利用再生长栅极的GaN垂直JFET的方法和系统的制作方法
【专利摘要】一种垂直第III族氮化物场效应晶体管，包括：包含第一第III族氮化物材料的漏极；电耦合到漏极的漏极接触部；以及耦合到漏极并且沿垂直方向与漏极相邻布置的包含第二第III族氮化物材料的漂移区。该场效应晶体管还包括：耦合到漂移区的包含第三第III族氮化物材料的沟道区；至少部分包围沟道区的栅极区；以及电耦合到栅极区的栅极接触部。该场效应晶体管还包括：耦合到沟道区的源极；以及电耦合到源极的源极接触部。沟道区沿垂直方向布置在漏极与源极之间使得在垂直第III族氮化物场效应晶体管的操作期间的电流流动沿着垂直方向。
【专利说明】利用再生长栅极的GaN垂直JFET的方法和系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]以下常规美国专利申请(包括本申请)为同时提交的，并且将其他申请的全部公开内容出于所有目的通过引用并入本申请中:
[0003].申请号 13/198655,2011 年 8 月 4 日提交，题为 “METHOD AND SYSTEM FOR GANVERTICAL JFET UTILIZING A REGROffN GATE”；
[0004].申请号 13/198659,2011 年 8 月 4 日提交，题为“METHOD AND SYSTEM FOR A GANVERTICAL JFET UTILIZING A REGROffN CHANNEL” ；和
[0005]?申请号 13/198，666，2011 年 8 月 4 日提交，题为 “METHOD AND SYSTEM FORFORMATION OF P-N JUNCTIONS IN GALLIUM NITRIDE BASED ELECTRONICS”。
【背景技术】
[0006]功率电子器件广泛用在各种应用中。功率电子器件通常用在电路中以调节电能的形式(例如，从交流到直流，从一个电压电平到另一电压电平或者以一些其他方式)。这样的器件可以在宽范围的功率电平(从可移动器件中的几毫瓦到高压输电系统中的几百兆瓦)内操作。尽管在功率电子器件中取得了进展，但是在本领域中还对改善的电子系统和操作该改善的电子系统的方法存在需求。
【发明内容】
[0007]本发明一般性涉及电子器件。更具体地，本发明涉及形成垂直的结型场效应晶体管(JFET)。仅通过示例的方式，·本发明已经应用于制造使用氮化镓(GaN)基外延层的常断型垂直JFET的方法和系统。该方法和技术可以应用于可以提供常断型或者常通型功能性的包括η沟道垂直JFET和P沟道垂直JFET的各种化合物半导体系统。
[0008]根据本发明的一个实施方案，提供了一种用于制造受控开关器件的方法。该方法包括:提供第III族氮化物衬底；形成耦合到第III族氮化物衬底的第一第III族氮化物外延层；以及形成耦合到第一第III族氮化物外延层的第二第III族氮化物外延层。第一第III族氮化物外延层的特征在于第一掺杂剂浓度，并且第二第III族氮化物外延层具有相同类型并且小于或等于第一掺杂剂浓度的第二掺杂剂浓度。该方法还包括形成耦合到第二第III族氮化物外延层的第三第III族氮化物外延层。第三第III族氮化物外延层具有相同类型并且大于第一掺杂剂浓度的第三掺杂剂浓度。该方法还包括:移除第三第III族氮化物外延层的至少一部分和第二第III族氮化物外延层的至少一部分以形成第二第III族氮化物外延层的沟道区；形成耦合到沟道区的具有与第一第III族氮化物外延层相反类型的外延层；以及形成电耦合到第III族氮化物衬底的第一金属结构。另外，该方法包括:形成电耦合到相反类型的外延层的第二金属结构；以及形成电耦合到第三第III族氮化物外延层的第三金属结构。
[0009]根据本发明的另一实施方案，提供了一种用于制造外延结构的方法。该方法包括:提供第III族氮化物衬底；以及形成耦合到第III族氮化物衬底的第一导电类型的第一第III族氮化物外延层。第一第III族氮化物外延层具有第一掺杂剂浓度。该方法还包括:形成耦合到第一第III族氮化物外延层的第一导电类型的第二第III族氮化物外延层；以及形成耦合到第二第III族氮化物外延层的第一导电类型的第三第III族氮化物外延层。第二第III族氮化物外延层具有第二掺杂剂浓度，并且第三第III族氮化物外延层具有大于第一掺杂剂浓度的第三掺杂剂浓度。
[0010]根据本发明的一个具体实施方案，提供了一种半导体结构。该半导体结构包括:第III族氮化物衬底；耦合到第III族氮化物衬底的第一导电类型的第一第III族氮化物外延层；和耦合到第一第III族氮化物外延层的第一导电类型的第一第III族氮化物外延结构。该半导体结构还包括:耦合到第一第III族氮化物外延结构的第一导电类型的第二第III族氮化物外延结构；和耦合到第一第III族氮化物外延结构的第二第III族氮化物外延层。第二第III族氮化物外延层为第二导电类型。
