[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及III族氮化物半导体器件及其制造方法，具体来说，涉及基于宽禁带III族氮化物半导体的场效应晶体管在射频领域的应用，其有利于提高晶体管的频率响应，同时抑制晶体管的电流崩塌效应，特别适用于高频微波应用。

背景技术

第三代半导体氮化镓(GaN)的介质击穿电场远远高于第一代半导体硅(Si)或第二代半导体砷化镓(GaAs)，高达3MV/cm，使其电子器件能承受很高的电压。同时，氮化镓可以与其他镓类化合物半导体(III族氮化物半导体)形成异质结结构。由于III族氮化物半导体具有强烈的自发极化和压电极化效应，在异质结的界面附近，可以形成很高电子浓度的二维电子气(2DEG)沟道。这种异质结结构也有效的降低了电离杂质散射，因此沟道内的电子迁移率大大提升。在此异质结基础上制成的氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)能在高频率导通高电流，并具有很低的导通电阻。这些特性使氮化镓HEMT特别适用于制造高频的大功率射频器件和高耐压大电流的开关器件。

由于二维电子气沟道内的电子有很高的迁移率，所以氮化镓HEMT相对于硅器件而言，开关速率大大提高。同时高浓度的二维电子气也使得氮化镓HEMT具有较高的电流密度，适用于大电流功率器件的需要。另外，氮化镓是宽禁带半导体，能工作在较高的温度。硅器件在大功率工作环境下往往需要额外的降温器件来确保其正常工作，而氮化镓无须这样，或者对降温要求较低。因此氮化镓功率器件有利于节省空间和成本。

常用氮化镓HEMT的器件结构为平面结构，其截面图如图1所示。底层是衬底(或基板)10，衬底10上沉积有成核层11，缓冲层12，氮化镓沟道层13和隔离层14。二维电子气(2DEG)沟道19在氮化镓沟道层13和隔离层14的界面附近形成。源极16和漏极17与二维电子气电气相通，可以控制沟道内电子的流向。栅极18位于源极16和漏极17之间，用于控制沟道内电子的数目，进而控制电流的大小。

对于高频氮化镓电子器件，尤其是毫米波氮化镓器件而言，为了提高器件的截止频率，器件的栅极长度(下面简称为栅长)通常设计得很小(小于200nm)。但是器件的栅长只能决定器件的本征电流增益截止频率。器件的实际截止频率受到寄生电容的影响。当栅长很小时，器件的本征电容也很小，寄生电容的大小可以和本征电容相比拟，因此限制了器件的截止频率。进一步降低栅长无法提高器件的截止频率。

为了提高氮化镓电子器件的截止频率，需要提高纵横比(Aspect Ratio)，在这里，纵横比被定义为Lg/h的比例。Lg是器件的栅长，h是栅极18与二维电子气沟道19之间的距离。在降低Lg的情况下，为了保持和提高纵横比，需要降低h，也就是栅极与二维电子气沟道之间的距离需要更小。同时，h的降低，使栅极离二维电子气更近，栅极对沟道内电子的控制可以大大加强，有利于降低短沟道(short-channel)效应，进一步提升器件的功率增益截止频率。

常用的氮化镓HEMT的外延结构，多采用低铝组分的AlGaN隔离层(AlGaN的铝组分多为20％-30％)。在这种铝组分的情况下，要形成高电子浓度的二维电子气，需要较厚的隔离层，如图2所示。但是，隔离层厚度的增大会降低器件的纵横比，降低器件的本征栅源电容，从而降低器件的截止频率。同时对于小栅长器件而言，厚的隔离层使短沟道效应更加显著，器件的功率增益和功率附加效率都显著下降。

一种常见的解决方案是采用高铝组分的隔离层或者AlN隔离层，如图3所示。理论和实验都证明了，在这种结构下，可以用很薄的AlN隔离层14实现高电子浓度的二维电子气沟道。器件的纵横比大大提高，短沟道效应大大降低，器件截止频率显著提高。

但是，在这种结构下，器件表面离二维电子气沟道的距离很小。在器件的表面有很多缺陷，电子在离表面很近的情况下，很容易受器件表面态影响，电流崩塌效应非常显著。同时实验证明，器件表面离二维电子气越近，电流崩塌效应越显著。

此外，在图3所示的结构中，由于铝组分过高，传统的退火工艺很难形成良好的欧姆接触。源极和漏极的电阻过高，降低了器件的频率响应特性。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了半导体器件及其制造方法，具体提供了以下技术方案。

[第1方案]

本发明的第1方案提供了一种半导体器件，包括：在衬底上的半导体层；在上述半导体层上的隔离层；在上述隔离层上的n型掺杂层；与上述半导体层电气相通的源极和漏极；以及在上述隔离层上的与上述n型掺杂层分离的栅极。