[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

说明书

技术领域

本发明涉及半导体的技术领域，更具体地，涉及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。

背景技术

GaN材料作为第三代宽禁带半导体材料的代表，具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度大和热导率高等优越的性能。GaN基功率开关器件通常利用AlGaN/GaN异质结构界面处高浓度、高迁移率的二维电子气工作，使器件具有导通电阻小、开关速度快的优点，十分适合制作大功率、高频、高温电力电子器件。

在电力电子应用领域，为了保证电路系统的失效安全，FET器件必须实现常关型工作。而对于常规的AlGaN/GaN HFET，由于AlGaN/GaN异质结界面高浓度、高迁移率的2DEG的存在，即使在外加栅压为零的情况下， 其器件也处于开启状态，因此，常规的AlGaN/GaN HFET属于常开型器件。如何实现常关型HFET一直是GaN基电力电子器件领域里研究最多的一个难点。

目前实现常关型器件的方法之一是凹槽栅法。该方法通过减薄或者完全去除栅区AlGaN层来降低栅区二维电子气浓度，同时保留接入区的二维电子气，来实现常关型器件。完全去除栅区AlGaN层可以增大器件的阈值电压，但同时也带来栅区迁移率低、导通电阻大、界面态密度高等问题。减薄栅区AlGaN层可以缓解这一问题，然而由于薄层AlGaN的存在，栅区存在一定浓度的二维电子气，使得器件阈值电压较小。此外，传统的薄势垒层器件采用刻蚀等方法移除栅区AlGaN层，该方法不能实现薄势垒层厚度的精确可控，而且不可避免地会在栅区引入晶格损伤。为了解决这一问题，我们采用选择区域生长的方法制备凹槽栅结构的器件，可实现栅区无损伤、薄势垒层精确可控等特点。总体而言，对凹槽栅法进行优化，实现高阈值电压同时导通性能好的常关型开关器件是GaN电力电子器件面临的一个重要挑战。

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，提供一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构及其制备方法，可提高阈值电压的同时能保证器件的导通性能。

本发明在一次外延高质量的AlGaN/AlN/GaN基板上，再选区二次外延形成凹槽栅极结构，制备槽栅型MOSFET器件。一次外延顶层AlGaN层和二次外延AlGaN势垒层的Al组分和厚度可通过生长参数精确控制。该发明可实现低Al组分、较厚厚度特质的一次外延AlGaN层，以及二次外延高Al组分的势垒层。具体表现在形成的凹栅型结构器件中，栅区保留一层无损伤的、低Al组分、较大厚度的AlGaN层，而接入区为高Al组分势垒层的异质结构。相比于全凹槽栅结构MOSFET器件和传统的薄势垒器件，本发明结构的器件可有效降低栅区二维电子气浓度、抑制界面散射，从而增大器件阈值电压、提高栅区载流子迁移率（降低开启电阻），并改善栅区界面特性，提高器件稳定性。

本发明的技术方案是：一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其中，由下往上依次包括衬底，应力缓冲层，GaN外延层，AlN外延层，AlGaN外延层，二次外延层，二次外延形成凹槽，栅介质层，两端形成源极和漏极，凹槽沟道处的绝缘层上覆盖有栅极。

进一步的，所述的凹槽呈U型或梯型结构。

所述的衬底为 Si 衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN自支撑衬底中的任一种。

所述的应力缓冲层为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为100 nm~20 μm。

所述的一次生长GaN外延层为非故意掺杂的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。

所述的外延层为高质量的AlN层；AlN层厚度为0-5 nm。

所述的外延层为高质量的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。

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；