[0011]根据本发明的另一具体实施方案，提供了一种垂直的第III族氮化物场效应晶体管。该垂直的第III族氮化物场效应晶体管包括:包含第一第III族氮化物材料的漏极；电耦合到漏极的漏极接触部；和耦合到漏极并且沿垂直方向与漏极相邻布置的包含第二第III族氮化物材料的漂移区。该垂直的第III族氮化物场效应晶体管还包括:耦合到漂移区的包含第三第III族氮化物材料的沟道区；至少部分包围沟道区的栅极区；和电耦合到栅极区的栅极接触部。该垂直第III族氮化物场效应晶体管还包括:耦合到沟道区的源极；和电耦合到源极的源极接触部。沟道区沿垂直方向布置在漏极与源极之间使得在垂直的第111族氮化物场效应晶体管的操作期间的电流流动沿着垂直方向。
[0012]通过本发明的方法实现了优于常规技术的许多益处。例如，与常规技术相比，本发明的实施方案能够使用更厚的第III族氮化物半导体层，这可以得到能够在比常规器件的操作电压更高的电压下操作的器件。另外，本发明的实施方案提供了可以使得器件具有更高的功率密度、更低的电容以及总体上更好的性能的垂直晶体管结构。结合下文以及附图对本发明的这些实施方案和其他实施方案以及本发明的许多优点和特征进行详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1A至图1B为示出根据本发明的一个实施方案的垂直JFET的操作功能性的简化横截面图；
[0014]图2至图9为示出根据本发明的一个实施方案的垂直的结型场效应晶体管(JFET)的制造的简化横截面图；
[0015]图10至图17为示出根据本发明的另一实施方案的垂直JFET的制造的简化横截面图；
[0016]图18为示出根据本发明的一个实施方案的具有再生长栅极区的垂直JFET的制造方法的简化流程图；
[0017]图19为示出根据本发明的一个实施方案的具有再生长沟道区的垂直JFET的制造方法的简化流程图。
【具体实施方式】
[0018]本发明的实施方案涉及电子器件。更具体地，本发明涉及形成垂直的结型场效应晶体管(JFET)。仅通过示例的方式，本发明已经应用于制造使用氮化镓(GaN)基外延层的常断型垂直JFET的方法和系统。该方法和技术可以应用于可以提供常断功能性或者常通功能性的包括η沟道垂直JFET和P沟道垂直JFET的各种化合物半导体系统。
[0019]GaN基电子器件和光电子器件正经历快速发展。与GaN以及相关的合金和异质结构相关联的期望特性包括对于可见光发射和紫外光发射的高带隙能量、有利的传输特性(例如，高电子迁移率和高饱和速率)、高击穿电场以及高热导率。根据本发明的实施方案，利用在拟块体(pseudo-bulk) GaN衬底上的氮化镓(GaN)外延生长来制造不能使用常规技术制造的GaN基半导体器件。例如生长GaN的常规方法包括使用异质衬底例如碳化硅(SiC)0这可由于GaN层与异质衬底之间的热膨胀系数和晶格常数的不同而限制生长在异质衬底上的可用GaN层的厚度。GaN与异质衬底之间的界面处的高缺陷密度进一步使制造包括功率电子器件(例如JFET和其他场效应晶体管)的垂直器件的尝试复杂化。
[0020]反之，在本文中所描述的实施方案中利用在块体GaN衬底上的同质外延GaN层来提供比常规技术和器件优异的特性。例如，对于给定的背景掺杂水平N，电子迁移率μ更高。这提供了低电阻率P，原因是电阻率与电子迁移率成反比，如公式(I)所示:
【权利要求】
1.一种用于制造受控开关器件的方法，所述方法包括: 提供第III族氮化物衬底； 形成耦合到所述第III族氮化物衬底的第一第III族氮化物外延层，其中所述第一第III族氮化物外延层的特征在于第一掺杂剂浓度； 形成耦合到所述第一第III族氮化物外延层的第二第III族氮化物外延层，其中所述第二第III族氮化物外延层具有相同类型并且小于或等于所述第一掺杂剂浓度的第二掺杂剂浓度； 形成耦合到所述第二第III族氮化物外延层的第三第III族氮化物外延层，其中所述第三第III族氮化物外延层具有相同类型并且大于所述第一掺杂剂浓度的第三掺杂剂浓度； 移除所述第三第III族氮化物外延层的至少一部分以及所述第二第III族氮化物外延层的至少一部分以形成所述第二第III族氮化物外延层的沟道区； 形成耦合到所述沟道区的具有与所述第一第III族氮化物外延层相反类型的外延层； 形成电耦合到所述第III族氮化物衬底的第一金属结构； 形成电耦合到所述相反类型的外延层的第二金属结构；以及 形成电耦合到所述第三第III族氮化物外延层的第三金属结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其中第一第III族氮化物层包括η型GaN外延层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一第III族氮化物外延层的厚度在约Iμ m至约100 μ m之间。·
