特表 2024-541337 ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-11-08

(54)【発明の名称】ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/337 20060101AFI20241031BHJP

   H01L 21/338 20060101ALI20241031BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 V

H01L29/80 H

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024527536

(86)(22)【出願日】2022-12-02

(85)【翻訳文提出日】2024-05-10

(86)【国際出願番号】 CN2022136274

(87)【国際公開番号】W WO2023098887

(87)【国際公開日】2023-06-08

(31)【優先権主張番号】202111460267.5

(32)【優先日】2021-12-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521394015

【氏名又は名称】華潤微電子（重慶）有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ゼン ホンアン

【テーマコード（参考）】

5F102

【Ｆターム（参考）】

5F102FA01

5F102GB04

5F102GC08

5F102GD10

5F102GJ04

5F102GL04

5F102GM04

5F102GQ01

5F102GR12

5F102HC01

(57)【要約】

本発明は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス及びその製造方法を提供する。当該デバイスは、ｎ型ＧａＮ基板、第１ｐ型ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、正孔注入型ＰＮ接合層及びゲート構造を含み、ゲート構造は、正孔注入型ＰＮ接合層とＡｌＧａＮ層と第１ｐ型ＧａＮ層とを貫通してｎ型ＧａＮ基板中にとどまり、ゲート金属アルミニウム層とゲート酸化シリコン層とを含み、正孔注入型ＰＮ接合層は、水平方向に沿って分布する第２ｐ型ＧａＮ層及び第２ｎ型ＧａＮ層を含み、第２ｎ型ＧａＮ層は、ゲート構造に近い側に位置する。従来のＵ型ＧａＮ ＭＯＳトランジスタに比べて、本発明の提供するＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、新しい構造設計を導入し、チャネル構造を縦方向に設計したため、トレンチゲート構造の近傍の電界分布を変化させ、電界集中現象を緩和し、さらにＨＥＭＴデバイスのブレークダウン電圧及び耐電圧を向上させる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスであって、
ｎ型ＧａＮ基板と、
前記ｎ型ＧａＮ基板の上方に形成された第１ｐ型ＧａＮ層と、
前記第１ｐ型ＧａＮ層の上方に形成されたＡｌＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層の上方に形成された正孔注入型ＰＮ接合層と、
前記正孔注入型ＰＮ接合層と前記ＡｌＧａＮ層と前記第１ｐ型ＧａＮ層とを貫通して前記ｎ型ＧａＮ基板中にとどまるゲート構造とを含み、
前記ゲート構造は、ゲート金属アルミニウム層と、前記ゲート金属アルミニウム層の側壁及び下方に形成させたゲート酸化シリコン層とを含み、前記正孔注入型ＰＮ接合層は、水平方向に沿って分布する第２ｐ型ＧａＮ層及び第２ｎ型ＧａＮ層を含み、前記第２ｎ型ＧａＮ層は、前記ゲート構造に近い側に位置する、ことを特徴とするＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス。

【請求項2】

前記ｎ型ＧａＮ基板の厚さ範囲は、５～１０μｍであり、前記ｎ型ＧａＮ基板のドーピング濃度範囲は、１×１０^１５～５×１０^１５ｃｍ^―３であり、前記第１ｐ型ＧａＮ層の厚さ範囲は、０．５～１．５μｍであり、前記第１ｐ型ＧａＮ層のドーピング濃度範囲は、１×１０^１６～１×１０^１７ｃｍ^―３であり、前記ＡｌＧａＮ層の厚さ範囲は、０．０５～０．１５μｍであり、前記ＡｌＧａＮ層のドーピング濃度範囲は、２×１０^１８～５×１０^１８ｃｍ^―３であり、前記正孔注入型ＰＮ接合層の厚さ範囲は、０．５～１．５μｍであり、前記第２ｐ型ＧａＮ層のドーピング濃度範囲は、１×１０^１７～１×１０^１８ｃｍ^―３であり、前記第２ｎ型ＧａＮ層のドーピング濃度範囲は、１×１０^１８～１×１０^１９ｃｍ^―３であり、前記ゲート金属アルミニウム層の厚さ範囲は、０．５～５μｍであり、前記ゲート酸化シリコン層の厚さ範囲は、０．５～５μｍである、ことを特徴とする請求項１に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス。

【請求項3】

前記ｎ型ＧａＮ基板の厚さは、８μｍであり、前記ｎ型ＧａＮ基板のドーピング濃度は、２×１０^１５ｃｍ^―３であり、前記第１ｐ型ＧａＮ層の厚さは、１μｍであり、前記第１ｐ型ＧａＮ層のドーピング濃度は、５×１０^１６ｃｍ^―３であり、前記ＡｌＧａＮ層の厚さは、０．１μｍであり、前記ＡｌＧａＮ層のドーピング濃度は、２×１０^１８ｃｍ^―３であり、前記正孔注入型ＰＮ接合層の厚さは、１μｍであり、前記第２ｐ型ＧａＮ層と前記第２ｎ型ＧａＮ層との厚さは、いずれも１μｍであり、前記第２ｐ型ＧａＮ層のドーピング濃度は、４×１０^１７ｃｍ^―３であり、前記第２ｎ型ＧａＮ層のドーピング濃度は、２×１０^１８ｃｍ^―３であり、前記ゲート金属アルミニウム層の厚さは、２．２μｍであり、前記ゲート酸化シリコン層の厚さは、２．３μｍである、ことを特徴とする請求項２に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス。

