本发明专利技术涉及半导体器件领域，提供一种具有纵向栅极结构的常关型HEMT器件及其制备方法，所述HEMT器件包括：层叠设置的衬底、缓冲层、i-GaN层、栅介质层和钝化层，i-GaN层一端、且背离缓冲层的一侧为阶梯形；包覆在阶梯形下层和栅介质层之间的源电极；包覆在阶梯形上层和栅介质层之间的势垒层和漏电极；包覆在栅介质层和钝化层之间的栅电极，栅电极的截面呈“Z”字形，栅电极的上平面位于阶梯形上层的上方，下平面位于阶梯形下层的上方；依次穿过钝化层和栅介质层且与源电极接触的源电极焊盘；依次穿过钝化层和栅介质层且与漏电极接触的漏电极焊盘。本发明专利技术能减小栅极开启沟道的长度，降低器件的栅极导通电阻,实现常关型操作。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体器件领域，尤其涉及一种具有纵向栅极结构的常关型HEMT器件及其制备方法。
技术介绍
功率开关器件是电力电子技术的核心元件，目前已经被广泛应用在工业生产和社会生活的许多领域。随着全球环境和能源问题的日益突出，研究下一代高性能低损耗的功率开关器件是提高电能利用率、缓解全球能源危机的有效途径之一。下一代功率开关器件要求器件具有高的性能指标稳定性、低的栅极导通电阻、高的开关速率，并且从安全节能和简化电路设计方面考虑要求具备常关型(增强型)操作特点。下一代技术成熟的常关型功率开关器件将被广泛应用在电动汽车电机驱动、太阳能和风力发电的逆变器系统、轨道交通的功率变换等民用领域以及雷达发射接收装置和军舰上的大功率电力输运和变换装置等军用领域。在功率开关领域，传统的硅(Si)基功率器件性能已经接近材料的理论极限。以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的下一代宽禁带半导体材料具有大的带隙、高的临界击穿电场、高的饱和电子漂移速率和好的化学稳定性等特点，特别适合制作高性能的新型功率开关器件。其中，GaN材料具有突出的特点，它的异质结构(典型如AlGaN/GaN)界面存在大密度的界面极化电荷，可以诱导出高密度的二维电子气(2DEG) (> 113Cnf2) ο由于沟道材料无故意掺杂，电子在沟道内能够保持很高的迀移率(> 100cnAr1s-1)。因此，GaN材料适合制作高电子迀移率晶体管(HEMT)，它的导通电阻只有SiC器件的1/2?1/3，比Si器件低三个数量级以上，因此具有更低的开关损耗和更优的频率特性。GaN为代表的II1-V族材料异质结构(典型如AlGaN/GaN)界面由于存在高密度带正电的极化电荷，通过极化电场可以诱导材料中的电子并使之束缚在异质结构界面处，形成在二维平面运动的2DEG导电沟道。为了实现GaN材料HEMT器件的常关型操作，目前常规的方法都是基于削弱或者抵消异质结构界面处极化电荷所形成强电场的原理，主要有栅极势皇层刻蚀形成凹槽栅、氟离子注入势皇层形成氟化栅以及栅极生长P型盖帽层三种方案。图1a为直接凹栅结构常关型GaN基HEMT器件截面示意图，图中包括衬底1、缓冲层2、1-GaN层3、势皇层4、源电极5、漏电极6、栅介质层7、栅电极8。在此例中，AlGaN作为势皇层，AlGaN/GaN界面由于大量的带正电极化电荷而诱导高密度2DEG出现在该界面。2DEG沟道由于上面势皇层被直接刻蚀而切断，不平整的GaN刻蚀表面将作为器件开启的导电沟道。凹槽栅方案通过切断2DEG沟道而达到常关型操作，方法直接简单，但是对于大面积器件栅极刻蚀深度均匀性难以保证，另外具有刻蚀损伤表面的区域尺寸较大(2?3μπι)，器件的导通电阻一般较大。图1b为氟离子注入势皇层形成氟化栅结构常关型GaN基HEMT器件截面示意图，图中包括衬底1、缓冲层2、i_GaN层3、势皇层4、源电极5、漏电极6、栅介质层7、栅电极8。栅极区域AlGaN势皇层通过氟离子注入而带负电从而排斥AlGaN/GaN界面处的2DEG，因此该方案可以使器件实现常关型操作。引入氟离子杂质的AlGaN/GaN界面沟道将作为器件开启的导电沟道。氟离子注入势皇层方案不破坏2DEG沟道界面，但是由于氟离子的热稳定性问题，器件在使用过程的可靠性是潜在隐患，另外对于大面积器件，其阈值电压均匀性不好。图1c为栅极势皇层上方生长P型GaN(或者InGaN)盖帽层常关型器件截面示意图，图中包括衬底1、缓冲层2、1-GaN层3、势皇层4、源电极5、漏电极6、栅介质层7、栅电极8和ρ-GaN层12。栅极P型盖帽层方案利用内建电场来耗尽2DEG沟道电子，器件沟道导电性能较好，但高浓度P型掺杂较难控制，外延片各个位置的浓度均匀性不完全一致，因此器件阈值电压较小且均匀性同样不好。另外由于栅电极距离2DEG沟道过远，器件的开关速率受到影响。以上三种设计方案的栅极结构通过常规光学光刻来实现，栅极长度较大，一般在2?3μπι范围，其典型特征是栅极横向电流沟道开关控制。
