[发明专利]栅极结构、栅极结构的制造方法和增强型半导体器件

说明书

一种栅极结构、栅极结构的制造方法和增强型半导体器件，涉及半导体技术领域，该栅极结构包括：沟道层、设置在所述沟道层上的势垒层、设置在所述势垒层上的帽层以及设置在所述帽层上的栅电极层，其中，所述帽层具有与所述势垒层相反的晶体极化取向。利用与势垒层极性取向相反的帽层材料，使得势垒层和帽层的界面存在极强的负极化电荷，从而使得导带能级向上弯曲，将势垒层以及沟道层的导带能级抬高至高于费米能级，能够有效地耗尽势垒层与沟道层界面的二维电子气/二维空穴气，从而能够提高开启电压，同时，利用不同晶体极化取向的化学性质不同，可实现栅极图案的自终止湿法刻蚀，从而能够提高器件制作的均匀性和重复性。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种栅极结构、栅极结构的制造方法和增强型半导体器件。

背景技术

由于氮化镓(GaN)材料具有大的禁带宽度，基于GaN材料的功率半导体器件，相比于传统硅(Si)基功率器件，可具有更高的击穿电压和更高的功率密度；而利用GaN材料中固有的极化特性，可形成高浓度、高电子迁移率的二维电子气沟道，因而可比传统硅基功率器件有更高的开关频率。基于GaN的高耐压和高频特性制作的平面型结构的AlGaN/GaN高迁率晶体管(HEMT)，在高压、高频领域存在广泛的应用需求。

在现有技术中，增强型GaN HEMT器件结构采用制作在AlGaN/GaN异质结上的p型栅极(p-GaN或者p-AlGaN)耗尽AlGaN/GaN界面的二维电子气，实现器件在常态下的关断。器件的开启电压取决于p型栅极中的空穴浓度，较高的开启电压需要较高的空穴浓度，但由于通常采用镁(Mg)的掺杂实现p-GaN或p-AlGaN，而Mg的掺杂浓度和激活率有限，导致空穴浓度的不足，进而导致器件的开启电压通常不高(小于3V)。

器件制作上，p-型栅的图案化通常采用离子刻蚀的方法形成，然而由于p-GaN或p-AlGaN层与栅极下的AlGaN层缺乏有效的选择性刻蚀工艺，很难精确控制刻蚀的厚度和均匀性，导致整个晶圆上器件的开启电压和导通电阻的不均匀，而且制造工艺重复性也较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种栅极结构，其能够提高开启电压，提高增强型GaNHEMT器件的适用性。

本发明的另一目的在于提供一种栅极结构的制造方法，其能够提高器件的阈值电压，并且保证导通电阻的均匀性和工艺的重复性，提高增强型GaN HEMT器件的可制造性。

本发明的另一目的在于提供一种增强型半导体器件，其阈值电压高，适用性强。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供一种栅极结构，包括：沟道层、设置在所述沟道层上的势垒层、设置在所述势垒层上的帽层以及设置在所述帽层上的栅电极层，其中，所述帽层具有与所述势垒层相反的晶体极化取向。

在可选的实施方式中，所述沟道层、所述势垒层以及所述帽层均包含III族氮化物材料，且所述沟道层、所述势垒层以及所述帽层的材料不同。

在可选的实施方式中，所述帽层包括设置在所述势垒层上表面的极性反向过渡层和设置在所述极性反向过渡层上的电极接触层，所述栅电极层设置在所述电极接触层上。

在可选的实施方式中，所述极性反向过渡层包含掺杂的III族氮化物材料或金属原子。

在可选的实施方式中，所述极性反向过渡层包含掺杂的III族氮化物材料、金属原子或非金属原子。

在可选的实施方式中，所述电极接触层包含p型掺杂的III族氮化物材料。

在可选的实施方式中，所述势垒层具有与所述沟道层相同的晶体极化取向。

在可选的实施方式中，所述帽层包含[000-1]取向的III族氮化物材料，所述沟道层和所述势垒层包含[0001]取向的III族氮化物材料。