【請求項4】

前記ｎ型ＧａＮ基板の下方に形成された第１ｎ型ＧａＮ層をさらに含み、前記第１ｎ型ＧａＮ層は、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのドレイン電極として引き出される、ことを特徴とする請求項１に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス。

【請求項5】

前記第１ｎ型ＧａＮ層の厚さ範囲は、０．５～１．５μｍであり、前記第１ｎ型ＧａＮ層のドーピング濃度範囲は、１×１０^１８～５×１０^１８ｃｍ^―３である、ことを特徴とする請求項４に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス。

【請求項6】

前記第１ｎ型ＧａＮ層の厚さは、１μｍであり、前記第１ｎ型ＧａＮ層のドーピング濃度は、２×１０^１８ｃｍ^―３である、ことを特徴とする請求項５に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス。

【請求項7】

前記正孔注入型ＰＮ接合層の上方に形成されたソース金属層をさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス。

【請求項8】

前記ソース金属層の厚さ範囲は、０．０５～０．１５μｍである、ことを特徴とする請求項７に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス。

【請求項9】

前記ソース金属層は、金属金層を含み、前記金属金層は、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのソース電極として引き出され、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、前記正孔注入型ＰＮ接合層の上方に形成された金属アルミニウム層をさらに含み、前記金属アルミニウム層と前記金属金層は、水平方向に沿って分布し、且つ前記金属アルミニウム層は、前記ゲート構造に近い側に位置する、ことを特徴とする請求項７に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス。

【請求項10】

前記金属アルミニウム層及び前記金属金層の厚さは、いずれも０．１μｍである、ことを特徴とする請求項９に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス。

【請求項11】

前記金属アルミニウム層と前記金属金層との境界位置は、前記第２ｎ型ＧａＮ層の上方に位置する、ことを特徴とする請求項９に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス。

【請求項12】

ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの製造方法であって、
ｎ型ＧａＮ基板を提供するステップと、
前記ｎ型ＧａＮ基板の上方に下から上へ順に第１ｐ型ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層及び正孔注入型ＰＮ接合層を形成するステップと、
前記正孔注入型ＰＮ接合層と前記ＡｌＧａＮ層と前記第１ｐ型ＧａＮ層とを貫通して前記ｎ型ＧａＮ基板中にとどまるゲート構造を形成するステップとを含み、
前記ゲート構造は、ゲート金属アルミニウム層と、前記ゲート金属アルミニウム層の側壁及び下方に形成されたゲート酸化シリコン層とを含み、前記正孔注入型ＰＮ接合層は、水平方向に分布する第２ｐ型ＧａＮ層及び第２ｎ型ＧａＮ層を含み、前記第２ｎ型ＧａＮ層は前記ゲート構造に近い側に位置する、ことを特徴とするＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの製造方法。

【請求項13】

前記ｎ型ＧａＮ基板の下方に第１ｎ型ＧａＮ層を形成するステップをさらに含み、前記第１ｎ型ＧａＮ層は、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのドレイン電極として引き出される、ことを特徴とする請求項１２に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの製造方法。

【請求項14】

前記正孔注入型ＰＮ接合層の上方にソース金属層を形成するステップをさらに含み、前記ソース金属層は、金属金層を含み、前記金属金層は、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのソース電極として引き出され、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの製造方法は、前記正孔注入型ＰＮ接合層の上方に金属アルミニウム層を形成するステップをさらに含み、前記金属アルミニウム層と前記金属金層は、水平方向に沿って分布し、且つ前記金属アルミニウム層は、前記ゲート構造に近い側に位置する、ことを特徴とする請求項１２に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの製造方法。

【請求項15】

前記金属アルミニウム層と前記金属金層との境界位置は、前記第２ｎ型ＧａＮ層の上方に位置する、ことを特徴とする請求項１４に記載のＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体デバイスの技術分野に関し、特にＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

本願は、２０２１年１２月２日に中国特許局に提出した、出願番号２０２１１１４６０２６７．５、発明の名称が「ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス及びその製造方法」である中国特許出願の優先権を主張し、その全ての内容は引用により本願に組み込まれる。

【0003】

パワー半導体デバイスは、直流変換器、周波数コンバータ、整流器及びインバータ等の電力変換器に広く応用され、優れた電力制御性能を有し、電力システム、太陽光発電システム及びハイブリッド機関車等の分野で代替できない役割を果たす。

