的一个实施方案，铝的比例从20%降低到0%。

根据本发明的一个实施方案，所述在该外延层上形成所述三价氮化物材料的、P型掺杂量高的、包含一定比例的铝的区域包括：在该GaN外延层的N面上生长AlGaN层；其中该AlGaN层的铝的比例从底部到顶部增加。

根据本发明的一个实施方案，铝的比例从0%增加到20%。

根据本发明的一个实施方案，所述在该外延层上形成所述三价氮化物材料的、P型掺杂量高的、包含一定比例的铝的区域包括：在该外延层中该漂移区顶部上所形成的P型掺杂基极层上，生长所述包含一定比例的铝的区域。

本发明还涉及一种半导体电路，其包括：第一GaN层和在该第一层上生长的第二GaN层，其中该第二层包含随着与该第一层的距离而变化的一定比例的铝。

根据本发明的一个实施方案，该第二层在该第一层的Ga面上生长，并且当与该第一层的距离增加时，铝的比例下降；或者该第二层在该第一层的N面上生长，并且当与该第一层的距离增加时，铝的比例增加。

附图说明

参考以下附图，可更好地理解本发明。图中的部件未必按比例绘制，重点在于说明本发明的原理。在附图中，不同图中的相同附图标记代表相应的部分。

图1示出现有技术的GaN垂直沟道MOSFET的一部分的截面。

图2示出根据本发明的一个实施方案的垂直沟道MOSFET的截面。

图3示出根据本发明的一个实施方案的垂直沟道MOSFET的截面。

具体实施方式

图2示出根据本发明的一个实施方案的GaN基垂直沟道MOSFET 30的截面。MOSFET30包括N型掺杂量高的自立GaN基板32，在该基板上形成GaN外延层34。在层34的底部中，在基板32的顶部上，形成N型掺杂量低的漂移区36。在层34中，在漂移区36的顶部上，形成P型掺杂量高的基极层38。根据本发明公开的一个实施方案，基极层38的顶部表面是GaN晶体结构的Ga面或纤锌矿Ga面，并且在基极层38的顶部上生长P型掺杂GaN材料的、另外包含一定比例的铝的层40。根据本发明的一个实施方案，基板被布置成使得[0001]方向与该基板的表面正交并且朝外（而非朝该基板的内部的方向，这种情况下是朝内）所谓Ga面是指Ga存在于{0001}双层的顶部位置上，对应于[0001]极性或者GaN(0001)。按惯例，[0001]方向通过从Ga原子指向最邻近的N原子的矢量来表示。要着重指出的是，GaN的[0001]表面和表面是不等价的，它们在化学性质和物理性质上存在差异。Ga面外延层可通过MOCVD（金属有机化学气相沉积）制作，如例如O. Ambacher等人的文章中所描述( “Two-dimensional>electron>”; JOURNAL OF APPLIEDPHYSICS VOLUME 85, NUMBER 6; 15 MARCH 1999)（“自发和压电诱导的二维电子气”；《应用物理学杂志》，第85卷，第6期；1999年3月15日）。

根据本发明的一个实施方案，MOSFET 30包括在基极层38的Ga面上生长的AlGaN层40。根据本发明的一个实施方案，MOSFET 30还包括在AlGaN层40的顶部上生长的N型掺杂量高的GaN源极区42。基极层38和层40一起形成MOSFET 30的基极层或区。

可在源极区42上形成源极接点44。具有至少一个垂直壁48的栅极沟道46沿着源极区42的一部分和基极层40，38的一部分延伸，并且具有底壁50，该底壁优选地与漂移区36接触。绝缘层52覆盖沟道46的内部。在绝缘层52的顶部上形成栅极区54。可在栅极区54上形成栅极接点56。在基板32的底部上可形成漏极接点58。

根据本发明的一个实施方案，AlGaN层40的铝的比例从底部（在与基极层38的界面处）到顶部（在与源极层42的界面处）降低。根据本发明的一个实施方案，层40中的铝的比例，在与基极层38的接合处可为20%，在与源极区42的接合处可为0%。O. Ambacher等人的文章(“Two dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric>polarization>”; JOURNAL OFAPPLIED PHYSICS VOLUME 87, NUMBER 11; JANUARY 2000)（“在未掺杂的和掺杂的AlGaN/GaN异质结构中通过自发和压电极化诱导的维电子气”；《应用物理学杂志》，第87卷，第11期；2000年1月）（该文章以引用方式并入本文）教导了在具有Ga面极性的GaN/AlGaN/GaN异质结构中，由于在该异质结构中的压电和自发极化，在靠近AlGaN/GaN下界面处形成二维电子气(2DEG)。Ambacher的文章并未教导具有变化的铝比例的AlGaN层。