技术实现思路
本专利技术主要解决现有常关型HEMT器件不能同时兼具均匀而稳定的大阈值电压、低的器件导通电阻和高开关速率的技术问题，针对GaN基II1-V族材料功率器件中的常关型类另IJ，提出一种具有纵向栅极结构的常关型HEMT器件及其制备方法，以实现HEMT器件稳定大阈值电压常关型操作的同时有效降低器件的开启导通电阻。本专利技术提供了一种具有纵向栅极结构的常关型HEMT器件，包括:层叠设置的衬底(1)、缓冲层(2)、i_GaN层(3)、栅介质层(7)和钝化层(9)，其中，所述1-GaN层(3)—端、且背离缓冲层(2)的一侧为阶梯形；包覆在阶梯形下层和栅介质层(7)之间的源电极(5);包覆在阶梯形上层和栅介质层(7)之间的势皇层(4)和漏电极(6)，所述漏电极(6)与势皇层(4)接触，其中，所述漏电极(6)远离阶梯形；包覆在栅介质层(7)和钝化层(9)之间的栅电极(8)，所述栅电极(8)的截面呈“Z”字形，所述栅电极(8)的上平面位于阶梯形上层的上方，下平面位于阶梯形下层的上方；依次穿过钝化层(9)和栅介质层(7)、且与源电极(5)接触的源电极焊盘(10);依次穿过钝化层(9)和栅介质层(7)、且与漏电极(6)接触的漏电极焊盘(11)。进一步的，所述阶梯形的高度为300-600nm。进一步的，所述阶梯形上层与源电极(5)顶面的距离为200-500nm。进一步的，所述栅介质层(7)的厚度为10-50nm。进一步的，所述栅电极(8)上平面的宽度为0.5-1.5μπι。对应地，本专利技术还提供了一种具有纵向栅极结构的常关型HEMT器件的制备方法，包括:步骤1，依次在衬底(I)上生长缓冲层(2)、i_GaN层(3)和势皇层(4);步骤2，刻蚀势皇层(4)和1-GaN层(3)的一端，以在1-GaN层(3)的一端、且背离缓冲层(2)的一侧形成阶梯形；步骤3，在阶梯形下层上形成源电极(5)，并在1-GaN层(3)上远离源电极(5)的一端形成漏电极(6);步骤4，生长覆盖在漏电极(6)、势皇层(4)和源电极(5)上方的栅介质层(7);步骤5，在栅介质层(7)上并靠近源电极(5)—端形成栅电极(8)，以使栅电极(8)的截面呈“Z”字形，使栅电极(8)的上平面位于阶梯形上层的上方，下平面位于阶梯形下层的上方；步骤6，生长覆盖在栅介质层(7)和栅电极(8)上方的钝化层(9)，并形成与源电极(5)接触的源电极焊盘(10)和与漏电极(6)接触的漏电极焊盘(11)。进一步的，在步骤3中，在阶梯形下层上形成源电极(5)，并在1-GaN层(3)上远离源电极(5)的一端形成漏电极(6)，包括:分别在阶梯形下层和1-GaN层(3)上远离阶梯形的一端光刻显影;利用电子束蒸发方法形成复合金属电极结构；利用氮气进行退火处理。进一步的，在步骤4中，采用ALD或者LPCVD方法生长覆盖在漏电极(6)、势皇层(4)和源电极(5)上方的栅介质层(7)。进一步的，在步骤5中，采用电子束蒸发方法在栅介质层(7)上并靠近源电极(5)—端形成栅电极(8)。进一步的，在步骤6中，生长覆盖在栅介质层(7)和栅电极(8)上方的钝化层(9)，并形成与源电极(5本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有纵向栅极结构的常关型HEMT器件，其特征在于，包括：层叠设置的衬底(1)、缓冲层(2)、i‑GaN层(3)、栅介质层(7)和钝化层(9)，其中，所述i‑GaN层(3)一端、且背离缓冲层(2)的一侧为阶梯形；包覆在阶梯形下层和栅介质层(7)之间的源电极(5)；包覆在阶梯形上层和栅介质层(7)之间的势垒层(4)和漏电极(6)，所述漏电极(6)与势垒层(4)接触，其中，所述漏电极(6)远离阶梯形；包覆在栅介质层(7)和钝化层(9)之间的栅电极(8)，所述栅电极(8)的截面呈“Z”字形，所述栅电极(8)的上平面位于阶梯形上层的上方，下平面位于阶梯形下层的上方；依次穿过钝化层(9)和栅介质层(7)、且与源电极(5)接触的源电极焊盘(10)；依次穿过钝化层(9)和栅介质层(7)、且与漏电极(6)接触的漏电极焊盘(11)。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄火林，孙仲豪，梁红伟，夏晓川，杜国同，边继明，胡礼中，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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