【0004】

現在、パワー半導体デバイスは、シリコン系ダイオード、パワーＭＯＳＦＥＴトランジスタ及びＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のデバイス構造を採用することが多い。Ｓｉ材料を採用したパワー半導体デバイスがその理論的な限界に達するにつれて、従来のパワー半導体デバイスの世代の更新が遅くなりつつある。現在の研究レベルでは、Ｓｉ系デバイスは、さらに、コンバータの高周波化、高パワー密度及び小型化を実現することは困難である。

【0005】

窒化ガリウム（ＧａＮ）を代表とするワイドバンドギャップ半導体材料は、臨界降伏電界が高く、飽和電子速度が高く、電子密度が高く、電子移動度が高く、熱伝導率が高いなどの特徴を有し、高周波、高圧、高温及び大電力に適用される高い耐放射線レベルを有する半導体材料である。ＧａＮデバイスは、次世代のレーダー及び通信システムにおいて最も重要な半導体デバイスであり、新世代の半導体照明における主要なデバイスでもある。ＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）は、ヘテロ接合電界効果トランジスタである。ＧａＮ ＨＥＭＴは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合によりＧａＮデバイス特有の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）濃度を形成し、高電流密度と高電子飽和ドリフト速度を実現できるため、高周波スイッチとして好適である。

【0006】

しかし、従来のＧａＮデバイスは、ブレークダウン電圧及び耐電圧保障等の性能上に依然として大きな向上の余地を有する。例えば、従来のＵ型ＧａＮ ＭＯＳトランジスタは、トレンチ底部領域に電界集中現象が存在するため、デバイスのブレークダウン電圧の向上を制限している。チャネル構造を如何に最適化し、トレンチゲート構造付近の電界分布を変化させ、電界集中現象を緩和するかは、ＧａＮデバイスのブレークダウン特性を最適化するために早急に解決すべき問題である。

【0007】

従って、上記問題を解決するために、新しいＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス及びその製造方法を提供する必要がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

以上の従来技術の欠点に鑑み、本発明は、従来のＵ型ＧａＮ ＭＯＳトランジスタはトレンチの底部領域に電界集中現象が存在してデバイスブレークダウン電圧の向上を制限するなどの問題を解決するＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的及びその他の関連目的を実現するために、本発明は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスを提供する。当該ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、ｎ型ＧａＮ基板と、前記ｎ型ＧａＮ基板の上方に形成された第１ｐ型ＧａＮ層と、前記第１ｐ型ＧａＮ層の上方に形成されたＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層の上方に形成された正孔注入型ＰＮ接合層と、前記正孔注入型ＰＮ接合層と前記ＡｌＧａＮ層と前記第１ｐ型ＧａＮ層とを貫通して前記ｎ型ＧａＮ基板中にとどまるゲート構造とを含み、前記ゲート構造は、ゲート金属アルミニウム層と、前記ゲート金属アルミニウム層の側壁及び下方に形成させたゲート酸化シリコン層とを含み、前記正孔注入型ＰＮ接合層は、水平方向に沿って分布する第２ｐ型ＧａＮ層及び第２ｎ型ＧａＮ層を含み、前記第２ｎ型ＧａＮ層は、前記ゲート構造に近い側に位置する。

【0010】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記ｎ型ＧａＮ基板の厚さ範囲は、５～１０μｍである。

【0011】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記ｎ型ＧａＮ基板のドーピング濃度範囲は、１×１０^１５～５×１０^１５ｃｍ^―３である。

【0012】

本発明の１つの選択可能な技術案として、第１ｐ型ＧａＮ層の厚さ範囲は、０．５～１．５μｍである。

【0013】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記第１ｐ型ＧａＮ層のドーピング濃度範囲は、１×１０^１６～１×１０^１７ｃｍ^―３である。

【0014】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記ＡｌＧａＮ層の厚さ範囲は、０．０５～０．１５μｍである。

【0015】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記ＡｌＧａＮ層のドーピング濃度範囲は、２×１０^１８～５×１０^１８ｃｍ^―３である。

【0016】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記正孔注入型ＰＮ接合層の厚さ範囲は、０．５～１．５μｍである。

【0017】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記第２ｐ型ＧａＮ層のドーピング濃度範囲は、１×１０^１７～１×１０^１８ｃｍ^―３である。

【0018】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記第２ｎ型ＧａＮ層のドーピング濃度範囲は、１×１０^１８～１×１０^１９ｃｍ^―３である。

【0019】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記ゲート金属アルミニウム層の厚さ範囲は、０．５～５μｍである。

【0020】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記ゲート酸化シリコン層の厚さ範囲は、０．５～５μｍである。

【0021】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、前記ｎ型ＧａＮ基板の下方に形成された第１ｎ型ＧａＮ層をさらに含み、前記第１ｎ型ＧａＮ層は、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのドレイン電極として引き出される。