本发明提供例如包括区/层42、40和38、在AlGaN层40中具有可变比例的铝的GaN/AlGaN/GaN异质结构，其中AlGaN层40在GaN区38的Ga面上形成，并且其中铝的比例从底部到顶部下降。层40中铝组成的递减会产生一种固有的极化电场，这有助于P型掺杂剂电离而在基极层中形成较高浓度的空穴。根据本发明的一个实施方案，基极层中较高的空穴浓度可提高阈值电压和降低基极电阻。

根据本发明的一个实施方案，区40中的铝的比例连续变化。它可线性变化，但也可非线性变化，取决于在区40中期望的空穴重新分配。根据本发明的一个实施方案，区40中的铝的比例可从顶部为0%变化到底部为20%。区40中的铝的比例也可沿着不同的区间变化。

根据本发明的一个实施方案，区40可包括在一层AlGaN（层yy）的顶部上的一层GaN（层xx），在该AlGaN层中具有恒定的铝组成。在这种情况中，区40中的空穴的浓度峰将在层xx和层yy之间的界面处。

根据本发明的一个实施方案，作为另一种选择，基极层38的顶部表面可为GaN晶体的N面或纤锌矿N面。在这种实施方案中，基板32被布置成使得方向与该基板的表面正交并且朝外。N面外延层可通过PIMBE（等离子体诱导分子束外延）制作，如例如O.Ambacher等人的文章中所描述(“Two-dimensional electron gases induced by>spontaneous>”; JOURNAL OF APPLIED PHYSICS VOLUME 85, NUMBER6; 15 MARCH 1999)（“自发和压电诱导的二维电子气”；《应用物理学杂志》，第85卷，第6期；1999年3月15日）（该文章以引用方式并入本文）。

根据本发明的这种实施方案，AlGaN层40的铝的比例从底部到顶部增加，因为在具有N面极性的赝晶GaN/AlGaN/GaN异质结构中，电子位于靠近GaN/AlGaN上界面之处。AlGaN层40的铝的比例从底部到顶部增加，使得固有的极化电场有助于在层40中产生空穴。

根据本发明的实施方案，P型掺杂剂可为镁，其中用镁掺杂是通过在(Al)GaN层的MOCVD或MBE生长期间引入镁前体来进行。

图3示出根据本发明的一个实施方案的垂直MOSFET 30'，其中区40直接生长在漂移区36的顶部上。MOSFET 30'除了不包括外延基极层38外，在结构上与图2所示的MOSFET30相同。在MOSFET 30'中，基极层完全由区40构成。根据本发明的一个实施方案，区40的优选高度为200nm至2um。图2中所示出的具有基极层38的实施方案可具有比图3所示出的实施方案厚的基极。

要指出的是，根据本发明的实施方案的HEMT将适合于高压GaN器件应用，包括其中需要高效率电力开关的电动车、卡车、牵引应用、高压传输线和军舰应用。分立功率器件的总体有效市场据预计到2020年达200亿美元。高压GaN HEMT可瞄准的高压市场据估计到2020年达80亿美元。由于GaN HEMT的优越材料性能，将GaN基功率器件结合到上述应用中，对于汽车制造商以及能源和防卫行业具有显著的意义。此外，GaN基功率器件被认为是引导高效节能产品的未来路线图的主要候选器件。根据本发明的HEMT尤其可用于要求1200V阻断能力的应用中，例如用于下一代交通工具的电气化。全球二氧化碳减排的需求以及美国国内减少对外国石油的依赖的运动，正在促使市场拉动对高效节能半导体器件的需求，这种高效节能半导体器件在性能上优于现有硅器件，将能够实现在更高的温度下操作，而这种更高温度下的操作是硅基功率器件的较小带隙(Eg=l.leV)所不能解决的。

