[发明专利]一种利用新型势垒层提高GaN增强型沟道迁移率的器件结构及实现方法

说明书

本发明公开了一种利用新型势垒层提高GaN增强型沟道迁移率的器件结构及其制作方法，所述结构包括衬底、GaN或AlN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN层插入层、GaN插入层、AlN插入层、AlGaN插入层、掩膜介质层、绝缘栅介质层以及源漏欧姆接触和栅金属。在衬底上外延生长AlGaN/AlN/GaN/AlGaN/GaN异质结材料，并在该结构上形成源极和漏极。本发明在AlGaN势垒层中插入一组AlN/GaN，插入的GaN层作为热氧化、湿法腐蚀的停止层，在栅极下方保留了完整的AlGaN/GaN异质结构，避免了腐蚀和淀积介质层对沟道的损伤，降低了导通电阻，同时可以精确控制栅极下方势垒层的厚度，可以提高工艺的准确性、可控性、一致性，有利于产业化大规模制备。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及GaN电力电子器件制作

背景技术

近年来，氮化镓材料由于禁带宽度大、击穿电场强、饱和速度大而引起了广泛关注。AlGaN/GaN异质结强极化效应形成高浓度的二维电子气在高速、高功率及耐压电子器件领域扮演着重要的角色。GaN材料优越的性能使其在射频微波和电力电子领域有着广阔的应用前景。

GaN器件主要以GaN异质结HEMT为主，在常规的AlGaN/GaN异质结中，由于自发极化效应和压电极化效应，在异质结界面存在高浓度的二维电子气，即常规的AlGaN/GaN HEMT器件表现为耗尽型器件。但出于系统安全性和简洁性的考虑，在很多实际电路的应用中需要增强型器件。

目前比较常用来实现增强型GaN MOS的方法是栅移除技术和氟离子注入技术，栅移除技术又包括干法刻蚀和湿法腐蚀两种。其中干法刻蚀的栅移除方法和氟离子注入的方法，对GaN MOS沟道表面都有很大的损伤；而湿法腐蚀的栅移除技术虽然无等离子损伤，但由于一次性全部移除AlGaN势垒层，淀积栅介质层对沟道的损伤不可避免，得到的MOS沟道的迁移率远低于异质结界面的迁移率，因此制备出的增强型器件的导通电阻大、输出电流密度较低。

为了提高GaN增强型沟道电子迁移率，需要改善表面形貌，减少界面散射。目前解决这一问题有如下改善方案：1.调节工艺参数使得对沟道的损伤尽可能小；2.从能带工程的角度利用背势垒结构使得沟道电子远离介质层和GaN界面，从而减小界面对沟道电子的散射，提高增强型沟道电子迁移率，进而提升器件的饱和电流，获得高性能、高稳定的GaN增强型器件。

发明内容

本发明为了更好地解决GaN增强型沟道迁移率低这一问题，利用湿法腐蚀自停止的特点，在AlGaN势垒层中插入一组AlN/GaN，插入的GaN层作为热氧化、湿法腐蚀的停止层，在栅极下方保留了完整的AlGaN/GaN异质结构，降低了导通电阻，同时可以精确控制栅极下方势垒层的厚度，获得性能优越、稳定性高的GaN增强型器件。

本发明的技术思路如下：基于栅移除技术的传统AlGaN/GaN增强型器件结构中，栅介质层与GaN层直接接触形成MOS沟道。一方面，绝缘栅介质层和GaN沟道层的距离很近，导致沟道电子受到来自界面的强散射作用，迁移率降低；另一方面，介质层直接淀积在GaN沟道上，对GaN沟道的损伤不可避免。在传统的增强型AlGaN/GaN器件结构的基础上中，在AlGaN势垒层中插入一组AlN/GaN，使用高温热氧化方法，使得氧化自动停止在插入的GaN层，消除了工艺过程中对沟道的损伤，保留了完整的AlGaN/GaN异质结，栅介质层与GaN沟道实现分离，有效抑制了界面的强散射作用，提高了增强型沟道电子的迁移率。