一种抑制电流崩塌效应的增强型HEMT器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种抑制电流崩塌效应的增强型HEMT器件及其制备方法。该HEMT器件包括异质结构以及与异质结构连接的源极、漏极和栅极，该异质结构包括作为沟道层的第一半导体和作为势垒层的第二半导体，该第二半导体形成于第一半导体上，该异质结构内形成有二维电子气；该第二半导体上还依次形成有量子阱层和第三半导体，该第三、第二半导体的导电类型不同，该栅极与第三半导体电性接触。本发明专利技术通过在增强型HEMT器件中的栅极区域及非栅极区域直接集成量子阱结构，使得器件处于开态时，同时能够实现发光，该发光可以有效辐射在栅‑漏、栅‑源之间的表面区域并深入至材料内部，能够加快被各类缺陷态所俘获的电子的释放过程，从而有效抑制器件电流崩塌效应。

Enhancement type HEMT device for suppressing current collapse effect and preparation method thereof

The invention discloses an enhancement type HEMT device for suppressing the current collapse effect and a preparation method thereof. The HEMT device includes a heterogeneous structure and connected with the heterogeneous structure of the source, drain and gate, the heterostructure comprises as a first semiconductor channel layer and a second semiconductor as a barrier layer, a second semiconductor is formed on the first semiconductor, a two-dimensional electron gas formed in the semiconductor heterostructure; the second is in turn the formation of a quantum well layer and a third conductive type semiconductor, the third, second different semiconductor, the gate and the third semiconductor electrical contact. The enhanced HEMT devices in the gate region and non gate region directly integrated quantum well structure, the device is in the open state, at the same time to realize light, the light emitting surface area can be effective in radiation leakage, gate source and gate between deep to the material inside, can speed up the process of electronic release the capture of all defects, so as to restrain the current collapse effect.

【技术实现步骤摘要】
一种抑制电流崩塌效应的增强型HEMT器件及其制备方法
本专利技术涉及半导体
，特别是涉及一种抑制电流崩塌效应的增强型HEMT器件及其制备方法。
技术介绍
相比于传统的硅基MOSFET，基于AGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HighElectronMobilityTransistor，HEMT)具有低导通电阻、高击穿电压、高开关频率等独特优势，从而能够在各类电力转换系统中作为核心器件使用，在节能减耗方面有重要的应用前景，因此受到学术界、工业界的极大重视。此外，为了满足失效安全、简化控制电路等要求，增强型(Enhancement-mode)HEMT具有明显的应用优势。然而，由于外延材料中不可避免地存在各类电子俘获中心(ElectronTrap)，包括位错、缺陷、杂质、界面态、表面态等，并分布于不同空间区域(图1a所示为耗尽常开型HEMT外延材料中电子俘获中心分布示意图；图1b为增强常关型HEMT外延材料中电子俘获中心分布示意图)，它们会在器件高速开、关的过程中，对沟道处电子(二维电子气)形成俘获(Trapping)、释放(De-trapping)的物理过程(如图2所示)：其中，栅极注入电子会被表面态俘获，改变表面电荷分布，从而影响沟道处二维电子气浓度；而当器件处于高压、大电流工作时，热电子则会被材料内部电子俘获中心(分布于势垒层、沟道层、缓冲层、p型层及各种界面处)。