[发明专利]一种高耐压高导通性能P型栅极常关型HEMT器件及其制备方法

说明书

本发明涉及半导体的技术领域，更具体地，涉及一种高耐压高导通性能P型栅极常关型HEMT器件及其制备方法。一种高耐压高导通性能P型栅极常关型HEMT器件，其中，由下往上依次包括衬底，应力缓冲层，GaN外延层，AlGaN外延层，两端形成源极和漏极，低温合成无刻蚀损伤的栅极区域P型氧化物材料层、与漏极相连的P型氧化物材料层以及栅漏之间的场限环。该氧化物可作为栅极耗尽沟道电子实现常关型工作、与漏极相连的部分可以在关态时降低反向漏电流并在高场下注入空穴提升导通电阻稳定性。栅极金属与漏极金属之间的P型氧化物可以形成场限环结构，有利于栅漏间电场的均衡分布，提升耐压能力。本发明工艺简单且与传统CMOS工艺兼容，能够有效提高器件耐压以及导通电阻稳定性。

技术领域

本发明涉及半导体的技术领域，更具体地，涉及一种高耐压高导通性能P型栅极常关型HEMT器件及其制备方法。具体涉及在栅极区域、漏极区域及栅漏电极间沉积可低温合成、无刻蚀损伤的P型氧化物材料。该氧化物可作为栅极耗尽沟道电子实现常关型工作、与漏极相连的部分可以在关态时降低反向漏电流并在高场下注入空穴提升导通电阻稳定性。栅极金属与漏极金属之间的P型氧化物可以形成场限环结构，有利于栅漏间电场的均衡分布，提升耐压能力。

背景技术

众所周知，电力电子系统一直助力于可持续发展和提高能量转换率。功率半导体器件作为电力电子系统中能量转换的关键部件之一，一直都是众多学者的研究重点。GaN作为第三代半导体材料的代表，具有较大的禁带宽度、较高的载流子迁移率、较高的击穿电压，一直以来被认为是高压、高功率、高频率应用的显著候选。目前业界最普遍采用的GaN常关型器件为结型栅结构（p型栅）HFET结构。P型(Al)GaN栅极的存在有效地抬升了栅极下方沟道导带能级，从而使得沟道二维电子气耗尽，实现常关。但是目前GaN基器件主要为异质外延横向器件，而在异质外延生长过程中应力释放产生大量位错缺陷，导致耐压能力不够及导通电阻不稳定性的难题，如何改善这一问题成为GaN基电力电子器件领域里研究最多的难点之一。

提升导通电阻稳定性可以从材料和器件两方面进行改善。材料生长方面主要对表面、界面及材料体内的缺陷进行调控。通过多年发展已经得到明显提升。在器件结构方面特别是针对p型栅极器件，有学者（T. Kenichiro, et al, IEEE InternationalReliability Physics Symposium (IRPS), pp.1938-1891(2017)）将漏极与P-GaN相连形成p-drain结构，可有效抑制电流崩塌，降低反向漏电从而提高导通电阻稳定性。由此可见，对于P型栅极器件，在漏极加入一个P型层材料可以有效提高器件导通电阻稳定性。

目前在提升耐压方面存在以下几种方案：1、引入场板结构或采用 MIS 结构；2、Si衬底转移或者剥离技术；3、对缓冲层材料进行补偿掺杂技术，提高缓冲层绝缘性能；4、改进缓冲层材料生长工艺， 增加缓冲层厚度；5、缓冲层背势垒结构设计。而针对p型栅极器件，有学者（O. Hiroshi, et al, Japanese Journal of Applied Physics, 2018,57(04):FG09）使用p型半导体材料在栅极和漏极之间形成场限环结构可以大大提升GaN垂直器件的击穿电压。

综上所述，利用p型材料实现GaN常关型HEMTs时，可同时引入p-漏极及场限环结构以提升器件性能。然而目前p-GaN的图形化基于刻蚀方法形成，刻蚀均匀性很难控制，且刻蚀会损伤AlGaN表面，导致器件接入区2DEG的电学性能下降。因此，本发明提出使用低温合成且不需要刻蚀的同时能实现以上功能的P型氧化物材料来代替传统的P型材料。通过使用本发明所描述的P型氧化物材料，可以简化实验的工艺，并且该材料也是和传统器件工艺兼容的。

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，目的主要在针对传统p型材料生长温度高、掺杂困难以及需要刻蚀等难点，提出一种工艺简单且能同时实现常关工作、高耐压及高导通电阻稳定性的制备方法。