[发明专利]一种采用GaN自图形化模板a面常闭型HEMT制作方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及半导体器件，是一种新型非极性a面HEMT制作方法，可广泛用于通信、电力电子等领域。

背景技术

近十年来，以氮化镓（GaN）为代表的III族氮化物半导体材料与器件发展迅猛，被称为继以硅（Si）为代表的第一代半导体、以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体后的第三代半导体。GaN作为直接带隙的宽禁带半导体材料，可与氮化铟（InN）, 氮化铝（AlN）形成禁带宽度连续可变的三元或四元固溶体合金铟镓氮（InGaN）、铝镓氮（AlGaN）和铝铟镓氮（AlInGaN），其对应的波长覆盖了从红外到深紫外光范围，在光电子领域具有极大的应用前景。目前，通过GaN及其固溶体合金材料，已经制作了覆盖紫外到白光发光二极管（LED）、半导体激光器（LD）、高频高功率的高电子迁移率晶体管（HEMT）等各类器件，广泛应用于通信、紫外探测、红外探测、白光照明、电力电子等领域。

高速电子迁移率晶体管 (HEMT) 是一种异质结场效应晶体管，其杂质与电子在空间被分隔开，因而电子具有很高的迁移率。在此结构中，通过改变栅极(gate)的电压就可以控制由源极(source)到漏极(drain)的电流，从而达到功率放大的目的。GaN基HEMT具有高跨导、高饱和电流、高截止频率、高工作温度和高功率密度等优点。GaN 作为宽禁带材料，在相当大的温度范围内能够精确的控制自由载流子浓度，适合高温工作，从而减少甚至取消冷却系统，使系统的体积和重量大大降低，效率大大提高。此外，GaN 材料的高热导率、大的热容量和高的击穿电场等优点都有助于 GaN 功率器件在大功率的条件下工作。因而，GaN基HEMT称为高频大功率的首选。

III族氮化物材料在常温下具有稳定的纤锌矿结构，不具有中心反演对称性，并且III族元素的原子和氮（N）原子的电负性相差很大，导致III族氮化物及其异质结在c面方向具有很强的自发极化和压电极化。这种极化效应导致了异质结界面处可以产生浓度高达10¹³/cm²的二维电子气，其电子迁移率可达到2000cm²/Vs左右。也就是说，即使在无故意掺杂的情况下，GaN基HEMT也可获得很高的载流子浓度，从而获得很低的开状态电阻和很高的击穿电压。然而从另一方面来说，异质结界面处的固有载流子浓度越高，就越难获得常闭型HEMT器件。那么，GaN基HEMT由于极化诱导而产生的极化电荷使得常闭型GaN基HEMT器件比起GaAs基HEMT器件更难制作。同时，GaN基材料强的自发极化和压电极化效应会异质结界面处引起很强的极化电场，强极化电场使得c面HEMT中存在着电流崩塌效应（电流崩塌效应是指器件在应力、脉冲或者射频等工作条件下，器件输出电流减小、输出功率和增益降低等导致器件性能恶化的现象），这是目前限制HEMT器件实用化的主要问题。

在功率射频和电能转换等应用领域，耗尽型（常开型）器件必需采用负电压偏置栅极，这就要求系统提供一个完全独立的电源系统，而且在应用于电力开关系统时，总体系统安全性还要求这个负偏压系统的运行先于电源通电。所以很有必要研制增强型（常开型）场效应管来避免系统启动和模式转换时的导通损毁。基于常闭态增强型异质结场效应管（HFET）的电路具有控制简单、低功耗等优点，在电力系统、工业自动化、汽车电子、雷达以及通讯等领域有着非常广阔的应用。为了获得常闭型HEMT器件，研究人员采用了各种不同的方法。2007年，Uemoto, Y. 等人通过栅极增加p型AlGaN层制作了最大源漏电流200mA/mm的HEMT器件。2008年，Oka. T等人采用凹型栅结构制作常闭型HEMT器件，获得5.2V的阈值电压，最大的源漏电流超过200mA/mm，击穿电压400V。2009年，Wanjun Chen等人采用F-离子处理栅极的方法制作GaN基HEMT器件，其击穿电压达到470V。2010年，Kanamura, M. 等人制作n-GaN/i-AlN/n-GaN 三层盖帽层金属绝缘体半导体-高速迁移率晶体管（MIS-HEMT）常闭型器件，最大的源漏电流达到800mA/mm。相比之下，为了规避c面上存在的强极化效应，一种较为直接的方法是寻求非极性a面上的常闭型HEMT器件。