[发明专利]一种场板下方具有蜂窝凹槽势垒层结构的常关型HEMT器件及其制备方法

说明书

一种场板下方具有蜂窝凹槽势垒层结构的常关型HEMT器件及其制备方法,属于半导体器件领域。技术方案：在半导体衬底上依次生长缓冲层、i‑GaN层、插入层、势垒层和栅介质层，所述势垒层局部区域刻蚀有若干蜂窝凹槽，所述i‑GaN层一侧刻蚀成阶梯层，在所述阶梯层上设置源电极，所述i‑GaN层另一侧设置漏电极，所述势垒层上方设置栅介质层，所述栅介质层一端与所述漏电极接触连接、另一端覆盖并生长到所述蜂窝凹槽中、并且延伸至所述源电极，所述栅介质层上方、在所述蜂窝凹槽对应区域设置栅电极，所述栅电极向所述源电极方向延伸。有益效果:本发明能够实现HEMT器件稳定的、大的阈值电压和低导通电阻的常关型操作，同时有效降低器件的关态漏电和提高器件的击穿电压。

技术领域

本发明属于半导体器件领域，尤其涉及一种场板下方具有蜂窝凹槽势垒层结构的常关型HEMT器件及其制备方法。

背景技术

随着近年来无线电通讯市场和传统军事应用领域的稳定发展，晶体管在很多方面都起着重要作用。同时随着半导体技术的快速发展，对晶体管的要求也越来越严格。第三代半导体材料由于具有高击穿电场、高饱和电子速率、高热导率、高电子密度和高迁移率等特点，所以其应用非常广泛。以氮化镓(GaN)为代表的III-V族异质结构(典型如AlGaN/GaN)由于极化效应而存在高浓度(10¹³cm^-2)、高迁移率(2000cm²/(V·s))的二维电子气(2DEG)，会在AlGaN/GaN异质结的界面下方形成导电通道。由于2DEG这种优异的性能使得具有AlGaN/GaN这种异质结的GaN基功率电子器件具有低导通电阻、大电流密度、小器件体积和良好的高温工作能力等优势，相比传统的Si基功率器件，利用此异质结制作的功率器件优势更大、性能更好，未来有望可以代替Si基功率器件。

近年，随着GaN材料在民用和军用方面的应用越来越广泛，多个研究团队开展了对GaN材料及其器件电路的各项研究。对于具有AlGaN/GaN异质结的GaN基功率电子器件的研究，目前常开型器件的研究较为成熟，已经可以基本满足控制电路的需求。但在高速开关、射频集成电路、数字电路领域往往需要常关型的HEMT器件。常关型是功率电子器件安全工作的重要保障，它可以使器件即使在高压工作失去栅控能力的状态下保持芯片系统安全。这就要求器件在具有低导通电阻的同时阈值电压要大于0V，同时器件的击穿电压要足够大。

GaN和SiC作为第三代半导体材料的代表具有禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和速率大等优势。其中GaN材料较为明显的优势在于它的异质结构(例如AlGaN/GaN)界面由于极化效应会产生高浓度、高迁移率的2DEG。目前，实现常关型HEMT器件的方法主要有三种，分别是栅槽结构、在栅下的势垒层注入具有很强电负性的离子以及栅下插入P-GaN层。栅槽结构是对势垒层进行刻蚀从而实现阈值电压为正的操作，势垒层刻蚀的深浅和制作器件的阈值电压的大小有一定的关系，如果势垒层的刻蚀较浅则阈值电压很难实现为正，如果势垒层刻蚀较深会实现阈值电压为正，但是同时也会对2DEG的沟道造成严重的损伤导致器件的沟道被破坏，使得器件导通电阻变大、输出电流变小，所以如何能够保证器件阈值电压为正的前提下还能使制作的器件具有较大的输出电流是这种方法所面临的一个问题。同时对于大面积器件而言，刻蚀的均匀性难以保证。势垒层注入氟离子的方法，由于氟离子的热稳定性问题，使得利用该种方法制作的器件在高温下使用时不稳定，器件的高温可靠性是一个严重的问题。同时对于大面积器件而言，离子注入的均匀性同样难以保证。栅下插入P-GaN层的方法，由于P型的高浓度掺杂较难实现，所以利用这种方法制作的器件很难达到较大的阈值电压。至于新型的纵向栅结构的器件，它可以避免上述中的离子注入问题，且不存在由于过宽栅极尺寸刻蚀造成严重的沟道损伤以及工艺均匀性引起的器件阈值电压不稳定和导通电阻过大等问题，同时由于栅区的2DEG沟道被完全刻断，器件能够达到较大的且稳定的阈值电压。此结构器件目前存在的主要问题是关态下器件的漏电相对较大，同时器件的击穿电压较低，因此需要设计有效的场板结构来减小栅极边缘的峰值电场，提高器件耐压能力。