前文已出于说明和描述的目的，对本发明的优选实施方案进行了描述。该描述并不旨在达到详尽无遗，也不旨在使本发明限制于所公开的确切形式或限制于示例性实施方案。显然，许多修改方案和变化方案对于本领域技术人员来说将是显而易见的。同样，本文描述的任何过程步骤可能可以与其他步骤互换以达到相同的结果。选择和描述了实施方案，以最好地阐释本发明的原理及其最佳实际应用模式，从而使本领域技术人员能够理解本发明的各种实施方案，以及作出各种适合于所设想的具体使用或实施情形的修改方案。

例如，本发明是针对如下内容作出的：向垂直沟道晶体管的基极层的GaN材料添加铝，以增强基极层的P型掺杂。但是，本发明并不限于以上所公开的材料或结构。例如，可将铟代替铝添加到GaN材料，或者可以用ZnO代替GaN。上文对附图的描述要按铟代替铝或ZnO代替GaN来阅读。

本发明的范围旨在由所附的权利要求及其等同物限定。以单数形式提及某个要素，并不旨在意指“一个（种）且仅仅一个（种）”，除非明确地如此声明，而是意指“一个（种）或多个（种）”。此外，不管本发明中的要素、部件或方法步骤是否在所附的权利要求书中明确叙及，该要素、部件或方法步骤都不旨在捐献给公众。本文的权利要求要素都不能根据美国法典第35篇第112条第6段的规定理解，除非该要素被特意地使用“用于…手段（装置）”这样的措辞叙及。

应当认识到，附图文件中示出的附图仅出于示例目的给出，旨在强调本发明的功能和优点。本发明的体系结构是足够灵活和可配置的，使得本发明可以与附图中所示的方式不同的方式来利用（和驾驭）。

此外，本发明的摘要的目的在于，使美国专利商标局以及不熟悉专利或法律术语或用语的公众尤其是本领域的科学家、工程师和从业人员通过粗略查看，就能快速确定本申请的技术公开内容的类型和实质。摘要并不旨在以任何方式限制本发明的范围。还应认识到，权利要求书中叙及的步骤和过程不必按所呈现的顺序执行。

而且，要指出的是，实施方案可以作为过程来描述，该过程作为作业图、流程图、结构图或框图示出。尽管作业图可将操作描述为顺次过程，但许多操作可平行执行或同时执行。此外，操作的顺序可重新安排。在过程的操作完成时，该过程终止。过程可对应于方法、函数、工序、子程序、辅程序等。当过程对应于函数时，其终止对应于该函数返回到调用函数或主函数。

可在不偏离本文描述的发明的前提下，将本发明的各种特征在不同的系统中执行。应指出的是，前文的实施方案仅仅是实例，并不能解释为限制本发明。对实施方案的描述旨在进行举例说明，而不是旨在限制权利要求的范围。因此，本文的教导可容易地应用于其他类型的装置，并且许多替代方案、修改方案和变化方案对于本领域技术人员将是显而易见的。

本文描述的所有要素、部分和步骤都优先地被包括。应认识到，这些要素、部分和步骤中的任何一者可以被其他要素、部分和步骤代替，或者被完全删除，这对于本领域技术人员是显而易见的。

大体上，本文公开了至少以下内容：

一种垂直沟道MOSFET，包括：三价氮化物材料的N型掺杂的基板；和在该基板的顶部表面上生长的三价氮化物材料的外延层，在所述外延层中形成N型掺杂漂移区；所述三价氮化物材料的P型掺杂基极层，该基极层在该漂移区的至少一部分的顶部上形成；所述三价氮化物材料的N型掺杂源极区，该源极区在该基极层的至少一部分上形成；以及具有至少一个垂直壁的栅极沟道，该垂直壁沿着该源极区的至少一部分和该基极层的至少一部分延伸；其中沿着该栅极沟道的该P型掺杂基极层的至少一部分是所述P型掺杂三价氮化物材料的、另外包含一定比例的铝的层。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种垂直沟道MOSFET，其特征在于，包括：

