[发明专利]一种GaN基P型栅极增强型HEMT器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于提高离子迁移率的GaN基P型栅极增强型HEMT(HighElectron MobilityTransistor，高电子迁移率晶体管)器件及其制备方法，属于半导体技术领域。

背景技术

氮化镓材料作为一种新型的半导体材料受到了越来越多的关注。作为第三代半导体的代 表性材料，氮化镓具有优异的电学和光学性质，其具有较宽带隙、直接带隙的优点，耐高温 高压，适合应用于条件恶劣的环境中。氮化镓材料的主要用途为发光二极管和高电子迁移率 晶体管。氮化镓基发光二极管可实现从紫外到红光的波长变化，覆盖了整个可见光波段，尤 其是氮化镓蓝色发光二极管的商品化，带动了半导体照明领域的发展。目前，发光二极管广 泛应用于交通信号灯、全色显示、液晶屏幕背光板、汽车仪表及内装灯等。基于GaN材料的 高电子迁移率晶体管,由于高的电子饱和速度、二维电子气沟道中高浓度电子以及较高的临界 击穿电场,使得其在大电流、低功耗、高压开关器件应用领域具有巨大的应用前景。

功率开关器件的关键是实现高击穿电压、低导通电阻和高可靠性。器件的击穿是由于栅 肖特基结的泄漏电流和通过缓冲层的泄漏电流引起的。要提高器件耐压,纵向上需要增加缓冲 层的厚度和质量,这主要由工艺技术水平决定；横向上需要漂移区长度增加,这不仅使器件或 电路的芯片面积增加、成本增大,更为严重的是,器件的导通电阻增大,进而导致功耗急剧增加, 且器件开关速度也随之降低。

现有技术普通氮化稼基异质结场效应晶体管结构,主要包括衬底、氮化稼缓冲层、氮化稼 沟道层、铝稼氮势垒层以及铝稼氮势垒层上形成的源极、漏极和栅极,其中源极和漏极与铝稼 氮势垒层形成欧姆接触,栅极与铝稼氮势垒层形成肖特基接触。但是对于普通而言,由于异质 结构间天然存在很强的二维电子气沟道,所以在零偏压下器件处于导通状态,为耗尽型器件。 而耗尽型器件的应用存在一定局限性,要使耗尽型器件关断必须在栅极加负电压偏置,这增加 了电路的功耗和复杂度,同时在异常断电的情况下,器件仍处于导通状态,降低了系统的安全 性。所以使用增强型器件能降低系统功耗和复杂度,提升安全性,使氮化稼基能应用于大功率 开关器件和电路以及数字互补逻辑集成电路,具有很大的应用前景。

现有技术中为了实现氮化镓增强型器件，通常采用P型GaN栅结构。在栅下和AlGaN势 垒层之间引入P型GaN材料,栅金属与P型GaN形成欧姆接触,一方面P型掺杂能提高能带, 在栅压为0时耗尽沟道电子实现增强型特性,另一方面P型GaN材料中的空穴能注入沟道,起 到电导调制作用,在提高漏极电流的同时保持较小的栅电流。但GaN材料的P型受主激活Mg 能很高,高质量的P型材料很难实现,同时P型掺杂也会对材料的可靠性造成影响。

使用薄势垒层技术(M.A.Khan,Q.Chen,C.J.Sun,etal.Enhancementanddepletion modeGaN/AlGaNheterostructurefiledeffecttransistors[J],AppliedPhysicsLetters, 1996,68(4):514-516)。通过减小势垒层的组分和厚度能减小沟道中浓度,优点是没有对栅下 区域进行刻蚀引起工艺损伤,因而肖特基特性较好,栅泄漏电流较低,但这种方法的不足是由 于整体削减势垒层的厚度,整个沟道区域的浓度较低,器件的饱和电流较小,同时闽值电压也 不能实现太高。