【0022】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記第１ｎ型ＧａＮ層の厚さ範囲は、０．５～１．５μｍであり、前記第１ｎ型ＧａＮ層のドーピング濃度範囲は、１×１０^１８～５×１０^１８ｃｍ^―３である。

【0023】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、前記正孔注入型ＰＮ接合層の上方に形成されたソース金属層をさらに含む。
本発明の１つの選択可能な技術案として、前記ソース金属層の厚さ範囲は、０．０５～０．１５μｍである。

【0024】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記ソース金属層は、金属金層を含み、前記金属金層は、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのソース電極として引き出される。

【0025】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、前記正孔注入型ＰＮ接合層の上方に形成された金属アルミニウム層をさらに含み、前記金属アルミニウム層と前記金属金層は、水平方向に沿って分布し、且つ前記金属アルミニウム層は、前記ゲート構造に近い側に位置する。

【0026】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記金属アルミニウム層の厚さ範囲は、０．０５～０．１５μｍである。

【0027】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記金属アルミニウム層と前記金属金層との境界位置は、前記第２ｎ型ＧａＮ層の上方に位置する。

【0028】

本発明は、さらにＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの製造方法を提供する。当該製造方法は、ｎ型ＧａＮ基板を提供するステップと、前記ｎ型ＧａＮ基板の上方に下から上へ順に第１ｐ型ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層及び正孔注入型ＰＮ接合層を形成するステップと、前記正孔注入型ＰＮ接合層と前記ＡｌＧａＮ層と前記第１ｐ型ＧａＮ層とを貫通して前記ｎ型ＧａＮ基板中にとどまるゲート構造を形成するステップとを含み、前記ゲート構造は、ゲート金属アルミニウム層と、前記ゲート金属アルミニウム層の側壁及び下方に形成されたゲート酸化シリコン層とを含み、前記正孔注入型ＰＮ接合層は、水平方向に分布する第２ｐ型ＧａＮ層及び第２ｎ型ＧａＮ層を含み、前記第２ｎ型ＧａＮ層は前記ゲート構造に近い側に位置する。

【0029】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの製造方法は、前記ｎ型ＧａＮ基板の下方に第１ｎ型ＧａＮ層を形成するステップをさらに含み、前記第１ｎ型ＧａＮ層は、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのドレイン電極として引き出される。

【0030】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの製造方法は、前記正孔注入型ＰＮ接合層の上方にソース金属層を形成するステップをさらに含む。

【0031】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記ソース金属層は、金属金層を含み、前記金属金層は、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのソース電極として引き出される。

【0032】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの製造方法は、前記正孔注入型ＰＮ接合層の上方に金属アルミニウム層を形成するステップをさらに含む。

【0033】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記金属アルミニウム層と前記金属金層は、水平方向に沿って分布し、且つ前記金属アルミニウム層は、前記ゲート構造に近い側に位置する。

【0034】

本発明の１つの選択可能な技術案として、前記金属アルミニウム層と前記金属金層との境界位置は、前記第２ｎ型ＧａＮ層の上方に位置する。

【発明の効果】

【0035】

上述したように、本発明の提供するＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス及びその製造方法は、以下の有益な効果を有する。
従来のＵ型ＧａＮ ＭＯＳトランジスタに比べて、本発明の提供するＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、新しい構造設計を導入し、チャネル構造を縦方向に設計することにより、トレンチゲート構造の近傍の電界分布を変化させ、電界集中現象を効果的に緩和し、さらにＨＥＭＴデバイスのブレークダウン電圧及び耐電圧を向上させる。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】本発明の実施例１において提供されるＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの構造模式図である。

【図2】本発明の実施例１において提供されるＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのブレークダウン電圧特性曲線図である。

【図3】本発明の実施例１において提供されるＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの転送特性曲線図である。

【図4】本発明の実施例１において提供されるＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの出力特性曲線図である。

【図5】本発明の実施例２において提供されるｎ型ＧａＮ基板の模式図である。

【図6】本発明の実施例２においてｎ型ＧａＮ基板の上方に下から上へ順に第１ｐ型ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層及び正孔注入型ＰＮ接合層を形成する模式図である。

【図7】本発明の実施例２においてゲート構造を形成する模式図である。

【図8】本発明の実施例２においてソース金属層及び金属アルミニウム層を形成する模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0037】

本発明の実施形態を特定の具体例によって以下に説明するが、当業者であれば本明細書に開示された内容から本発明の他の利点及び効果を容易に理解することができるであろう。本発明はまた別の異なる具体的な実施形態によって実施又は応用することができ，本明細書における各細部は異なる視点及び応用に基づいてもよく、本発明の精神から逸脱することなく様々な修飾又は変更を行うことができる。

【0038】

図１乃至図８を参照する。なお、本実施例に提供される図面は概略的な形態で本発明の基本的な考え方を説明するためのものであり、図面には本発明に関連する部品のみを表示するが実際の実施時の部品数、形状及び寸法に基づいて描画するのではなく、実際に実施する時に各部品の形態、数及び比率は任意に変更してもよく、且つその部品レイアウト形態はより複雑であってもよい。

