[发明专利]增强型高电子迁移率晶体管功率器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种增强型高电子迁移率晶体管功率器件及其制备方法，所述器件包括从下至上依次叠设的衬底、预铺层、成核层、渐变层、高阻层、沟道层、势垒层和P型层，势垒层上形成源极和漏极，P型层上形成栅极，分别在源极和P型层之间、漏极和P型层之间的势垒层上设置钝化层；P型层包括InGaN超晶格以及叠设在InGaN超晶格上的AlGaN超晶格。本发明能够兼顾到提升材料结晶质量、增加空穴注入效率，增强器件饱和电流、阈值电压和可靠性等多重工艺目的；有效提升受主掺杂的激活效率，增加P型层材料的空穴载流子浓度；相应地还可以减小受主掺杂浓度，降低空穴载流子受到的杂质散射机制。

技术领域

本发明涉及一种半导体功率器件及其制备方法，尤其涉及一种增强型高电子迁移率晶体管功率器件及其制备方法。

背景技术

氮化镓(GaN)材料具有宽禁带、高击穿场强和高电子饱和速度等优势，其异质结构的强极化效应可以形成高电子浓度、高迁移率的二维电子气(2DEG)，这使得GaN基材料非常适合于制备具有高功率密度、低导通电阻、高工作频率特性的高电子迁移率晶体管(HEMT)功率开关器件，在消费类快充、新能源汽车、数据中心等应用领域具有很好的应用前景。为了达到失效安全、系统稳定和降低电路复杂性的目的，研究人员致力于研发增强型(常关型)功率开关器件。目前实现增强型HEMT功率器件的主要技术路线有凹槽栅、薄势垒、氟离子注入、P型栅等，但均有各自的缺点。例如，凹槽栅工艺的刻蚀损伤会降低栅沟道电子迁移率，薄势垒器件的阈值电压较低并且2DEG不足会影响器件的饱和电流和开态电阻，氟离子处理技术存在高温可靠性问题。

相比于其他技术路线，P型栅结构具有驱动设计简单、高频性能突出、器件一致性好等特点，已经成为GaN基增强型功率器件的主流设计。传统P型栅技术采用的单层P型GaN(P-GaN)材料中Mg受主激活能较大且容易形成Mg-H络合物，导致器件空穴载流子浓度和阈值电压较低。通过增加Mg掺杂浓度提高空穴浓度的方式会导致P-GaN材料出现点缺陷、倒三角或梯形缺陷等晶体质量问题，同时，高浓度Mg还会向HEMT势垒层和沟道层扩散形成载流子陷阱和漏电通道，降低HEMT器件的可靠性。因此，利用单层P-GaN作为功率器件栅极结构材料存在的上述问题是制约HEMT器件工作性能的重要因素。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种增加空穴注入效率，增强器件饱和电流、阈值电压和可靠性的增强型高电子迁移率晶体管功率器件；本发明的另一目的是提供一种增强型高电子迁移率晶体管功率器件的制备方法。

技术方案：本发明的增强型高电子迁移率晶体管功率器件，器件包括从下至上依次叠设的衬底、预铺层、成核层、渐变层、高阻层、沟道层、势垒层和P型层，势垒层上形成源极和漏极，P型层上形成栅极，分别在源极和P型层之间、漏极和P型层之间的势垒层上设置钝化层；P型层包括InGaN超晶格以及叠设在InGaN超晶格上的AlGaN超晶格。

进一步地，InGaN超晶格包括周期交叠的InGaN势垒层和InGaN势阱层，其中，InGaN势垒层的In合金组分低于势阱层，势垒层及势阱层的厚度均大于等于0.1nm。

更进一步地，InGaN势垒层中：0≤In合金含量100％；InGaN势阱层中：0In合金含量≤100％。

进一步地，AlGaN超晶格包括周期交叠的AlGaN势垒层和AlGaN势阱层，其中，AlGaN势垒层的Al合金组分高于AlGaN势阱层，且AlGaN势阱层是受主掺杂层，势垒层及势阱层的厚度均大于等于0.1nm。

更进一步地，AlGaN势垒层中：0Al合金含量≤100％；AlGaN势阱层中：0≤Al合金含量100％。

进一步地，P型层的合金组分比Al/In＝4.7，使复合超晶格的晶格常数达到与GaN沟道层材料面内晶格常数的高度匹配。