[发明专利]高阈值电压氮化镓增强型晶体管结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术。

背景技术

与基于铝镓砷/镓砷(AlGaAs/GaAs)异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)相比，基于铝镓氮/镓氮(AlGaN/GaN)异质结的HEMT器件具有以下优点：

(1)、AlGaN/GaN异质结界面的二维电子气(2DEG)浓度较高(可达1013cm-2)，比AlGaAs/GaAs异质结界面的2DEG浓度高出近一个数量级，因此，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT将具有更高的输出功率密度。作为规模化生产的产品，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件功率密度已达到达10W/毫米以上，比GaAs基HEMT器件的功率密度高出近20倍。

(2)、由于GaN属于宽禁带半导体，其工作温度高，可在500℃以上正常工作，而基于AlGaAs/GaAs异质结的HEMT器件的极限工作温度约为200℃左右。

(3)、由于GaN具有更高的击穿电场，因此，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件具有较高的栅-漏击穿电压，与AlGaAs/GaAs异质结HEMT器件相比，其工作偏置高出好几倍以上。

(4)、由干GaN材料化学键能高，材料的物理化学性能稳定，受外来的物理、化学作用的影响弱，因此，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT具有很强的抗辐照能力。

由于GaN器件的以上特点，不仅使得基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件可广泛应用于雷达、通信及航空航天等高频功率器件领域，还在电力电子器件领域具有极大应用潜力，使之成为了继硅(Si)、镓砷之后最有应用潜力的半导体材料，并广泛受到业界和学界的关注和研究。

由于GaN是一种强极性半导体材料，在AlGaN/GaN异质结界面自然形成高浓度的2DEG，在通常情况下很难耗尽AlGaN/GaN异质结界面的2DEG，所以，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件通常均为耗尽型，即：在零偏压下AlGaN/GaN异质结的HEMT器件处于常开状态，只有在栅上加一定大小的负偏压时，才能使器件处于关断状态，这对于电力电子器件领域的应用来说，其安全性将成为很大的问题。同时，即使对数字逻辑集成电路设计和研制来说，为了确保逻辑电路的逻辑安全，不仅需要增强型器件(阈值电压大于零)，而且要求增强型器件具有较高的阈值电压，为此，研究工作者不仅一直在探索增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制造技术，而且也一直在探索提高阈值电压的方法。目前，增强型GaN HEMT器件制造的主要方法如下：

(1)、通过能带设计和剪切降低AlGaN/GaN异质结界面的2DEG浓度，从而实现增强型GaN HEMT器件。

这一方法的最大缺点是：无法实现与耗尽型GaN HEMT器件的兼容，也就是说：无法在同一片材料上既制造增强型GaN HEMT器件，还研制出耗尽型GaN HEMT器件，因此，这种方法无法满足GaN数字逻辑电路的研制需要。

(2)、通过减薄栅区的AlGaN势垒层厚度，降低栅区的2DEG浓度，从而实现增强型GaN HEMT器件。

这种方法虽然有效，但其最大的问题是：由于很难监控刻蚀速率，导致栅区AlGaN势垒层的厚度难以准确控制，因此，所制造的增强型GaN HEMT器件的性能一致性和重复性难以保证，这对于GaN数字逻辑电路的研制来说，同样是很难接受的。此外，这种方法很难实现较高的阈值电压。

(3)、对栅区AlGaN势垒层注入F离子，耗尽栅区的2DEG，从而实现增强型GaN HEMT器件。

这种方法虽然避免了以上两种方法的缺点，但其最大的问题是：栅区AlGaN势垒层的F离子注入会破坏AlGaN/GaN异质结界面特性，使GaN增强型HEMT器件的性能退化，从而使所研制的GaN集成电路性能较差。而且为了进一步提高阈值电压，器件的电学性能会出现更加严重的衰退。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有较高阈值电压的增强型GaN-HEMT器件结构及其制备方法，该器件结构既能实现增强型GaN HEMT器件与耗尽型GaN HEMT器件的兼容，又能最大限度地保证增强型GaN HEMT器件与耗尽型GaN HEMT器件性能相当，而且还可以拥有高的阈值电压。