【0039】

実施例１
図１乃至図４を参照すると、本実施例は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスを提供し、当該ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、ｎ型ＧａＮ基板１０９と、前記ｎ型ＧａＮ基板１０９の上方に形成された第１ｐ型ＧａＮ層１０８と、前記第１ｐ型ＧａＮ層１０８の上方に形成されたＡｌＧａＮ層１０７と、前記ＡｌＧａＮ層１０７の上方に形成された正孔注入型ＰＮ接合層と、前記正孔注入型ＰＮ接合層と前記ＡｌＧａＮ層１０７と前記第１ｐ型ＧａＮ層１０８とを貫通して前記ｎ型ＧａＮ基板１０９中にとどまるゲート構造とを含み、前記ゲート構造は、ゲート金属アルミニウム層１０２と、前記ゲート金属アルミニウム層１０２の側壁及び下方に形成されたゲート酸化シリコン層１０１とを含み、前記正孔注入型ＰＮ接合層は、水平方向に沿って分布する第２ｐ型ＧａＮ層１０５及び第２ｎ型ＧａＮ層１０６を含み、前記第２ｎ型ＧａＮ層１０６は、前記ゲート構造に近い側に位置し、前記ゲート金属アルミニウム層１０２は、ゲート電極Ｇとして引き出される。

【0040】

従来のＵ型ＧａＮ ＭＯＳトランジスタに比べて、本発明の提供するＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、新しい構造設計を導入し、チャネル構造を縦方向に設計し、トレンチゲート構造の近傍の電界分布を変化させ、電界集中現象を効果的に緩和することにより、ＨＥＭＴデバイスのブレークダウン電圧及び耐電圧を向上させる。

【0041】

例として、前記ｎ型ＧａＮ基板１０９の厚さ範囲は、５～１０μｍ（端点値を含み、本明細書では、数値範囲について記載される際、特に断らない限り、いずれも端点値を含む）であり、そのドーピング濃度範囲は、１×１０^１５～５×１０^１５ｃｍ^―３である。

【0042】

例として、前記第１ｐ型ＧａＮ層１０８の厚さ範囲は、０．５～１．５μｍであり、そのドーピング濃度範囲は、１×１０^１６～１×１０^１７ｃｍ^―３である。

【0043】

例として、前記ＡｌＧａＮ層１０７の厚さ範囲は、０．０５～０．１５μｍであり、そのドーピング濃度範囲は、２×１０^１８～５×１０^１８ｃｍ^―３である。

【0044】

例として、前記正孔注入型ＰＮ接合層の厚さ範囲は、０．５～１．５μｍであり、前記第２ｐ型ＧａＮ層１０５のドーピング濃度範囲は、１×１０^１７～１×１０^１８ｃｍ^―３であり、前記第２ｎ型ＧａＮ層１０６のドーピング濃度範囲は、１×１０^１８～１×１０^１９ｃｍ^―３である。

【0045】

例として、前記ゲート金属アルミニウム層１０２の厚さ範囲は、０．５～５μｍであり、前記ゲート酸化シリコン層１０１の厚さ範囲は、０．５～５μｍである。

【0046】

例として、図１に示すように、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、前記ｎ型ＧａＮ基板の下方に形成された第１ｎ型ＧａＮ層１１０をさらに含み、前記第１ｎ型ＧａＮ層１１０は、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのドレイン電極Ｄとして引き出される。

【0047】

例として、図１に示すように、前記第１ｎ型ＧａＮ層１１０の厚さ範囲は、０．５～１．５μｍであり、そのドーピング濃度範囲は、１×１０^１８～５×１０^１８ｃｍ^―３である。

【0048】

例として、図１に示すように、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、前記正孔注入型ＰＮ接合層の上方に形成されたソース金属層をさらに含む。１つの好ましい例では、前記ソース金属層の厚さ範囲は、０．０５～０．１５μｍである。

【0049】

例として、図１に示すように、前記ソース金属層は、金属金層１０４を含み、前記金属金層１０４は、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのソース電極Ｓとして引き出される。例として、図１に示すように、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、前記正孔注入型ＰＮ接合層の上方に形成された金属アルミニウム層１０３をさらに含み、前記金属アルミニウム層１０３と金属金層１０４は、水平方向に沿って分布し、且つ前記金属アルミニウム層１０３は、前記ゲート構造に近い側に位置する。１つの好ましい例では、前記金属アルミニウム層１０３と前記金属金層１０４との境界位置は、前記第２ｎ型ＧａＮ層１０６の上方に位置する。

