[发明专利]增强型GaN基MIS-HEMT器件及其制备方法

说明书

本发明涉及一种增强型GaN基MIS‑HEMT器件及其制备方法，该MIS‑HEMT器件中，在薄AlGaN势垒层的基础上设置凹陷状的AlGaN势垒层提高通道迁移率和改善导通电阻，在此基础上，采用电子束蒸发法(EBE)生长掩模层结合SAG方法，与常规工艺中使用的PECVD掩模相比，采用EBE生长掩模完全消除了掩模工艺中的等离子体损伤，使得薄的AlGaN/GaN异质结保留了无损伤的晶格，同时AlGaN薄势垒与凹陷状AlGaN势垒层的Al组分不同，进一步提高了阈值电压和沟道电子迁移率。另外本发明器件中栅极介质层采用三种不同介电常数的氧化物材料堆叠而成，在增加介质层厚度保证一定的阈值电压的同时，也通过增加介电常数的方法增加栅极电容，从而使得跨导值不至于过低。

技术领域

本发明涉及微电子工艺领域，具体涉及一种增强型GaN基MIS-HEMT器件及其制备方法。

背景技术

GaN属于宽禁带半导体材料，由于其饱和电子漂移速度大、击穿电场强度、热导率高，还可与AlGaN形成异质结，并在该结构界面处形成高浓度、高迁移率的二维电子气。因此，利用GaN作为大功率、高频器件，可使得器件导通电阻小、开关速度快，在无线通信、雷达和航天等领域中得到了广泛的应用。

在大功率晶体管的应用领域中，GaN基HEMT器件有着很重要的地位。由于AlGaN/GaN异质结中较强极化电荷的存在，增强型器件的制作难度较大。目前使用凹槽栅法制作增强型HEMT器件居多，通过减薄或者完全去除栅区AlGaN层来降低该区二维电子气浓度，同时保留接入区的二维电子气。完全去除栅区AlGaN层可以增大器件的阈值电压，但同时也会导致器件的电子迁移率低、导通电阻大。尽管通过减薄可以缓解这一问题，然而由于薄层AlGaN的存在，栅区存在一定浓度的二维电子气造成阈值电压较小。通过使用干法、数字蚀刻混合工艺形成AlGaN/GaN的双沟道结构可以实现1400cm²/V·S的高通道迁移率。然而该方法需要非常严格的蚀刻条件以控制凹陷过程。通过PECVD生长的二氧化硅掩膜在有源区中引入了基于等离子体的损伤，从而导致迁移率较低。同时存在较低的沟道迁移率问题。

引入栅介质后，器件的栅电容变小，会导致栅控能力减弱，跨导降低。因此需要选择介电常数更大，介质厚度更小的材料作为栅介质，然而这样会导致器件阈值电压的降低，阈值电压会随着栅介质厚度的增大有所增大。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是提供一种增强型GaN基MIS-HEMT器件及其制备方法，基于该目的，本发明至少提供如下技术方案：

增强型GaN基MIS-HEMT器件，其包括，依次层叠于Si衬底上的GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN薄势垒层、凹陷状AlGaN势垒层，所述AlGaN薄势垒层的Al组分不同于所述凹陷状AlGaN势垒层；

第一介质层和第二介质层，依次层叠于所述凹陷状AlGaN势垒层的凹陷之间，所述第一介质层与所述AlGaN薄势垒层接触；

凹槽状第三介质层，层叠于所述凹陷状AlGaN势垒层和所述第二介质层表面；

源极和漏极，分别位于所述凹陷状AlGaN势垒层表面的凹槽状第三介质层的两端，与所述凹陷状AlGaN势垒层接触；

凹槽状栅极，位于所述第三介质层上；

所述GaN沟道层和所述AlGaN薄势垒层形成异质结，其界面上形成二维电子气。

进一步的，所述AlGaN薄势垒层中Al元素的摩尔含量为20％，其厚度为5～8nm。

进一步的，所述凹陷状AlGaN势垒层中Al元素的摩尔含量为30％，其厚度为20～50nm。

进一步的，所述第一介质层、所述第二介质层以及所述第三介质层的介电常数依次增大。