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述厚度在约10μ m至80 μ m之间。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一第III族氮化物外延层为η型层，并且所述相反类型的外延层为P型层。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一掺杂剂浓度、所述第二掺杂剂浓度或所述第三掺杂剂浓度中至少之一作为厚度的函数是非均匀的。
7.一种用于制造外延结构的方法，所述方法包括: 提供第III族氮化物衬底； 形成耦合到所述第III族氮化物衬底的第一导电类型的第一第III族氮化物外延层，其中所述第一第III族氮化物外延层具有第一掺杂剂浓度； 形成耦合到所述第一第III族氮化物外延层的所述第一导电类型的第二第III族氮化物外延层，其中所述第二第III族氮化物外延层具有第二掺杂剂浓度；以及 形成耦合到所述第二第III族氮化物外延层的所述第一导电类型的第三第III族氮化物外延层，其中所述第三第III族氮化物外延层具有大于所述第一掺杂剂浓度的第三掺杂剂浓度。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括移除所述第三第III族氮化物外延层的至少一部分以及所述第二第III族氮化物外延层的至少一部分以形成所述第二第III族氮化物外延层的GaN沟道区。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括形成耦合到所述第二第III族氮化物外延层的第二导电类型的第四第III族氮化物外延层。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括:形成电耦合到所述第III族氮化物衬底的第一金属结构；以及 形成电耦合到所述第四第III族氮化物外延层的第二金属结构。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一导电类型为η型，所述第二导电类型为P型。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一掺杂剂浓度、所述第二掺杂剂浓度或所述第三掺杂剂浓度中至少之一为非均匀的。
13.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一第III族氮化物外延层的厚度在Iμ m至100 μ m之间。
14.一种半导体结构,包括: 第III族氮化物衬底； 耦合到所述第III族氮化物衬底的第一导电类型的第一第III族氮化物外延层； 耦合到所述第一第III族氮化物外延层的所述第一导电类型的第一第III族氮化物外延结构； 耦合到所述第一第III族氮化物外延结构的所述第一导电类型的第二第III族氮化物外延结构；以及 耦合到所述第一第III族氮化物外延结构的第二第III族氮化物外延层，其中所述第二第III族氮化物外 延层为第二导电类型。
15.根据权利要求14所述的半导体结构，其中所述第一第III族氮化物外延层的掺杂剂浓度在I X IO14CnT3至I X IO18CnT3之间。
16.根据权利要求14所述的半导体结构，其中所述第一第III族氮化物外延层具有在I μ m至100 μ m之间的厚度。
17.—种垂直的第III族氮化物场效应晶体管，包括: 包含第一第III族氮化物材料的漏极: 电率禹合到所述漏极的漏极接触部； 耦合到所述漏极并且沿垂直方向与所述漏极相邻布置的包含第二第III族氮化物材料的漂移区； 耦合到所述漂移区的包含第三第III族氮化物材料的沟道区； 至少部分包围所述沟道区的栅极区； 电耦合到所述栅极区的栅极接触部； 耦合到所述沟道区的源极；以及 电耦合到所述源极的源极接触部； 其中所述沟道区沿所述垂直方向布置在所述漏极与所述源极之间使得在所述垂直的第III族氮化物场效应晶体管的操作期间的电流流动沿着所述垂直方向。
18.根据权利要求17所述的垂直的第III族氮化物场效应晶体管，其中所述第一第III族氮化物材料包含η型衬底。
19.根据权利要求17所述的垂直的第III族氮化物场效应晶体管，其中所述第二第III族氮化物材料包含掺杂剂浓度小于或等于所述第一第III族氮化物材料的掺杂剂浓度并且厚度大于I μ m的η型GaN外延层。
20.根据权利要求17所述的垂直第III族氮化物场效应晶体管，其中所述沟道区的沿正交于所述漂移区的厚度的方向测量的宽度小于5 μ m。
21.根据权利要求17所述的垂直第III族氮化物场效应晶体管，其中所述栅极区包含P型第in族氮化物材料。
22.根据权利要求17所述的垂直第III族氮化物场效应晶体管，其中所述栅极区还电耦合到所述漂移区。·
【文档编号】H01L29/66GK103858236SQ201280044977
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年8月3日 优先权日:2011年8月4日
【发明者】伊舍克·C·克孜勒亚尔勒, 聂辉, 安德鲁·P·爱德华兹, 林达·罗马诺, 大卫·P·布尔, 理查德·J·布朗, 托马斯·R·普朗蒂 申请人:阿沃吉有限公司