[发明专利]一种GaN基增强型电子器件的材料结构

说明书

技术领域

本发明涉及GaN基功率电子和微波功率放大器应用技术领域，尤其涉及一种GaN基增强型电子器件的材料结构。

背景技术

高效功率电子器件(又称功率开关器件)在智能电网、工业控制、新能源发电、电动汽车以及消费电子等领域具有重大应用价值，全球70％以上的电力电子系统均由基于功率半导体器件的电力管理系统来调控管理。传统Si功率电子器件性能已经接近Si半导体材料的物理极限，以SiC和GaN为代表的新型宽禁带半导体器件凭借更高的击穿电场、更高的工作频率和更低的导通电阻有望成为下一代高效功率电子技术的强有力竞争者。

增强型是功率电子器件安全工作的关键要求，即在高压工作时，器件即使失去栅控的状态下也是安全的，不会导致系统的烧毁。这就要求功率电子器件必须是增强型的(enhancement-mode，也称normally-off)，即器件的阈值要在0V以上。而目前GaN基增强型功率电子器件主要是基于Al(In，Ga)N/GaN异质结构制备的，依靠Al(In，Ga)N势垒层和GaN缓冲层间较强的自发和压电极化效应，在Al(In，Ga)N/GaN异质结沟道中会诱导出高达1013cm-2的二维电子气(2-D Electron Gas，2-DEG)，因此基于该结构制备的GaN基功率电子器件(包括HEMTs和MIS-HEMTs)一般是耗尽型的，为了实现GaN基增强型器件，目前国际上主要有五种技术：1)栅槽刻蚀减薄Al(In，Ga)N势垒层；2)在Al(In，Ga)N势垒层中注入带负电的氟离子；3)在势垒层表面生长P-(Al)GaN盖帽层；4)在势垒层表面生长InGaN或厚GaN反极化层；5)增强型Si-MOSFET与GaN基耗尽型HEMT/MIS-HEMT级联结构。

栅槽刻蚀是通过等离子体干法刻蚀Al(In，Ga)N势垒层实现，由于势垒层一般只有20nm左右，通过该技术很难实现同一批次不同晶圆之间，尤其是不同批次的晶圆之间刻蚀深度的重复性，制约了该技术的产业化。氟离子注入技术同样面临工艺的重复性问题。P-(Al)GaN盖帽层和厚GaN反极化层技术是通过MOCVD或MBE外延生长厚度和掺杂控制来实现增强型，一般能获得较好的阈值一致性，特别是P-(Al)GaN技术已经有相关的示范产品报道。第5种级联技术利用成熟的Si-MOSFET(已产业化)实现增强型，也推出了相关的600V功率电子产品。

因此，采用无需栅槽刻蚀的薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构，以及具有极化或n型掺杂效应的表面钝化层恢复栅极以外薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结沟道中的二维电子气(2-DEG)，有助于制备阈值一致性良好，低动态导通电阻的GaN基增强型功率电子器件，从而有效提高GaN基增强型器件的工艺重复性和成品率，推动GaN基功率电子器件的产业化进程。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种GaN基增强型电子器件的材料结构，以解决GaN基功率电子器件的增强型阈值一致性和重复性，提高GaN基功率电子器件的工艺成品率，促进GaN基功率电子器件的产业化。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种GaN基增强型电子器件的材料结构，该材料结构包括：衬底、薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构，薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构位于衬底之上，其中，材料结构还包括：钝化层，钝化层的制备材料是n-GaN、SiO₂或SiN_x，其位于薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构之上。

钝化层是具有极化特性的薄膜，或是能在Al(In，Ga)N表面产生n型掺杂效果的薄膜。

钝化层厚度介于1nm至200nm之间。

薄势垒Al(In，Ga)N/GaN异质结构包括GaN缓冲层、Al(In，Ga)N势垒层，GaN缓冲层位于衬底上，Al(In，Ga)N势垒层位于GaN缓冲层上。

Al(In，Ga)N势垒层厚度介于0nm至10nm之间。

Al(In，Ga)N势垒层可以是AlxGa_(1-x)N三元合金势垒层，其中Al组分介于0至100％之间；Al(In，Ga)N势垒层还可以是AlxIn_(1-x)N三元合金势垒层，其中Al组分介于75％至90％之间；Al(In，Ga)N势垒层还可以是AlxInyGa_(1-x-y)N四元合金势垒层，其中Al和In组分介于0至100％之间。