[发明专利]一种高阈值电压和高漏极工作电流的常闭型异质结场效应晶体管及制备方法

说明书

本发明公开了一种高阈值电压和高漏极工作电流的常闭型异质结场效应晶体管结构及制备方法，自下至上依次为衬底、AlN成核层、AlGaN缓冲层、具有NPN双极型晶体管结构的GaN沟道层、AlGaN势垒层；所述AlGaN势垒层两端设有钝化层，所述AlGaN势垒层上设有GaN帽层；所述GaN帽层上方引出有肖特基接触的栅极，所述栅极GaN沟道层两端上方引出有肖特基接触的源极和漏极。与传统器件相比，本发明创造性地在栅极位置下方的GaN沟道层中引入了一个NPN双极型晶体管结构，能够同时提高器件的阈值电压和漏极工作电流。

技术领域

本发明涉及第三代宽禁带半导体功率器件领域，特别涉及一种高阈值电压和高漏极工作电流的常闭型异质结场效应晶体管及制备方法。

背景技术

随着信息时代的发展，半导体领域也在飞速发展。与第一代半导体材料(硅、锗)、第二代半导体材料(砷化镓、磷化铟等)相比，第三代半导体材料氮化镓(GaN)因其宽带隙、高电荷密度、耐高压、高电子迁移率等优良特性成为了极端环境中大功率器件的首选材料。研究发现，铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)异质结界面能够形成高电子浓度和高迁移率的二维电子气，表现出了良好的高频特性和大功率特性，基于此结构的异质结场效应晶体管与硅异质结HFET相比具有更优越的性能。因此由GaN基形成的AlGaN/GaN HFET拥有更强大的应用潜力和更好的市场前景。

AlGaN/GaN HFET一般为常开型器件，这种器件在无外加任何偏压时处于导通状态，需要在栅极外加一正向或负向偏压使器件内部的导电沟道耗尽，从而形成关闭状态，一般应用于低电压和高频器件中。然而，为了将其应用于功率器件的开关，需要将器件改进成常闭型器件以确保一个安全的操作机制和简单的栅极驱动配置。这种器件在无外加任何偏压时处于关闭状态，需要在栅极外加一正向或负向偏压使器件内部形成导电沟道而导通器件。基于上述功能的功率器件开关不仅需要较大幅度地提高阈值电压，还需要不影响器件的漏极工作电流。近年来，人们对制作常闭型AlGaN/GaN HFET进行了广泛的研究，提出了非常多的制作方案。为了在获得常闭型HFET器件的同时拥有较大的开启电压，需要只耗尽栅极区域下方的二维电子气，如通过局部等离子体刻蚀掉栅极区域的AlGaN来减少栅极区域的二维电子气、在栅极下方注入氟离子促进二维电子气耗尽等方法获得常闭型p-GaN/AlGaN/GaN HFET。而唯一用于商业制造的方法是在AlGaN表面的栅极区域上生长一层p-GaN帽层用于耗尽栅极区域下方GaN沟道表面的二维电子气。这一方法的提出大力推动了常闭型p-GaN/AlGaN/GaN HFET的发展。

理论上，p-GaN帽层的厚度增加，能够耗尽的二维电子气浓度越高，但是由于栅极外加电压需要对沟道中的二维电子气进行调控，在AlGaN表面栅极区域上生长的p-GaN帽层不能过厚，否则栅极的外加电压就很难调控到异质结界面的二维电子气，难以获得足够好的漏极工作电流。因此，这种处理方法得到常闭型HFET器件提升比较有限。

为了在提高常闭型HFET器件的阈值电压的同时能够提升器件的漏极工作电流，本发明创造性地在栅极GaN沟道层中引入了一个NPN双极型晶体管结构，该结构由栅极GaN沟道层、P+沟道区和N+沟道区共同组成。P+沟道区与上方GaN沟道层形成一个PN结，且P+沟道区中空穴浓度远大于GaN沟道层电子浓度，能够进一步耗尽栅极下方的二维电子气。而当外加足够大的栅极电压时，双极型晶体管结构中发射结处于正偏状态，集电结处于反偏状态，双极型晶体管处于正向放大区。此时N+沟道区将为GaN沟道区输入大量电子，并且输入的电子浓度远大于被耗尽的二维电子气浓度，从而提高器件的漏极工作电流。特别地，当P+沟道区中掺杂浓度增加、厚度增大时，器件的阈值电压将会得到提升；当N+沟道区掺杂浓度增加、厚度增大时，器件的漏极工作电流将会得到提升。通过在适当的范围内调整P+沟道区和N+沟道区中的掺杂浓度和厚度，能够获得不同功能需求的常闭型HFET器件。因此，此发明为提高常闭型HFET器件的阈值电压和漏极工作电流提供了一个可行的探索思路。

发明内容