Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件及其制作方法。该器件包括源、漏、栅电极以及异质结构，源、漏电极通过形成于异质结构中的二维电子气电连接，异质结构包括第一、第二半导体，第二半导体具有宽于第一半导体的带隙，第一半导体设置于源、漏电极之间，栅电极设于第二半导体表面，第二半导体内还包含P型掺杂区，P型掺杂区分布于栅电极下方但在第一半导体上方，栅电极包括：与第二半导体形成肖基特接触的、作为离子注入能量吸收层的第一栅电极材料层，以及叠设在第一栅电极材料层上的第二栅电极材料层。本发明专利技术可以有效的实现增强型HEMT器件，并且器件的阈值电压可以通过注入的离子剂量而调节，制作工艺简单、重复性好，适合工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件及其制作方法，特别涉及一种采用离子注入实现增强型GaN HEMT的方法，属于微电子
，
技术介绍
HEMT器件(高电子迁移率晶体管)是充分利用半导体的异质结结构形成的二维电子气而制成的，与其他材料(如AlGaAs/GaAs)制成的HEMT相比，Ⅲ族氮化物半导体由于压电极化和自发极化效应，在AlGaN/GaN异质结构上(Heterostructure)，能够形成高浓度的二维电子气。所以在使用AlGaN/GaN异质结制成的HEMT器件中，势垒层AlGaN一般不需要进行掺杂。另外，Ⅲ族氮化物具有大的禁带宽度、较高的饱和电子漂移速度、高的临界击穿电场和极强的抗辐射能力等特点，能够满下一代电力电子系统对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更高温度的工作的要求，在电力电子器件方面具有非常好的应用前景。现有的Ⅲ族氮化物半导体HEMT器件作为高频器件或者高压大功率开关器件使用时，特别是作为功率开关器件时，实现增强型HEMT器件是非常有必要的。目前主要的方法有薄的势垒层、凹栅结构、P型盖帽层和F等离子体处理等技术。但是每一种技术都存在自身的不足。世界上首枚增强型HEMT器件是采用较薄的势垒层来实现的，这种方法不使用刻蚀工艺，所以带来的损伤小，但是由于较薄的势垒层，器件的饱和电流较小。为了解决这个问题，在薄势垒层增强型HEMT基础上出现了凹栅结构，凹栅结构解决了饱和电流较小的问题，但是一般的HEMT器件之中势垒层只有20-30nm，采用刻蚀工艺形成凹栅结构的工艺难于控制，重复性较差。P型盖帽层不需要刻蚀工艺，但是产生界面态，
影响器件的稳定性。F等离子处理也能实现增强型HEMT器件，并且不需要刻蚀，但是注入F离子的过程中，由于等离子体的存在，会产生刻蚀势垒层的现象，并且由于等离子体中存在多种离子，在实验中控制较难，如果直接采用离子注入机将F离子注入到势垒层，由于势垒层只有20-30nm左右，并且一般离子注入机的注入能量较高，所以注入的F离子通过势垒层AlGaN进入GaN缓冲层，严重影响二维电子气的迁移率，使器件在开启的状态下，源漏电流较小。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型的Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件及其制作方法，从而克服现有技术的不足。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件，包括源电极、漏电极、栅电极以及异质结构，所述源电极与漏电极通过形成于异质结构中的二维电子气电连接，所述异质结构包括第一半导体和第二半导体，所述第二半导体形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导体的带隙，所述第一半导体设置于源电极和漏电极之间，所述栅电极设于第二半导体表面；其特征在于所述第二半导体内还包含：经离子注入工艺对第二半导体的局部区域进行处理而生成的、用以耗尽栅下的二维电子气的P型掺杂区，所述P型掺杂区分布于栅电极下方，并位于第一半导体上方，其中，所述栅电极包括：与第二半导体形成肖基特接触的、作为离子注入能量吸收层的第一栅电极材料层，以及，叠设在第一栅电极材料层上的第二栅电极材料层。进一步的，所述栅电极设置于第二半导体表面并靠近源电极一侧。进一步的，所述第二半导体和栅电极之间还设有绝缘介质层。其中，所述绝缘介质层的材料可选自但不限于Al2O3、Si3N4或SiO2等。进一步的，所述栅电极设置在绝缘介质层表面，并分布于源极和漏极之间
且靠近源极一侧，同时所述栅电极还与所述绝缘介质层和第二半导体形成金属-绝缘层-半导体结构(MIS结构)。一种Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件的制作方法，包括：提供Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件的基础结构，包括主要由第一半导体和第二半导体组成的异质结构，所述第二半导体形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导体的带隙；在所述第二半导体表面形成与第二半导体肖基特接触的第一栅电极材料层，或者，在所述第二半导体表面设置绝缘介质层，并在绝缘介质层上形成第一栅电极材料层；自所述第一栅电极材料层表面向第二半导体内注入离子，从而在所述第二半导体内形成用以耗尽所述异质结构内的相应沟道中二维电子气的P型掺杂区；在所述第一栅电极材料层上设置第二栅电极材料层，形成栅电极。进一步的，仅在位于栅电极下方的第二半导体的局部区域内分布有P型掺杂区。进一步的，当未在栅电极上施加电压或施加于栅电极的电压低于一阈值电压时，所述HEMT器件处于断开状态，而当施加于栅电极的电压超过一阈值电压时，在位于栅电极下方的第一半导体中会积累电子形成导电通道，从而使所述HEMT器件处于开启状态。进一步的，在所述离子注入掺杂区内注入的离子可选自但不限于F离子或氮离子，优选采用F离子。