【0050】

例として、本実施例では、前記ｎ型ＧａＮ基板１０９の厚さは、８μｍであり、そのドーピング濃度は、２×１０^１５ｃｍ^―３である。好ましくは、前記第１ｐ型ＧａＮ層１０８の厚さは、１μｍであり、そのドーピング濃度は、５×１０^１６ｃｍ^―３である。前記ＡｌＧａＮ層１０７の厚さは、０．１μｍであり、そのドーピング濃度は、２×１０^１８ｃｍ^―３である。前記正孔注入型ＰＮ接合層の厚さは、１μｍであり、即ち、前記第２ｐ型ＧａＮ層１０５と前記第２ｎ型ＧａＮ層１０６との厚さは、いずれも１μｍであり、前記第２ｐ型ＧａＮ層１０５のドーピング濃度は、４×１０^１７ｃｍ^―３であり、前記第２ｎ型ＧａＮ層１０６のドーピング濃度は、２×１０^１８ｃｍ^―３である。前記ゲート金属アルミニウム層１０２の厚さは、２．２μｍであり、前記ゲート酸化シリコン層１０１の厚さは、２．３μｍである。前記第１ｎ型ＧａＮ層１１０の厚さは、１μｍであり、そのドーピング濃度は、２×１０^１８ｃｍ^―３である。前記ソース金属層の厚さは、０．１μｍであり、即ち、前記金属金層１０４の厚さは、０．１μｍである。前記金属アルミニウム層１０３の厚さは、０．１μｍである。

【0051】

本実施例の提供するＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、補強型のＧａＮトランジスタであり、その最大耐電圧は、８６０Ｖに達することができる。図１に示すように、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、垂直構造を有し、具体的には、前記第１ｎ型ＧａＮ層１１０を基材として採用し、前記ｎ型ＧａＮ基板１０９を遷移層及びドリフト領域として採用し、その厚さは、８μｍであり、そして前記ｎ型ＧａＮ基板１０９上に前記第１ｐ型ＧａＮ層１０８及び前記ＡｌＧａＮ層１０７をエピタキシャル成長させ、形成されたＡ１ＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合は、導電性の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を生じることができるため、電子の遷移率を向上させ、デバイスのブレークダウン電圧を効果的に高め、さらにデバイスの出力パワーを向上させる。前記正孔注入型ＰＮ接合層は、水平方向に沿って分布する第２ｐ型ＧａＮ層１０５及び第２ｎ型ＧａＮ層１０６を含み、両者は、共に正孔注入型のＰＮ接合を形成する。前記ゲート構造は、トレンチゲートであり、ゲート金属アルミニウム層１０２と、前記ゲート金属アルミニウム層１０２の側壁及び下方に形成されたゲート酸化シリコン層１０１とを含み、当該トレンチゲートのトレンチ幅は、２μｍであり、トレンチ厚さは、２．３μｍである。

【0052】

従来のＵ型ＧａＮ ＭＯＳトランジスタは、トレンチ底部領域に電界集中現象が存在することによってデバイスのブレークダウン電圧の向上を制限するが、本実施例におけるＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのチャネル構造は、縦方向の構造であり、厚いドリフト領域に対して構造設計を行い、且つ二次元電子ガスを用い、さらにドリフト領域を最適化し、トレンチゲート構造の近傍の電界分布を変化させ、電界集中現象を緩和し、さらにＵ型のＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのブレークダウン特性を改善し、デバイスの性能指数を向上させる。

【0053】

図２は、本実施例の提供するＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのブレークダウン電圧特性曲線図を示す。ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、パワーデバイスの１種として、オフ状態で高電圧に耐える能力を有する必要がある。この能力は、ブレークダウン電圧によって評価することができる。ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスについて、通常、デバイスのリーク電流が５０ｍＡ／ｃｍ^２よりも高い場合に対応するドレイン電極電圧をブレークダウン電圧と呼ぶ。図２に示すように、本実施例では、ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのブレークダウン電圧値は、８６０Ｖに達し、これは、従来のＵ型ＧａＮ ＭＯＳトランジスタの４００Ｖであるブレークダウン電圧を遥かに超える。なお、ブレークダウン電圧値が８６０Ｖである場合、デバイスは、損傷されず、耐電圧曲線は、繰り返し可能である。

【0054】

図３は、本実施例において提供されるＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの転送特性曲線図である。デバイスの転送特性は、固定されたドレイン電極電圧ＶＤＳで、ドレイン電極電流ＩＤとゲート電極電圧ＶＧＳとの関係を示し、デバイスの増幅能力を反映することができる。図３は、本実施例におけるＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの線形座標での転送曲線であり、ドレイン電極電圧ＶＤＳ＝１Ｖである。図３における転送特性曲線から、閾値電圧ＶＴＨ、飽和電流、オンオフ比Ｉ_ＯＮ／Ｉ_ＯＦＦ及びサブスレッショルドスイングＳなどの重要なパラメータを得ることができ、閾値電圧ＶＴＨは、７．５Ｖであり、飽和電流は、０．１／０．０５／０．０１Ａである。これからわかるように、上記各パラメータも、従来のＵ型ＧａＮ ＭＯＳトランジスタよりも優れる。