由于电子释放过程(回归至沟道处)具有一定的时间常数，当电子俘获/释放过程滞后于器件开/关动作时，便会引起电流崩塌效应，从而导致器件动态导通电阻增大等一系列可靠性问题，这也成为实现HEMT真正商用化的最大瓶颈。为抑制电流崩塌效应，目前采用的常规技术路线是对器件表面进行钝化，如沉积SiNx、AlN等介质层，或者不同介质层的堆叠组合，如AlN/Al2O3等。目前，为抑制电流崩塌效应，提高增强型HEMT的可靠性，普遍采用低压化学气相沉积(LowPressureChemicalVaporDeposition，LPCVD)技术在外延片表面最先沉积SiNx钝化层，随之进行后续器件工艺。此外，也有采用其他介质层沉积技术，如等离子体增强化学气相沉积(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD)、原子层沉积(AtomLayerDeposition，ALD)等，在完成欧姆接触工艺之后进行器件表面钝化。然而，上述钝化层技术仅能部分抑制与表面态相关的电流崩塌效应，事实上，材料内部电子俘获中心(分布于势垒层、沟道层、缓冲层及各种界面处)对于器件在高压、大电流工作时的热电子俘获过程非常显著，与之相关的电流崩塌效应及动态电阻特性退化现象非常严重。因此，现有的表面钝化技术无法根本解决由材料内部电子俘获中心(分布于势垒层、沟道层、缓冲层、p型层及各种界面处)引起的电流崩塌效应。此外，为实现增强型HEMT器件，通常采用p型栅工艺，为增强栅对二维电子气的调控，需减小p型栅与二维电子气的距离，因此生长p型栅时，需立即实现p型层生长。然而研究发现，常规MOCVD工艺生长p型材料时，由于存在Mg的记忆效应，Mg掺杂并入需要较长时间，无法立即实现很高的Mg掺杂，生长的材料存在弱p型或者非故意掺杂型，无法立即实现p型层的生长。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种抑制电流崩塌效应的增强型HEMT器件及其制备方法，以克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术的一个实施例提供了一种抑制电流崩塌效应的增强型HEMT器件，其包括异质结构以及与所述异质结构连接的源极、漏极和栅极，所述异质结构包括作为沟道层的第一半导体和作为势垒层的第二半导体，所述第二半导体形成于第一半导体上，所述异质结构内形成有二维电子气；其特征在于：所述第二半导体上还依次形成有量子阱层和第三半导体，所述第三半导体和第二半导体的导电类型不同，所述栅极与所述第三半导体电性接触。本专利技术的一个实施例提供了一种抑制电流崩塌效应的增强型HEMT器件的制备方法，其包括：提供衬底；在所述衬底上外延生长形成异质结构，所述异质结构包括作为沟道层的第一半导体和作为势垒层的第二半导体，所述第二半导体形成于第一半导体上，所述异质结构内形成有二维电子气；在所述异质结构上依次生长形成量子阱层和第三半导体层，且所述第三半导体和第二半导体的导电类型不同；在所述第三半导体层上形成栅极材料层，并对非栅极区域的所述栅极材料层和第三半导体层进行刻蚀，形成栅极；在由前述步骤加工形成的器件设置源极和漏极。与现有技术相比，本专利技术至少具有如下优点：(1)本专利技术通过在增强型HEMT器件中的栅极区域及非栅极区域直接集成量子阱结构，使得器件处于开态时，同时能够实现发光，该发光可以有效辐射在栅-漏、栅-源之间的表面区域并深入至材料内部，能够加快被各类缺陷态所俘获的电子的释放过程，从而有效抑制器件电流崩塌效应；(2)集成量子阱后的p型栅，对器件在较大正向栅压情况下可能出现的栅极雪崩击穿现象，可以通过发光信号起到预警、反馈作用，提高了器件工作的安全性；(3)将p型氮化物层分为两层生长，其中第一层p型氮化物层采用低温p型生长工艺，可实现Mg源的快速并入，增强了p型栅对二维电子气的调控能力。附图说明图1a和图1b分别是现有技术中耗尽常开型和增强常关型HEMT器件电子俘获中心分布示意图；图2是现有技术中HEMT器件(以耗尽常关型HEMT为例)电流崩塌效应物理原理示意图；图3是本专利技术第一实施例中增强型HEMT器件的结构示意图；图4a～4h是本专利技术第二实施例中增强型HEMT器件的制备工艺流程图；图5是本专利技术第三实施例中增强型HEMT器件的结构示意图。具体实施方式本专利技术的一个方面提供了一种抑制电流崩塌效应的增强型HEMT器件，其包括异质结构以及与所述异质结构连接的源极、漏极和栅极，所述异质结构包括作为沟道层的第一半导体和作为势垒层的第二半导体，所述第二半导体形成于第一半导体上，所述异质结构内形成有二维电子气；所述第二半导体上还依次形成有量子阱层和第三半导体，所述第三半导体与第二半导体的导电类型(n型或p型)不同，所述栅极与所述第三半导体电性接触。