三价氮化物材料的N型掺杂基板；和

在所述基板的顶部表面上生长的三价氮化物材料的外延层，N型掺杂漂移区形成在所述外延层中；

所述三价氮化物材料的P型掺杂基极层，所述基极层在所述漂移区的至少一部分的顶部上形成；

所述三价氮化物材料的N型掺杂源极区，所述源极区在所述基极层的至少一部分上形成；以及

具有至少一个垂直壁的栅极沟道，所述垂直壁沿着所述源极区的至少一部分和所述基极层的至少一部分延伸；

其中沿着所述栅极沟道的所述P型掺杂基极层的至少一部分是所述P型掺杂三价氮化物材料的、另外包含一定比例的铝的层；并且

其中所述P型掺杂基极层具有的铝的比例在垂直方向上变化。

2.根据权利要求1所述的垂直沟道MOSFET，其特征在于，所述三价氮化物材料是GaN。

3.根据权利要求1所述的垂直沟道MOSFET，其特征在于，铝的所述比例是在所述P型掺杂基极层的、另外包含一定比例的铝的所述层内在垂直方向上变化。

4.根据权利要求1所述的垂直沟道MOSFET，其特征在于，中铝的所述比例低于20%。

5.根据权利要求2所述的垂直沟道MOSFET，其特征在于，所述P型掺杂三价氮化物材料的、另外包含一定比例的铝的所述层，是在下方的GaN层的Ga面上生长的AlGaN层；其中所述AlGaN层的铝的所述比例从底部到顶部下降。

6.根据权利要求4所述的垂直沟道MOSFET，其特征在于，铝的所述比例从20%下降到0%。

7.根据权利要求2所述的垂直沟道MOSFET，其特征在于，所述P型掺杂三价氮化物材料的、另外包含一定比例的铝的所述层，是在下方的GaN层的N面上生长的AlGaN层；其中所述AlGaN层的铝的所述比例从底部到顶部增加。

8.根据权利要求7所述的垂直沟道MOSFET，其特征在于，铝的所述比例从0%增加到20%。

9.根据权利要求1所述的垂直沟道MOSFET，其特征在于，所述P型掺杂基极层的、另外包含一定比例的铝的所述层，在外延层中该漂移区顶部上所形成的P型掺杂基极层上生长。

10.一种制作垂直沟道MOSFET的方法，其特征在于，包括：

提供N型掺杂量高的三价氮化物的基板；

在所述基板上形成所述三价氮化物材料的外延层；

在所述外延层中形成三价氮化物材料的、N型掺杂量低的、与所述基板接触的漂移区；

在所述外延层上形成包括所述三价氮化物材料的、P型掺杂量高的、包含一定比例的铝的区域的P型掺杂基极层，其中所述P型掺杂基极层具有的铝的比例在垂直方向上变化；

在所述基极层上形成所述三价氮化物材料的、N型掺杂量高的源极区；并且形成具有至少一个垂直壁的栅极沟道，所述垂直壁沿着所述源极区的至少一部分和所述基极层的至少一部分延伸。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述三价氮化物材料是GaN。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，铝的所述比例是在所述包含一定比例的铝的P型掺杂基极层的所述P型掺杂量高的区域内在垂直方向上变化。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述在所述外延层上形成所述三价氮化物材料的、P型掺杂量高的、包含一定比例的铝的区域包括：在所述GaN外延层的Ga面上生长AlGaN层；其中所述AlGaN层的铝的所述比例从底部到顶部降低。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述下方的GaN层是在所述外延层中所述N型掺杂量低的漂移区上方形成的P型掺杂量高的区域。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，铝的所述比例从20%下降到0%。

16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述在所述外延层上形成所述三价氮化物材料的、P型掺杂量高的、包含一定比例的铝的区域包括：在所述GaN外延层的N面上生长AlGaN层；其中所述AlGaN层的铝的所述比例从底部到顶部增加。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，铝的所述比例从0%增加到20%。

18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述在所述外延层上形成所述三价氮化物材料的、P型掺杂量高的、包含一定比例的铝的区域包括：在所述外延层中所述漂移区顶部上所形成的P型掺杂基极层上，生长所述包含一定比例的铝的区域。

19.一种半导体电路，其特征在于，包括：

第一GaN层；和

在所述第一层上生长的第二GaN层，其中所述第二层包含随着与所述第一层的距离而变化的一定比例的铝。

20.根据权利要求19所述的半导体电路，其特征在于，所述第二层在所述第一层的Ga面上生长，并且其中当与所述第一层的距离增加时，铝的所述比例下降；或者其中所述第二层在所述第一层的N面上生长，并且其中当与所述第一层的距离增加时，铝的所述比例增加。

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