【0055】

図４は、本実施例に提供されるＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの出力特性曲線図を示す。出力特性曲線は、ドレイン電極のボルタンメトリー特性、即ちドレイン電極電流ＩＤとドレイン電極電圧ＶＤＳとの変化関係として理解することができる。図４に示すように、線形領域、非線形領域、飽和領域に分けられ、ゲート電極電圧を変換することにより、一連の出力曲線を得ることができ、さらにデバイスのオン抵抗ＲＯＮ等のパラメータを抽出する。図４において、ＧａＮ＿１、ＧａＮ＿２、ＧａＮ＿３は、異なるゲート電極電圧（８／９／１０Ｖ）を変換して得た異なる飽和電流 （０．１／０．０５／０．０１Ａ） での出力曲線である。

【0056】

本実施例の提供するＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのゲートソース電圧は、可変範囲と最大オン抵抗が小さいことを許容し、低熱抵抗を形成するため、高温環境に適する。ゲートソース電圧が０である場合、トランジスタが逆導通すると、ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのソースドレイン電極の順方向電圧降下は、シリコン系ＭＯＳＦＥＴトランジスタよりも大きい。ＬＣＣ共振コンバータの応用において、ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、シリコン系ＭＯＳＦＥＴトランジスタに比べて損失が小さい。

【0057】

実施例２
図５乃至図８を参照すると、本実施例がＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの製造方法を提供し、当該製造方法は、以下のステップを含む。
１）ｎ型ＧａＮ基板１０９を提供する。
２）前記ｎ型ＧａＮ基板１０９の上方に下から上へ順に第１ｐ型ＧａＮ層１０８、ＡｌＧａＮ層１０７及び正孔注入型ＰＮ接合層１１１を形成する。
３）前記正孔注入型ＰＮ接合層１１１と前記ＡｌＧａＮ層１０７と前記第１ｐ型ＧａＮ層１０８とを貫通して前記ｎ型ＧａＮ基板１０９中にとどまるゲート構造１１２を形成し、前記ゲート構造１１２は、ゲート金属アルミニウム層１０２と、前記ゲート金属アルミニウム層１０２の側壁及び下方に形成されたゲート酸化シリコン層１０１とを含み、前記正孔注入型ＰＮ接合層１１１は、水平方向に沿って分布する第２ｐ型ＧａＮ層１０５及び第２ｎ型ＧａＮ層１０６を含み、前記第２ｎ型ＧａＮ層１０６は、前記ゲート構造１１２に近い側に位置する。

【0058】

ステップ１）では、図５に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１０９を提供する。好ましい例では、前記ｎ型ＧａＮ基板１０９の下方に、さらい第１ｎ型ＧａＮ層１１０が形成され、前記第１ｎ型ＧａＮ層１１０は、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのドレイン電極Ｄとして引き出される。前記第１ｎ型ＧａＮ層１１０は、前記ｎ型ＧａＮ基板１０９に比べてより高いドーピング濃度を有する。前記ｎ型ＧａＮ基板１０９と前記第１ｎ型ＧａＮ層１１０は、エピタキシャル基板上に順にエピタキシャル成長させることにより得ることができる。

【0059】

ステップ２）では、図６に示すように、前記ｎ型ＧａＮ基板１０９の上方に下から上へ順に第１ｐ型ＧａＮ層１０８、ＡｌＧａＮ層１０７及び正孔注入型ＰＮ接合層１１１を形成する。前記正孔注入型ＰＮ接合層１１１は、水平方向に分布する第２ｐ型ＧａＮ層１０５及び第２ｎ型ＧａＮ層１０６を含み、前記第２ｎ型ＧａＮ層１０６は、後で形成されるゲート構造１１２に近い側に位置する。前記第１ｐ型ＧａＮ層１０８、前記ＡｌＧａＮ層１０７及び前記正孔注入型ＰＮ接合層１１１を形成する方法は、必要な材料層をエピタキシャル成長させ、そして、拡散又はイオン注入により、必要なドーピング濃度を得ることを含む。第２ｐ型ＧａＮ層１０５と第２ｎ型ＧａＮ層１０６は、フォトリソグラフィによりその境界線を画定することができ、ｐ型ＧａＮ層又はｎ型ＧａＮ層をイオン注入することにより逆のドープタイプのＧａＮ層を得ることができる。

【0060】

ステップ３）では、図７に示すように、前記正孔注入型ＰＮ接合層１１１と前記ＡｌＧａＮ層１０７と前記第１ｐ型ＧａＮ層１０８とを貫通して前記ｎ型ＧａＮ基板１０９中にとどまるゲート構造１１２を形成し、前記ゲート構造１１２は、ゲート金属アルミニウム層１０２と、前記ゲート金属アルミニウム層１０２の側壁及び下方に形成されたゲート酸化シリコン層１０１とを含む。

