[发明专利]氮化镓外延层生长在硅衬底上的纵向型器件的制造方法

说明书

一种氮化镓外延层生长在硅衬底上的纵向型器件制造方法，包括以下步骤：在硅单晶衬底上依次生长AlN层、AlGaN层、N+_GaN层、N型GaN外延层和P型GaN外延层；对所述P型GaN外延层进行刻蚀，形成沟槽；注入硅离子N型掺杂剂，使P型区转为N型区；在外延层最表面形成层间介质，并在所述层间介质中形成接触孔掩模开孔；形成发射区金属垫层和终端区场板；磨薄硅单晶的硅衬底，并对硅衬底的背表面进行开孔；刻蚀硅衬底暴露出来的硅表面，形成深沟槽；用金属填充沟槽，把硅单晶衬底背表面金属化，作为器件的背面电极。本发明的纵向型器件的制造方法，减少了器件尺寸和制造成本，同时，垂直结构的器件能够提供更高和更有效的功率和更好的性价比。

技术领域

本发明涉及一种氮化镓半导体器件的制造方法，尤其涉及一种纵向型的氮化镓基的垂直器件的制造方法。

背景技术

第三代半导体材料，包括：硫化镉(CdS)、氧化锌(ZnO)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等。这些半导体材料的禁带宽度都大于2.2eV，在电子器件方面，对SiC和GaN研究得相对比较成熟，是目前世界半导体材料和器件研究领域中的热点。

GaN禁带宽度是3.4eV，宽禁带使GaN材料能够承受更高的工作温度，也使GaN材料有更大的击穿电场，更大的击穿电场意味着器件能够承受更高的工作电压，可以提高器件的功率特性，GaN还有高的电子饱和漂移速度和高的热导率，总的来说，GaN是可以用来制造高频、高压大功率半导体器件的优良材料。

GaN基异质结材料是GaN材料中的重要代表，其延续了GaN材料高击穿电场、高电子饱和漂移速度等优点。铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)是GaN基异质结材料中的主要结构代表，AlGaN/GaN异质结中，A1GaN为宽禁带材料，GaN为窄带材料，两者形成I型异质结，二维电子气(2DEG)位于异质结界面的GaN一侧。

A1GaN/GaN已经被大量地应用在光电和电子器件方面，这也是推动GaN材料向高水平和低成本发展的动力之一，光电子器件主要包括A1GaN/GaN多量子阱结构的激光器和发光管；电子器件主要聚焦在以AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)结构作为GaN基器件的基础代表，这种结构具有良好的高频、高功率、耐高温以及抗辐射性能,用这种结构研制出的器件包括有AlGaN/GaN异质结场效应晶体管(AlGaN/GaN HFETS)和AlGaN/GaN异质结肖特基二极管等。

上述的GaN基异质结器件为横向器件。所谓横向器件，就是器件的所有电极都放置在器件的表面之上，而且，器件的表面结构里的有源区也用来承受施加于器件之上的反偏置电压，如果反偏置电压愈高，需要使用的表面有源区便愈宽，这就导致芯片面积使用率不如垂直高压器件有效，相比之下，横向高压器件的表面平均每单位面积的输出功率远小于垂直高压器件，这是横向器件的一大缺点。

美国专利号8,569,799提出了一种包含了掩埋接触的氮化镓器件，该器件使得横向器件的电极分布变成类似垂直器件一样，即阳极(高电压)在器件的一面，阴极(低电压)在另一面，该专利中描述的结构仅是“准”垂直结构，仍依靠芯片表面的有源区的宽度来承受反偏置的电压，在表面面积的使用率上比一般横向器件没有多大的改进。

与横向器件相比，垂直的GaN器件的电流可以从芯片的一面垂地流至另一面，而且，芯片内的外延层可以用来承受施加与芯片上的反偏置电压，垂直GaN器件的击穿电压可通过增加漂移区的厚度来增加，而无需牺牲器件尺寸，这样就能有效地利用芯片面积去处理器件规格所要求的电流和电压，所以垂直器件芯片的每单位面积能提供更高和更有效的功率，使产品有更好的性价比，采用垂直结构有助于减少芯片尺寸和制造成本。

不论是氮化镓基异质结横向器件还是氮化镓基垂直结构器件，都是制造在外延材料上的，衬底可以是氮化镓单晶，碳化硅单晶或硅单晶。