[发明专利]增强型复合栅晶体管及其制作方法

说明书

本发明公开了两种增强型复合栅晶体管及其制作方法，主要解决现有功率开关器件存在的阈值电压低的问题，其包括：衬底(1)、过渡层(2)、势垒层(3)、栅柱(6)、源极(7)、漏极(8)、台面(9)、栅极(10)和保护层(16)。其中栅柱具有两种结构，第一种结构中的栅柱由P型层(4)和N型层(5)组成，其N型层包括N^‑型层(51)和N⁺型层(52)；第二种结构中的栅柱由P型层(4)和N型排柱(5)组成，其N型排柱包括N^‑柱(51)和N⁺柱(52)。本发明阈值电压高，可靠性好，且制作工艺简单，可作为开关器件。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种复合栅晶体管，可用于作为电力电子系统的基本器件。

技术背景

电力电子系统广泛应用于航空航天、工业设备、电动汽车、家用电器等众多领域，功率开关器件作为电力电子系统的重要元件，是实现能量转换与控制的重要工具。因此，功率开关器件的性能和可靠性对整个电力电子系统的各项技术指标和性能有着决定性影响。当前，Si基功率开关器件性能已经趋近其理论极限，不能满足下一代电力电子系统高温、高压、高频、高效和高功率密度的要求。而以GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、临界击穿电场大、化学性质稳定的特点，在制备具有更低导通电阻、更快开关速度、更高击穿电压的功率开关器件方面，已展现出独特的优势。特别是基于GaN基异质结结构的高电子迁移率器件晶体管，即GaN基高电子迁移率晶体管HEMT功率开关器件，以其优异的功率特性，在国民经济与军事领域具有广阔和特殊的应用前景。

传统GaN基HEMT功率开关器件是基于GaN基异质结结构，其包括：衬底1、过渡层2、势垒层3、P型层4、栅柱5、源极6、漏极7、栅极8、台面9和保护层10；势垒层3上面的左侧淀积有源极6，势垒层3上面右侧淀积有漏极7，源极6和漏极7之间的势垒层3上面外延有P型层4，P型层4上淀积有栅极8，保护层10完全覆盖势垒层3、P型层4、源极6、漏极7和栅极8以上的区域，如图1所示。

然而，在传统GaN基HEMT功率开关器件中，P型层中P型杂质镁的激活率很低，难以实现高掺杂的P型层，导致器件阈值电压往往低于2V。且研究表明，过高掺杂浓度的P型层又会导致器件阈值电压的降低，参见On the physical operation and optimization ofthe p-GaN gate in normally-off GaN HEMT devices,Applied Physics Letters,Vol.110,No.12,pp.1-5,2017。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种增强型复合栅晶体管及其制作方法，以显著提高器件的阈值电压，减小器件制造难度，增强器件的可靠性。

为实现上述目的，本发明提出了如下两种技术方案：

技术方案一：

1.一种增强型复合栅晶体管，自下而上包括：衬底1、过渡层2、势垒层3、保护层11；势垒层3的侧面刻有台面9，势垒层3上部的设有栅柱6；栅柱6的左右侧分别淀积有源极7和漏极8，其上部淀积有栅极10，其特征在于：

所述栅柱6由P型层4和N型层5组成，且外围设有保护层11；

所述N型层5由下部的N^-型层51和上部的N⁺型层52组成；

所述N^-型层51与P型层4形成PN结。

进一步，所述P型层4的厚度为5～300nm、掺杂浓度为5×10¹⁶～5×10²⁰cm^-3。