【0061】

例として、図８に示すように、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの製造方法は、さらに前記正孔注入型ＰＮ接合層１１１の上方にソース金属層１１３を形成するステップを含む。好ましい例では、前記ソース金属層１１３は、金属金層１０４であり、前記金属金層１０４は、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスのソース電極Ｓとして引き出される。例として、図８に示すように、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスの製造方法は、さらに前記正孔注入型ＰＮ接合層１１１の上方に金属アルミニウム層１０３を形成するステップを含み、前記金属金層１０４と前記金属アルミニウム層１０３は、水平方向に沿って分布し、且つ前記金属アルミニウム層１０３は、前記ゲート構造１１２に近い側に位置する。前記金属アルミニウム層１０３と前記金属金層１０４との境界位置は、前記第２ｎ型ＧａＮ層１０６の上方に位置する。前記ソース金属層１１３を形成するプロセスは、ＰＶＤプロセスを含むが、これに限定されない。

【0062】

好ましい例では、本実施例では、前記ｎ型ＧａＮ基板１０９の厚さは、８μｍであり、そのドーピング濃度は、２×１０^１５ｃｍ^―３である。好ましくは、前記第１ｐ型ＧａＮ層１０８の厚さは、１μｍであり、そのドーピング濃度は、５×１０^１６ｃｍ^―３である。前記ＡｌＧａＮ層１０７の厚さは、０．１μｍであり、そのドーピング濃度は、２×１０^１８ｃｍ^―３である。前記正孔注入型ＰＮ接合層１１１の厚さは、１μｍであり、即ち、前記第２ｐ型ＧａＮ層１０５と前記第２ｎ型ＧａＮ層１０６との厚さは、いずれも１μｍであり、前記第２ｐ型ＧａＮ層１０５のドーピング濃度は、４×１０^１７ｃｍ^―３であり、前記第２ｎ型ＧａＮ層１０６のドーピング濃度は、２×１０^１８ｃｍ^―３である。前記ゲート金属アルミニウム層１０２の厚さは、２．２μｍであり、前記ゲート酸化シリコン層１０１の厚さは、２．３μｍである。前記第１ｎ型ＧａＮ層１１０の厚さは、１μｍであり、そのドーピング濃度は、２×１０^１８ｃｍ^―３である。前記ソース金属層１１３の厚さは、０．１μｍであり、即ち、前記金属金層１０４の厚さは、０．１μｍである。前記金属アルミニウム層１０３の厚さは、０．１μｍである。上記設計が採用されたＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、ドリフト領域を最適化し、トレンチゲート構造の近傍の電界分布を変化させ、電界集中現象を緩和し、さらに、デバイスブレークダウン特性を改善し、デバイス性能指数を向上させる。

【0063】

以上のように、本発明は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイス及びその製造方法を提供する。前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、ｎ型ＧａＮ基板と、前記ｎ型ＧａＮ基板の上方に形成された第１ｐ型ＧａＮ層と、前記第１ｐ型ＧａＮ層の上方に形成されたＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層の上方に形成された正孔注入型ＰＮ接合層と、前記正孔注入型ＰＮ接合層と前記ＡｌＧａＮ層と前記第１ｐ型ＧａＮ層とを貫通して前記ｎ型ＧａＮ基板中にとどまるゲート構造とを含み、前記ゲート構造は、ゲート金属アルミニウム層と、前記ゲート金属アルミニウム層の側壁及び下方に形成されたゲート酸化シリコン層とを含み、前記正孔注入型ＰＮ接合層は、水平方向に沿って分布する第２ｐ型ＧａＮ層及び第２ｎ型ＧａＮ層を含み、前記第２ｎ型ＧａＮ層は、前記ゲート構造に近い側に位置する。従来のＵ型ＧａＮ ＭＯＳトランジスタに比べて、本発明の提供するＡｌＧａＮ／ＧａＮパワーＨＥＭＴデバイスは、新型の構造設計を導入し、チャネル構造を縦方向に設計するため、トレンチゲート構造の近傍の電界分布を変化させ、電界集中現象を改善し、さらにＨＥＭＴデバイスのブレークダウン電圧及び耐電圧を向上させる。

【0064】

上記実施例は本発明の原理及びその効果を例示的に説明するためのものに過ぎず、本発明を限定するものではない。当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、上述の実施形態を改変または変更することができる。従って、当分野において当業者が本発明に開示された精神及び技術的思想から逸脱することなく完成された等価修飾又は変更は、依然として本発明の特許請求の範囲に含まれるべきである。

【符号の説明】

【0065】

１０１ ゲート酸化シリコン層、１０２ ゲート金属アルミニウム層、１０３ 金属アルミニウム層、１０４ 金属金層、１０５ 第２ｐ型ＧａＮ層、１０６ 第２ｎ型ＧａＮ層、１０７ ＡｌＧａＮ層、１０８ 第１ｐ型ＧａＮ層、１０９ ｎ型ＧａＮ基板、１１０ 第１ｎ型ＧａＮ層、１１１ 正孔注入型ＰＮ接合層、１１２ ゲート構造、１１３ ソース金属層、Ｇ ゲート電極、Ｓ ソース電極、Ｄ ドレイン電極。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【国際調査報告】