一种具有荷电介质的HEMT器件制造技术

本发明专利技术属于半导体技术领域，具体涉及一种具有荷电介质的HEMT器件。本发明专利技术的HEMT器件，包括衬底1、位于衬底1上层的缓冲层2、位于缓冲层2上层的势垒层3和位于势垒层3上层的钝化层4，且所述缓冲层2与势垒层3形成异质结；所述势垒层3上表面两端分别设置有源电极6和漏电极7，在源电极和漏电极之间设置有栅电极8；其特征在于，所述栅电极8与漏电极7之间的钝化层中形成荷电介质区5，所述荷电介质区5中带有负电荷。本发明专利技术的有益效果为，可以调制器件表面电场，优化器件横向电场分布，提高器件的击穿电压，且不会引入寄生电容，不影响器件的频率特性，同时在提高器件击穿电压的同时对器件电流能力的影响很小。本发明专利技术尤其适用于HEMT器件。

【技术实现步骤摘要】
—种具有荷电介质的HEMT器件
本专利技术属于半导体
，具体涉及到一种采用荷电介质的高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)器件。
技术介绍
宽禁带半导体氮化镓(GaN)具有高临界击穿电场(?3.3X106V/cm)、高电子迁移率(?2000cm2/V.s)等特性，且基于GaN材料的异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)还具有高浓度(?113CnT2)的二维电子气(2DEG)沟道，使得GaN HEMT器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，在大电流、低功耗、高压开关器件应用领域具有巨大的应用前景。 功率开关器件的关键是实现高击穿电压、低导通电阻和高可靠性。HEMT器件的击穿主要是由于栅肖特基结的泄漏电流和通过缓冲层的泄漏电流引起的。要提高器件耐压，纵向上需要增加缓冲层的厚度和质量，这主要由工艺技术水平决定；横向上需要漂移区长度增加，这不仅使器件(或电路)的芯片面积增加、成本增大，更为严重的是，器件的导通电阻增大，进而导致功耗急剧增加，且器件开关速度也随之降低。 为了充分利用GaN材料的高临界击穿电场等优异特性，提高器件耐压，业内研究者进行了许多研究。其中场板技术是一种用来改善器件耐压的常用终端技术，文献(J.Li, et.al.“High breakdown voltage GaN HFET with field plate，，IEEE ElectronLett., vol.37, n0.3, pp.196 - 197, February.2001.)采用了与栅短接的场板，如图1 所示，场板的引入可以降低主结的曲率效应和电场尖峰，从而提高耐压。然而场板的引入会使器件寄生电容增大，影响器件的闻频和开关特性。 氟(F)离子处理技术(F基等离子体处理)最开始被用作一种制作增强型HEMT 的方法，文献(Yong Cai, et.al.“High-performance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasma treatment，，，IEEE Electron DeviceLett, Vol.26，N0.7，July 2005)采用氟离子处理技术实现了增强型HEMT器件，如图2所示，该器件通过在AlGaN/GaN HEMT栅下的AlGaN势垒层中注入氟离子，由于氟离子的强电负性，可以有效的耗尽沟道区的强二维电子气，从而实现增强型HEMT器件。但是栅下势垒层中全部注入氟离子，一方面大大减小了 2DEG浓度和迁移率，使正向电流能力减小；另一方面，在较薄的半导体势垒层中注入氟离子的过程容易对势垒层材料造成损伤，从而影响沟道中载流子的迁移率和器件的可靠性。 借助于氟离子的强电负性，研究者们还将其用于提升GaN HEMT器件的反向耐压特性，获得了显著的效果。文献(Young-Shil Kim, et.al.“High Breakdown Voltage AlGaN/GaN HEMT by Employing Selective Fluoride Plasma Treatment”，Proc.1SPSD, SanDiego，CA，May2011)在栅漏之间的势垒层中引入低浓度的氟离子，使势垒层荷电(具有负电荷)，如图3所示，带负电性的氟离子可有效调制器件表面电场，使器件横向电场分布更加均匀，从而提高器件的击穿电压，且不会引入附加寄生电容。但是在势垒层中注入氟离子，一方面会对势垒层材料造成损伤；另一方面，较薄的势垒层使得氟离子的分布难以控制，且位于势垒层的氟离子距离2DEG沟道很近，会减小沟道中电子的浓度和迁移率，最终都会较大的影响器件的电流能力，且会引起可靠性下降。 上述传统的氟离子处理技术的原理是在半导体中引入固定的负电荷，以实现提高器件阈值电压增强型或者提高器件击穿电压的目的，但是在半导体势垒层中引入负电荷会对半导体材料造成损伤，减小2DEG浓度和迁移率，从而影响器件正向电流能力，且对很薄的半导体势垒层进行工艺处理，器件的可靠性也会受到严重影响。
