[发明专利]一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构及其制备方法

权利要求书

1.一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其特征在于，由下往上依次包括衬底（1），应力缓冲层（2），GaN外延层（3），AlN外延层（4），AlGaN外延层（5），二次外延层（6），二次外延形成凹槽，栅介质层（7），两端形成源极（8）和漏极（9），凹槽沟道处的绝缘层（7）上覆盖有栅极（10）。

2.根据权利要求1所述的一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其特征在于：所述的凹槽呈U型或梯型结构。

3.根据权利要求1所述的一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其特征在于：所述的衬底（1）为 Si 衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN自支撑衬底中的任一种。

4.根据权利要求1所述的一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其特征在于：所述的应力缓冲层（2）为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为100 nm~20 μm。

5.根据权利要求1所述的一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其特征在于：所述的一次生长GaN外延层（3）为非故意掺杂的GaN外延层或掺杂的高阻GaN外延层，所述掺杂高阻层的掺杂元素为碳或铁；GaN外延层厚度为100 nm~20 μm。

6.根据权利要求1所述的一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其特征在于：所述的外延层（4）为高质量的AlN层；AlN层厚度为0-5 nm。

7.根据权利要求1所述的一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其特征在于：所述的外延层（5）为高质量的AlGaN层；AlGaN层厚度为1-10 nm，铝组分浓度可变化；

所述的二次外延层（6）为AlGaN/GaN异质结构，AlGaN层厚度为5-50 nm，且铝组分浓度可变化，GaN层厚度为0-500 nm。

8.根据权利要求7所述的一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其特征在于：所述的AlGaN势垒层材料还可以为AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合；

所述的二次外延层（6）中，AlGaN势垒层与GaN层之间还可以插入一AlN薄层，厚度为1-10 nm；

所述栅介质层（7）为Al₂O₃、Si₃N₄、MgO、SiO₂、HfO₂等绝缘介质层，厚度为1-100 nm；

源极（8）和漏极（9）材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金；栅极（10）材料为Ni/Au合金、Pt/Al合金、Pd/Au合金或TiN/Ti/Al/Ti/TiN合金。

9.权利要求1所述的高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在Si衬底（1）上生长应力缓冲层（2）；

S2、在应力缓冲层上生长GaN外延层（3）；

S3、在GaN外延层上生长AlN外延层（4）；

S4、在AlN外延层上生长AlGaN外延层（5）；

S5、在AlGaN外延层上沉积一层SiO₂，作为掩膜层（11）；

S6、通过腐蚀或者刻蚀的方法，保留形成栅极区域之上的掩膜层（11）；

S7、 通过刻蚀的方法，保留形成栅极区域之上的AlN层（4）AlGaN层（5）；

S8、选择区域生长二次外延层（6），形成凹槽型栅极区域；

S9、去除栅极区域之上的掩膜层（11）；

S10、干法刻蚀完成器件隔离；

S11、沉积栅介质层（7），同时刻蚀出源极和漏极欧姆接触区域；

S12、在源极和漏极区域蒸镀上源极（8）和漏极（9）欧姆接触金属；

S13、在凹槽处介质层上栅极区域蒸镀栅极（10）金属。

10.根据权利要求9所述的高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的应力缓冲层（2）和步骤S2中的GaN外延层（3）及步骤S8中的二次外延层（6）的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法等高质量成膜方法；所述的步骤S3中外延层AlN薄层（4）和步骤S4中外延层AlGaN薄层（5）的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法等高质量成膜方法；所述步骤S5中掩膜层（11）的生长方法为等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法或磁控溅射法；所述步骤S11的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法、和原子层沉积法、磁控溅射法等成膜方法。