[发明专利]一种堆叠栅极结构的GaN基常关型HEMT器件

说明书

本发明公开了一种堆叠栅极结构的GaN基常关型HEMT器件。本发明的堆叠栅极结构包括含铟的三族氮化物半导体薄膜和p型掺杂的三族氮化物半导体薄膜，含铟的三族氮化物半导体薄膜可阻挡p型掺杂三族氮化物半导体中的Mg扩散到势垒层中，也可通过本身材料中的极化电荷消弱沟道层中的二维电子气，提高常关型HEMT器件的阈值电压。

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，具体涉及一种堆叠栅极结构的GaN基常关型HEMT器件。

背景技术

基于GaN材料的高电子迁移率晶体管(HEMT)具有高速、高击穿电压等优点，有望取代传统硅基功率半导体器件，广泛用于无线充电、电动汽车、逆变器等领域。典型的GaN基HEMT器件具有AlGaN/GaN的异质结结构，通过控制栅极偏压以控制AlGaN和GaN界面处的二维电子气浓度，实现器件的开启和关断。

传统AlGaN/GaN异质结结构的HEMT器件应用于功率开关的关键的问题在于其常开的特性，即在栅极未加任何偏置电压时器件为导通状态，只有当栅极施加负的偏压时才能将器件关断，这意味着在栅极发生断电的情况下，器件将失去控制，造成漏电或短路，这在实际应用中将导致严重的安全问题。这种在栅极偏压为零时为导通状态的器件被称之为常开型器件或者耗尽型器件，反之，只有当栅极施加偏压才能导通的器件被称这为常关型器件或者增强型器件。实现器件的常关态是GaN基HEMT功率器件研究的核心问题之一。

目前业界主流的GaN基常关型HEMT器件以p型栅结构为主，但p型栅结构的常关型器件仍然存在一些问题，比如p型栅极的Mg容易扩散到AlGaN势垒层，影响器件的导通特性；另一方面，p型栅结构还存在阈值电压低、栅漏电和可靠性的问题，通常阈值电压只有1-2V，栅压摆幅小于7V。

发明内容

为了解决p型栅结构的常关型HEMT器件存在的镁扩散、栅漏电和阈值电压低的问题，本发明提出一种堆叠栅极结构，该堆叠栅极结构可以在阻挡镁扩散的同时提高器件的阈值电压。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种适用于常关型HEMT器件堆叠栅极结构，由下到上依次层叠有隔离层、p型掺杂层和栅电极，其中，所述隔离层为含铟的三族氮化物半导体薄膜，所述p型掺杂层为p型掺杂的三族氮化物半导体薄膜。

进一步地，所述隔离层的材料为InGaN；所述p型掺杂层的材料为p-GaN。

本发明还提供了一种堆叠栅极结构的GaN基常关型HEMT器件，包括源电极、漏电极、上述的堆叠栅极结构以及由下到上依次层叠的衬底层、缓冲层、沟道层和势垒层，所述势垒层的上表面的两端连接源电极和漏电极，源电极和漏电极与势垒层分别形成欧姆接触，所述堆叠栅极结构位于源电极和漏电极之间，且堆叠栅极结构的隔离层与势垒层的上表面连接。

进一步地，所述势垒层为三族氮化物半导体薄膜，所述势垒层的材料具体为AlGaN或InAlN；所述沟道层为三族氮化物半导体薄膜，所述沟道层的材料为GaN；势垒层与沟道层在两者界面处共同形成二维电子气。

进一步地，所述缓冲层为三族氮化物半导体薄膜，所述缓冲层的材料为AlN、AlGaN或GaN。

进一步地，所述衬底层的材料为蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓或金刚石。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的堆叠栅极结构包括含铟的三族氮化物半导体薄膜和p型掺杂的三族氮化物半导体薄膜，含铟的三族氮化物半导体薄膜可阻挡p型掺杂三族氮化物半导体薄膜中的Mg扩散到势垒层中，也可通过其本身材料中的极化电荷消弱沟道层中的二维电子气，提高HEMT器件的阈值电压。

附图说明

图1为本发明的堆叠栅极结构的GaN基常关型HEMT器件的结构示意图；