[发明专利]一种高性能常关型的GaN场效应晶体管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件制备的技术领域，更具体地，涉及一种高性能常关型的GaN场效应晶体管及其制备方法。具体涉及选择区域外延制备凹槽栅常关型GaN场效应晶体管的接入区二次生长界面的改进方法。

背景技术

作为第三代半导体材料的代表，GaN具有禁带宽度大、临界击穿电场强度大、功率密度大和载流子饱和速度高等特点。GaN功率开关器件可以在保持金属半导体场效应管的低噪声性能和高额定功率的同时大幅度提高其上限工作频率，并且有着更高的工作电压、更高的功率密度和耐高温等优点，这使得GaN基器件在一些功率器件和高频电路中逐步取代原有的Si基、GaAs基器件。

传统的凹槽栅常关型GaN功率器件中凹槽的制备方法是一次外延生长AlGaN/GaN异质结构，然后在保持接入区二维电子气浓度不变的情况下降低栅极下区域二维电子气的浓度，一般有以下方法：等离子刻蚀凹槽结构、F等离子体注入、添加P型盖帽层等。然而这些方法都不可避免地使用了等离子体处理技术。等离子体刻蚀凹槽或注入处理对栅极下区域造成的晶格损伤，会增加器件的漏电流，降低栅控制能力；而P型盖帽层方案则会对接入区造成晶格损伤，影响二维电子气沟道的稳定性和器件的可靠性。与上述方法相比，选择区域生长(SAG)方法可以避免等离子体处理对器件有源层带来的损伤，提高栅极区域的界面质量，提高器件的稳定性和可靠性。但是在选择区域外延GaN槽栅结构场效应晶体管中，器件接入区AlGaN/GaN异质结结构通过二次外延形成，二次外延AlGaN/GaN异质结结构的质量直接决定了器件的性能。在二次生长AlGaN/GaN外延层之前，需要对覆盖有SiO₂掩膜层的外延片进行深度清洗，这使得有GaN沟道层的衬底暴露在空气中，其表面存在空气氧化及C、Si杂质的玷污。同时，在使用金属有机化合物化学气相沉淀方法二次生长AlGaN/GaN外延层时，需要对Si衬底进行高温处理从而实现对Si衬底的清洁，但是在升温过程中仅使用H₂作为载气，此升温条件会破坏GaN材料表面，因为GaN在H₂环境下容易分解，其反应方程式为：

GaN与H₂在高温情况下反应会产生Ga液滴和氨气。Ga液滴会导致二次外延生长界面的不平整从而劣化二次外延AlGaN/GaN异质结结构质量。更为严重的是，选择区域外延掩膜图形的制备需要在有GaN沟道层的衬底表面利用等离子增强化学气相沉积方法生长SiO₂掩膜层，然后通过干/湿法腐蚀的方法去除接入区覆盖的SiO₂掩膜，该工艺存在Si残留的风险。过多杂质的引入会劣化二次外延异质结构的质量，降低接入区导电沟道的二维电子气浓度，不利于器件导通性能的提升。因此有必要寻求一种常关型GaN场效应晶体管接入区界面质量优化方法，以克服由选择区域生长方法引起的对器件接入区引入缺陷杂质的缺点，从而获得高性能的常关型GaN场效应晶体管。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种高性能常关型的GaN场效应晶体管及其制备方法，通过原位刻蚀接入区的GaN沟道层，在生长二次外延层前，减少掩膜制备过程中在接入区界面引入的Si、C/O等杂质，并去除接入区的掩膜残留及表面玷污，提高器件的接入区二次生长界面质量，保持接入区沟道二维电子气浓度基本不变，从而制备一种高性能的常关型GaN场效应晶体管。

本发明的技术方案是：一种高性能常关型的GaN场效应晶体管，其中，包括由下往上依次包括衬底，应力缓冲层，GaN沟道层，原位刻蚀接入区的GaN沟道层后生长二次外延层，去除栅极掩膜形成凹槽栅结构并在表面沉积一层栅介质层，器件两端去除栅介质层并形成源极和漏极，凹槽栅极区域的栅介质层上覆盖有栅极。

进一步的，所述的衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氮化镓自支撑衬底中的任一种。

所述的应力缓冲层为AlGaN、GaN、AlN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为100nm～10μm。

所述的GaN沟道层为非故意掺杂的GaN沟道层或掺杂的高阻GaN沟道层，所述掺杂高阻层的掺杂元素为碳或铁；在凹槽区域下的GaN沟道层厚度为100nm～20μm，相比较下接入区下的GaN沟道层厚度减少10～50nm。

所述的二次外延层为AlGaN/GaN异质结，AlGaN层厚度为10～50nm，其中铝组分的浓度可变化，GaN层厚度为10～500nm。