在一些实施方案之中，所述栅极分布于源极和漏极之间，所述第三半导体被所述栅极完全掩盖或所述第三半导体未被所述栅极完全掩盖。在一些实施方案之中，所述栅极分布于源极和漏极之间，并且所述量子阱层被所述栅极完全掩盖，或者，所述量子阱层分布在位于所述栅极下方及所述栅极与源极和/或漏极之间的区域内。在一些实施方案之中，所述第三半导体包括第一结构层和形成于第一结构层上的第二结构层。优选的，第一结构层的生长温度低于第二结构层的生长温度。在一些实施方案之中，所述量子阱层和第三半导体之间还分布有覆盖层。在一些实施方案之中，所述第一半导体与第二半导体之间还分布有插入层。在一些实施方案之中，所述HEMT器件还包括衬底，所述衬底与所述异质结构之间还分布有缓冲层。在一些实施方案之中，所述源极和漏极与所述第二半导体之间形成欧姆接触。在一些实施方案之中，所述量子阱层中量子阱材料的发光波长范围包括可见光波段和/或紫外波段。例如，所述量子阱材料可选自但不限于InGaN、GaN、AlGaN，A本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制电流崩塌效应的增强型HEMT器件，包括异质结构以及与所述异质结构连接的源极、漏极和栅极，所述异质结构包括作为沟道层的第一半导体和作为势垒层的第二半导体，所述第二半导体形成于第一半导体上，所述异质结构内形成有二维电子气；其特征在于：所述第二半导体上还依次形成有量子阱层和第三半导体，所述第三半导体和第二半导体的导电类型不同，所述栅极与所述第三半导体电性接触。

【技术特征摘要】
1.一种抑制电流崩塌效应的增强型HEMT器件，包括异质结构以及与所述异质结构连接的源极、漏极和栅极，所述异质结构包括作为沟道层的第一半导体和作为势垒层的第二半导体，所述第二半导体形成于第一半导体上，所述异质结构内形成有二维电子气；其特征在于：所述第二半导体上还依次形成有量子阱层和第三半导体，所述第三半导体和第二半导体的导电类型不同，所述栅极与所述第三半导体电性接触。2.根据权利要求1所述的增强型HEMT器件，其特征在于：所述栅极分布于源极和漏极之间，并且所述量子阱层被所述栅极完全掩盖；或者，所述量子阱层分布在位于所述栅极下方及所述栅极与源极和/或漏极之间的区域内。3.根据权利要求1所述的增强型HEMT器件，其特征在于：所述第三半导体包括第一结构层和形成于第一结构层上的第二结构层；和/或，所述量子阱层和第三半导体之间还分布有覆盖层；和/或，所述第一半导体与第二半导体之间还分布有插入层；和/或，所述HEMT器件还包括衬底，所述衬底与所述异质结构之间还分布有缓冲层；和/或，所述源极和漏极与所述第二半导体之间形成欧姆接触。4.根据权利要求1-3中任一项所述的增强型HEMT器件，其特征在于：所述量子阱层中量子阱材料的发光波长范围包括可见光波段和/或紫外波段；和/或，所述量子阱层中量子阱材料包括InGaN、GaN、AlGaN，AlInN和AlInGaN中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述量子阱层中的量子阱结构包括单量子阱、双量子阱或多量子阱结构；所述量子阱层中的量子阱结构包括GaN/InGaN/AlGaN结构、GaN/InGaN/GaN/AlGaN结构、GaN/InGaN/AlN/AlGaN结构和AlN/InGaN/AlN/AlGaN结构中的任意一种；和/或，所述量子阱层中量子垒材料包括GaN、InGaN、AlGaN、AlInN、AlInGaN、AlN中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述异质结构包括AlGaN/AlN/GaN异质结、AlInN/AlN/GaN异质结、AlInGaN/AlN/GaN异质结中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述第三半导体包括p型半导体，所述p型半导体材料包括p-GaN、p-AlGaN、p-AlInN，p-InGaN和p-AlInGaN中的任意一种或两种以上的组合。5.根据权利要求1-3中任一项所述的增强型HEMT器件，其特征在于：所述HEMT器件为无钝化层和/或无场板的HEMT器件，或者，所述HEMT器件为包含钝化层和/或场板结构的HEMT器件。6.根据权利要求3所述的增强型HEMT器件，其特征在于：所述衬底包括硅、蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氮化铝中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述插入层的组成材料包括AlN、AlInN、AlInGaN中的任意一种或两种以上的组合。7.一种抑制电流崩塌效应的增强型HEMT器件...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙钱，周宇，冯美鑫，李水明，高宏伟，杨辉，
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