进一步的，注入的F离子的浓度越大，所述器件的阈值电压越高。进一步的，所述源电极和漏电极分别与电源的低电位和高电位连接。进一步的，所述第一半导体和第二半导体均采用Ⅲ族氮化物半导体。例如，所述第一半导体可以采用AlGaN层，优选的，其厚度为14nm-30nm，进一步的，其中Al元素的摩尔含量优选为20％-30％。例如，所述第二半导体可以采用GaN层，优选的，其厚度为1μm-3μm。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：(1)本专利技术的Ⅲ族氮化物HEMT器件(以下简称“器件”)具有良好的增强型特性。本专利技术采用离子注入，由于注入的F离子具有较强的负电性，会耗尽下端的二维电子气，在栅电压没有达到阈值电压时，源电极和漏电极断开，器件处于断开状态。只有对栅电极施加足够高的正向电压时，才能使栅下积累电荷，最后导通，实现增强型工作方式。(2)本专利技术器件的阈值电压具有良好的调控性。本专利技术的器件由于在工艺实现过程中，可以利用不同的注入能量和注入剂量，从而改变栅下AlGaN势垒层中注入离子(如，F离子)的浓度。不同的F离子浓度，会产生不同的阈值电压，一般情况下，注入离子(如，F离子)的浓度越大，器件的阈值电压越高。(3)本专利技术器件具有较高的电流密度。由于本专利技术中采用F离子注入，注入的F离子只限于栅下的第二半导体(如，AlGaN)内，第一半导体(如，GaN沟道层)的晶体质量受注入离子(如，F离子)的影响较小，二维电子气的迁移率减少较少。(4)本专利技术器件的制作工艺简单、成熟，重复性好。本专利技术器件制作方法中的工艺步骤均比较成熟，而且工艺流程也相对简单，成本低，完全与成熟的耗尽型AlGaN/GaN HEMT器件制备工艺兼容，另外，前述离子注入可采用常规离子注入机进行，而无需其它特殊设备和特殊操作。附图说明图1是现有HEMT器件的局部结构示意图；图2是现有HEMT器件处于关断状态的结构示意图图3是本专利技术一实施方案中一种Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件的结构示意图；图4是本专利技术一实施方案中一种采用离子注入实现Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件的示意图；图5是本专利技术一实施方案中一种增强型HEMT器件处于关断状态的示意图；图6是本专利技术一实施方案中一种增强型HEMT器件处于开启状态的示意图；图7是本专利技术一实施方案中一种采用离子注入实现Ⅲ族氮化物增强型
MIS-HEMT器件的结构示意图；附图标记说明：衬底1、第一半导体2、第二半导体3、源电极4、栅电极5、漏电极6、二维电子气7、栅下区域8、P型掺杂区9、栅介质层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件，包括源电极、漏电极、栅电极以及异质结构，所述源电极与漏电极通过形成于异质结构中的二维电子气电连接，所述异质结构包括第一半导体和第二半导体，所述第二半导体形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导体的带隙，所述第一半导体设置于源电极和漏电极之间，所述栅电极设于第二半导体表面；其特征在于所述第二半导体内还包含：经离子注入工艺对第二半导体的局部区域进行处理而生成的、用以耗尽栅下二维电子气的P型掺杂区，所述P型掺杂区分布于栅电极下方，并位于所述第一半导体上方；所述栅电极包括：与所述第二半导体形成肖基特接触的、作为离子注入能量吸收层的第一栅电极材料层，以及，叠设在所述第一栅电极材料层上的第二栅电极材料层。

【技术特征摘要】
1.一种Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件，包括源电极、漏电极、栅电极以及异质结构，所述源电极与漏电极通过形成于异质结构中的二维电子气电连接，所述异质结构包括第一半导体和第二半导体，所述第二半导体形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导体的带隙，所述第一半导体设置于源电极和漏电极之间，所述栅电极设于第二半导体表面；其特征在于所述第二半导体内还包含：经离子注入工艺对第二半导体的局部区域进行处理而生成的、用以耗尽栅下二维电子气的P型掺杂区，所述P型掺杂区分布于栅电极下方，并位于所述第一半导体上方；所述栅电极包括：与所述第二半导体形成肖基特接触的、作为离子注入能量吸收层的第一栅电极材料层，以及，叠设在所述第一栅电极材料层上的第二栅电极材料层。2.根据权利要求1所述的Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件，其特征在于所述第二半导体和栅电极之间还设有绝缘介质层，所述绝缘介质层的材料包括：Al2O3、Si3N4或SiO2。3.根据权利要求2所述的Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件，其特征在于所述栅电极设置在绝缘介质层表面，并分布于源极和漏极之间且靠近源极一侧，同时所述栅电极还与所述绝缘介质层和第二半导体形成金属-绝缘层-半导体结构。4.根据权利要求1所述的Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件，其特征在于，仅在位于栅电极下方的第二半导体的局部区域内分布有P型掺杂区。5.根据权利要求1或4所述的Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件，其特征在于，在所述P型掺杂区内注入的离子包括氟离子。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志利，蔡勇，张宝顺，付凯，于国浩，孙世闯，宋亮，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32