技术实现思路
本专利技术的目的，就是为了解决上述传统技术中存在的问题，提出一种通过在介质材料中引入负电荷，达到提高器件击穿电压或者阈值电压的HEMT器件。 本专利技术的技术方案:如图4所示，一种具有荷电介质的HEMT器件，所述GaN基HEMT器件包括衬底1、位于衬底I上层的缓冲层2、位于缓冲层2上层的势垒层3和位于势垒层3上层的钝化层4，且所述缓冲层2与势垒层3形成异质结；所述势垒层3上表面两端分别设置有源电极6和漏电极7，在源电极和漏电极之间设置有栅电极8 ;其特征在于，所述栅电极8与漏电极7之间的钝化层中形成荷电介质区5，所述荷电介质区5中带有负电荷。 本专利技术总的技术方案，为了充分利用GaN基材料的高临界击穿电场和高电子饱和速度等特性，优化器件表面电场以提升耐压，本专利技术提出一种荷电介质HEMT器件。本专利技术的方案采用在栅漏之间的钝化层介质中引入负电荷，形成荷电介质，介质中的电荷优化器件表面电场，减小栅靠漏端的电场峰值，从而获得耐压的提升。采用本专利技术，一方面，介质中的电荷用于优化器件表面电场，在没有场板的情况下较大的提高了器件的击穿电压，且不会引入附加的寄生电容；另一方面，介质中的电荷浓度较低，介质层较厚，介质层荷电的过程避免了对势垒层的损伤，从而对沟道中2DEG的浓度和迁移率影响很小，保证了器件具有很好的正向电流能力。此外，介质的材料和厚度可选择性大，实现介质荷电的工艺容差较大，与在较薄的势垒层中引入电荷相比，较厚的钝化层中引入电荷更易实现，且可靠性更好。本专利技术所公布的器件制备工艺与传统工艺兼容。 具体的，所述栅电极8与势垒层3之间具有绝缘栅介质9，所述绝缘栅介质9采用Al2O3或其他单层或多层绝缘介质材料。 具体的，所述绝缘栅介质9带有负电荷，形成荷电栅介质区10。 具体的，所述栅电极8下方局部或全部势垒层中带有负电荷，形成栅下势垒层荷电区11。 具体的，所述缓冲层2材料为GaN、AlN、AlGaN中的一种或几种的组合。 具体的，所述势垒层3材料为GaN、AlN、AlGaN、InGaN, InAlN中的一种或几种的组八口 ο 具体的，所述衬底I材料包括蓝宝石，硅，碳化硅SiC，氮化铝AlN或氮化镓GaN中的一种或几种的组合。 本专利技术的有益效果为:一方面，栅漏之间的荷电介质可以调制器件表面电场，优化器件横向电场分布，提高器件的击穿电压，且不会引入寄生电容，不影响器件的频率特性；另一方面，介质荷电的过程对势垒层的损伤小，对沟道中电子的浓度和迁移率影响小，因此在提高器件击穿电压的同时对器件电流能力的影响很小；此外，介质的材料和厚度可选择性大，实现介质荷电的工艺容差较大，与在较薄的势垒层中引入电荷相比，在较厚的钝化层中引入电荷更易实现，可靠性更好。 【附图说明】 图1是具有场板的HEMT器件结构。 图2是氟离子处理增强型HEMT器件结构。 图3是栅漏之间的势垒层进行低浓度氟离子处理的HEMT器件结构。 图4是本专利技术提出的荷电介质HEMT器件结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有荷电介质的HEMT器件，包括衬底(1)、位于衬底(1)上层的缓冲层(2)、位于缓冲层(2)上层的势垒层(3)和位于势垒层(3)上层的钝化层(4)，所述缓冲层(2)与势垒层(3)形成异质结；所述势垒层(3)上表面两端分别设置有源电极(6)和漏电极(7)，在源电极(6)和漏电极(7)之间设置有栅电极(8)；其特征在于，所述栅电极(8)与漏电极(7)之间的钝化层中设置有荷电介质区(5)，所述荷电介质区(5)带有负电荷。

【技术特征摘要】
1.一种具有荷电介质的HEMT器件，包括衬底(I)、位于衬底(I)上层的缓冲层(2)、位于缓冲层(2)上层的势垒层(3)和位于势垒层(3)上层的钝化层(4)，所述缓冲层(2)与势垒层(3)形成异质结；所述势垒层(3)上表面两端分别设置有源电极(6)和漏电极(7)，在源电极(6)和漏电极(7)之间设置有栅电极⑶；其特征在于，所述栅电极⑶与漏电极(7)之间的钝化层中设置有荷电介质区(5)，所述荷电介质区(5)带有负电荷。2.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗小蓉，熊佳云，杨超，魏杰，周坤，张波，李肇基，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51