[发明专利]增强型半导体器件

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，尤其涉及一种增强型半导体器件。

背景技术

第三代半导体材料氮化镓具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、击穿场强高、导热性能好等特点，在电子器件方面，氮化镓材料比硅和砷化镓更适合于制作高温、高频、高压和大功率的半导体器件。

由于AlGaN/GaN异质结构中存在较强的二维电子气，通常采用AlGaN/GaN异质结形成的高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor；HEMT）都是耗尽型器件，对于增强型器件则不易实现。而在许多地方耗尽型器件的应用又具有一定的局限性，比如在功率开关器件的应用中，需要增强型（常关型）开关器件。增强型氮化镓开关器件主要用于高频器件、功率开关器件和数字电路等，它的研究具有十分重要的意义。

实现增强型氮化镓开关器件，需要找到合适的方法来降低零栅压时栅极下方的沟道载流子浓度。一种方法是在栅极处采用刻蚀结构，局部减薄栅极下面的铝镓氮层的厚度，达到控制或降低栅极下二维电子气浓度的目的，如图1所示，缓冲层11、氮化镓层12、铝镓氮层13分别位于衬底10上，栅极14、源极15以及漏极16分别位于铝镓氮层13上，其中在栅极4下方铝镓氮层被局部刻蚀，从而减薄了栅极区的铝镓氮层厚度。另外一种办法是在栅极下面选择性保留p型(Al)GaN，通过p型(Al)GaN来提拉铝镓氮/氮化镓异质结处的导带能级，形成耗尽区，从而实现增强型器件，如图2所示，在栅极14’下方通过选择性保留了局部p型氮化物17。还有一种办法是氟化物等离子处理技术，在势垒层中注入氟离子等带负电的离子，控制注入离子浓度可以耗尽导电沟道中的二维电子气，需要用很强的负离子来夹断沟道，如图3所示，在栅极14”下方的势垒层13中注入负电离子18。

但是，这些办法都有一定的不足之处。在第一种方法中，阈值电压一般在0V-1V左右，未达到应用的阈值电压3V-5V，为了达到较高的阈值电压和工作电压，还需要增加额外的介质层，如原子层沉积的三氧化二铝，但是，这个介质层与铝镓氮表面的界面态如何控制，是一个悬而未决的大问题。在第二种方法中，需要选择性刻蚀掉除了栅极下面以外的所有区域，如何实现刻蚀厚度的精确控制，也是非常具有挑战性的，另外，由于刻蚀中带来的缺陷，以及p型铝镓氮中残余的镁原子，会引起严重的电流崩塌效应。还有就是由于空穴密度的不足（一般而言，p型氮化镓中空穴的浓度不会超过1E18/cm3），AlGaN/GaN异质结中的二维电子气的密度会受到很大的限制。如果二维电子气中电子的密度过高，就无法实现增强型的器件了，所以增强型器件的AlGaN/GaN异质结中，铝的含量通常低于20%，如15%左右。在第三种方法中，氟化物等离子处理会破坏晶格结构，工艺重复控制性也较差，对器件的稳定性和可靠性造成了比较大的影响。

发明内容

正如背景技术中所述，氮化镓材料在运用到增强型器件中的时候，需要控制零栅压时沟道中的载流子浓度。然而现有的工艺中，无论是减薄栅极下方的氮化物势垒层的厚度，还是在栅极下方保留一层p型氮化物，或者在势垒层中注入负离子，都会因为工艺问题对器件的稳定性和可靠性产生比较大的影响。

因此，本发明设计了一种新型的增强型半导体器件结构。该增强型器件实现夹断二维电子气的原理是根据III族氮化物是一种极性半导体的特点，请参见图4和图5，同传统的III-V族半导体不同，III族氮化物中存在很强的内建电场。如果在C(0002)平面形成AlInGaN/GaN异质结，即使在AlInGaN层不进行n型掺杂，在所述异质结当中也会产生浓度很高的二维电子气。其原因就是III族氮化物内的自发极化电场和由于应力引起的压电电场。此二维电子气的浓度可以超过1E13/cm²。但是，III族氮化物中的自发极化电场和压电电场只存在于<0002>方向，而非极性方向，即与<0002>方向垂直的方向，包括<1-100>、<11-20>等则不存在自建电场。对于半极性方向来说，例如在<0002>与<1-100>或者<11-20>之间的方向，该方向上的内建电场强度也远远小于<0002>方向。