[发明专利]氧化镓晶体管及其制备方法

说明书

本发明提供一种氧化镓晶体管及其制备方法，其中晶体管包括：氧化镓单晶材料，其一侧面开设有沟道；上电极，设置在氧化镓单晶材料的沟道顶上；P型掺杂层，设置在氧化镓单晶材料的沟道底上；栅介质层，设置于P型掺杂层之上；栅电极，设置于所述栅介质层之上；以及下电极，设置于氧化镓单晶材料的另一侧上。本发明的氧化镓晶体管充分利用氧化镓材料本身极宽的禁带宽度、高的理论击穿场强的性能来实现进一步提升MOSFET承载高压能力的目的。

技术领域

本发明涉及半导体领域，进一步涉及一种氧化镓晶体管，进一步涉及一种氧化镓晶体管的制备方法。

背景技术

氧化镓是一种新型的超宽禁带半导体材料，其禁带宽度超过SiC和GaN等传统宽禁半导体材料，具有更高的理论击穿场强(E_c＝8MV/cm)，这意味着其能够承载更高的电压而不被击穿损毁，通过功率品质因子(μm₀E_c²，μ为载流子迁移率，m₀为载流子有效质量)的计算，其超过SiC和GaN，因此氧化镓基功率器件有望超过SiC和GaN承载更高的电压，从而在超高压领域占据一席之地。另外，大尺寸、高质量的氧化镓单晶能够通过一种熔融法的改进方式，即被称为导模法(Edge-Defined Field-Fed Growth)，大规模制备，称为其重要优势。再者，氧化镓同质外延的技术已经日趋成熟，如MOCVD、HVPE、MBE、PLD等，为器件的设计制备提供了有力支撑。

但同时，氧化镓晶体中P型杂质的激活率一直较低，难以应用，这极大的限制了器件结构设计，传统半导体材料(如Si)和宽禁带半导体材料(如SiC、GaN)的器件结构无法实现。因此，一种利用n型掺杂材料实现氧化镓高压场效应晶体管的技术方案是具有针对性的。

高压场效应晶体管有常开型和常关型两种，其区别在于操作模式不同，对于常开型器件，栅电极断电，器件保持开启，只有栅电极施加电压，器件才能关断。而常关型器件则相反，栅极断电，器件保持关断，栅电极施加电压后，器件开启。而高压MOSFET在实际应用中，常作为开关器件串联在高压电路中，源漏电极间会承载很高的电压。而常开型器件由于只有栅极加电才能关断，若栅极电压出现扰动造成误操作，那么器件将由关断状态突然开启，此时由于高压仍在，而电流导通意味着器件将以极大的热功率产热从而烧毁器件，更严重的是误操作产生的大电流对系统核心设备的损害可能是不可逆转的。而常关型器件由于栅极无需加电既可保持关断，不存在关断风险。而由于氧化镓难以反型，且P型杂质难以有效激活，无法利用沟道层与源漏有源区形成反向PN结从而实现有效关断，因此基于氧化镓材料的常关型MOSFET的实现较困难。

现有技术的制备MOSFET问题是：Si本身的小的禁带宽度、低的理论击穿场强极大地限制了高压场效应晶体管的性能；复杂的Si基高压场效应晶体管结构(如Super-Junction、Reduce Surface Field等)增加了器件的生产成本和降低了器件稳定性，使Si材料本身的成本优势因为复杂工艺的引进而被削弱。SiC基高压场效应晶体管存在着表面C络合物导致的界面态密度相对较高的问题，影响器件的稳定性，如阈值电压的漂移和频率特性。SiC材料成本由于生长方式的限制居高不下，导致器件成本难以降低，限制了其应用推广。SiC材料高的体缺陷密度限制了高压垂直结构SiC基MOSFET的耐压能力。

现有方案是利用垂直窄沟道利用界面态俘获负电荷中心，利用负电荷电场耗尽沟道，从而实现常关型的垂直高压MOSFET。虽然高的界面态电荷虽然耗尽了沟道，实现了常关型的操作，但同时也带来了器件稳定性的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氧化镓晶体管及其制备方法，以至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种氧化镓晶体管，包括：

氧化镓单晶材料，其一侧面开设有沟道；