[发明专利]具有双工作模式的氮化镓集成场效应晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有双工作模式的氮化镓集成场效应晶体管及其制备方法。采用选区外延生长的方法，在AlGaN/GaN异质结侧壁生长p‑GaN形成p‑GaN/2DEG结。分别在p‑GaN和AlGaN/GaN异质结上制备p型和n型欧姆接触电极，在p‑GaN/2DEG结的AlGaN/GaN异质结一侧制备绝缘栅电极。本发明的GaN集成场效应晶体管同时具有增强型和耗尽型工作模式，同时采用基于AlGaN/GaN异质结的选区外延工艺避免制备互联金属，提高了集成器件的功能性，降低了集成器件的寄生效应，在高性能GaN功率器件和逻辑器件领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域中的场效应晶体管，特别涉及一种具有双工作模式的氮化镓集成场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

相比于传统半导体硅（Si）材料，氮化镓（GaN）材料具有更高的载流子迁移率、更高的击穿场强和更高的工作温度，加上AlGaN/GaN异质结界面可以产生高浓度、高迁移率的二维电子气（2DEG），GaN成为第三代半导体材料的代表。GaN基器件被认为是Si基器件的有力替代品。近年来，为了在系统层面提升器件性能，GaN基器件逐渐呈现从分立器件向集成器件发展的趋势。

GaN集成器件的制备方法主要有两大类：选区外延移除（SER）和选区生长（SAG）。Ren 等人报道了Si基MOSFET和GaN异质结场效应晶体管（HFET）的共源共栅集成器件，以及Si基pn结二极管和GaN HFET的集成器件。他们通过在Si晶圆上选区外延AlGaN/GaN异质结制备集成器件以实现高性能的功率转换。Chowdhury等人通过选区刻蚀方法实现了GaN的互补逻辑电路，基于Si衬底上杂化的GaN外延结构同时制备增强型的GaN p-FET和增强型GaNn-FET。虽然这些器件通过集成实现了增强的器件性能，但是分立器件仅仅是依靠互连金属实现的集成，这种方式限制了集成器件寄生参数的降低和器件尺寸的小型化。真正的没有互连金属的集成器件也曾被报道。Cai 等人报道了GaN HFET和GaN 发光二极管（LED）的横向集成器件。通过选区外延LED结构，n-GaN层与AlGaN/GaN异质结界面2DEG直接接触取代了互连金属。然而，这一工作中仅仅采用了耗尽型HFET，没有实现晶体管的常关型工作。Liu等人采用选区外延移除的方法制备GaN垂直MOSFET和续流肖特基二极管（SBD）的集成器件来提高功率转换效率。SBD的阳极与MOSFET的漏极共用，消除了集成器件中互连金属的存在。但是，该器件采用的是垂直结构GaN器件，没有利用到AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率的优势。

为了充分发挥GaN器件的优势，一种GaN集成器件需要满足以下特点：1.具有增强型工作模式，以实现高效率的反向或逻辑操作；2. 分立器件之间不存在互连金属，降低器件尺寸和寄生参数；3. 充分利用2DEG的高迁移率特点。然而，兼具以上特点的GaN器件需要开发特殊的器件工艺，目前还没有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双工作模式的氮化镓集成场效应晶体管及其制备方法，开发高性能的GaN集成器件。通过在AlGaN/GaN异质结侧壁选区生长p-GaN形成p-GaN/2DEG结，从而形成非对称的导电沟道结构，实现了GaN pn结二级管和HFET的集成器件。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种具有双工作模式的氮化镓集成场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用金属有机化学气相沉积MOCVD在Si（111）衬底上依次外延生长AlN非成核层，非掺杂的AlGaN缓冲层，碳掺杂的高阻GaN层，非掺杂的GaN沟道层和AlGaN势垒层，获得高性能AlGaN/GaN异质结外延片；

（2）在步骤（1） 获得的晶圆表面，采用等离子增强化学气相沉积PECVD生长SiO₂薄膜作为选区外延的掩模层；