二次外延P型Ⅲ族氮化物实现增强型HEMT的方法及增强型HEMT技术

本发明专利技术公开了一种二次外延P型Ⅲ族氮化物实现增强型HEMT的方法及增强型HEMT。在一实施案例之中，该方法包括：提供主要由Ⅲ族氮化物组成的异质结构，并在所述异质结构上制作表面钝化层和源、漏电极，使源、漏电极与异质结构表面形成欧姆接触且与其中的二维电子气电连接；对异质结构的位于栅电极正下方的表面钝化层和势垒层部分区域进行刻蚀，在势垒层内形成凹槽结构；通过选区外延技术在凹槽内势垒层表面生长P型半导体；以及，在源、漏电极之间P型半导体表面制作栅电极。本发明专利技术有效实现了增强型HEMT，且工艺简单，重复性高，成本低廉，易于进行大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种增强型HEMT(高电子迁移率晶体管)器件及其制作方法，特别涉及一种通过选区二次外延P型Ⅲ族氮化物半导体而实现P型凹槽结构增强型HEMT的方法及相应的增强型HEMT器件，属于微电子工艺领域。
技术介绍
HEMT器件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Ⅲ-Ⅵ族(如AlGaAs/GaAsHEMT)相比，Ⅲ族氮化物半导体由于压电极化和自发极化效应，在异质结构上(Heterostructure，如AlGaN/GaN)能够形成高浓度的二维电子气(2DEG)。所以在使用Ⅲ族氮化物制成的HEMT器件中，势垒层一般不需要进行掺杂。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。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，增强型HEMT器件与耗尽型HEMT器件相比有助于提高系统的安全性、降低器件的损耗和简化设计电路。目前实现增强型HEMT主要的方法有薄势垒层、凹栅结构、P型盖帽层和F处理等技术。但是这些技术都存在自身的不足。例如，世界上首支增强型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。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F的等离子体在注入的过程中也会刻蚀势垒层，造成器件性能的降低。P型盖帽层技术，栅下采用P型半导体将2DEG沟道位置的能带抬高，将栅电极下沟道内2DEG耗尽，形成增强型器件。在栅电极所加正向电压小于平带电压时，器件以场效应晶体管模式工作，当栅电极所加正向电压大于平带电压时，P型半导体中的空穴注入到沟道当中，电中性原理，沟道中会产生相应数量的电子，沟道中的电子由于势垒层的阻挡作用，仍然保留在沟道当中，空穴移动速度远远低于电子移动速度，沟道中电子在源、漏电极电场作用下移动，从而使源、漏电极导通。P型盖帽层技术不产生离子刻蚀对沟道电子的影响，所以具有较高的饱和电流，但是，一般采用的P型半导体(如P-AlGaN、P-GaN、P-InGaN等)在使用干法刻蚀的过程中(如Cl2等离子刻蚀)，势垒层AlGaN与P型半导体具有很小的刻蚀选择比，所以很难控制将P型半导体完全刻蚀，同时刻蚀停止在势垒层AlGaN表面。并且为了保证P型盖帽层将沟道2DEG完全耗尽，需要异质结构中的势垒层较薄约为15nm，通常异质结构中的势垒层约在25nm左右，较薄的势垒层会导致沟道中的2DEG浓度较低。
技术实现思路
本专利技术的一个重要目的在于提出一种选区二次外延P型Ⅲ族氮化物实现P型凹槽结构增强型HEMT的方法，从而克服现有技术中的不足。本专利技术的另一重要目的在于提供一种具有改良结构的增强型HEMT。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种增强型HEMT，包括主要由N型半导体层和势垒层组成的异质结构及源、漏、栅电极，所述源、漏电极与异质结构表面形成欧姆接触，同时还均与异质结构中的二维电子气连接，所述栅电极设于源、漏电极之间，其中，在位于所述栅电极正下方的势垒层的局部区域内分布有P型半导体，所述P型半导体被栅电极完全覆盖，且所述P型半导体能够将异质结构内的沟道能带抬高并使相应沟道内二维电子气耗尽，而当栅电极接大于平带电压的正向电压时，所述P型半导体能够向异质结构内的沟道中注入空穴并感生出电子，从而使源、漏电极导通。在一较为优选的实施方案之中，所述栅电极与异质结构之间还分布有表面钝化层。在一较为具体的实施方案之中，所述异质结构主要由本征GaN层、本征AlGaN势垒层组成，并且在位于所述栅电极下方的AlGaN势垒层的局部区域内分布有P型AlGaN，所述P型AlGaN与本征AlGaN势垒层形成PN结。在一更为具体的实施方案之中，所述表面钝化层主要由氮化硅组成，并且在位于所述栅电极下方的表面钝化层和本征AlGaN势垒层的局部区域内分布有所述P型AlGaN。在一较为优选的实施方案之中，所述栅电极与P型半导体之间还可分布有栅介质层。在一实施方案之中，所述栅电极位于源电极和漏电极之间靠近源电极一侧。在一实施方案之中，所述源电极和漏电极分别与电源的低电位和高电位连接。在本专利技术中，所述P型半导体被栅电极完全覆盖，是指P型半导体全部分布于栅电极的正投影内。一种二次外延P型Ⅲ族氮化物实现所述增强型HEMT的方法，其包括：提供主要由N型半导体层和势垒层组成的异质结构，并在所述异质结构上制作源、漏电极，使源、漏电极与异质结构表面形成欧姆接触，并使源、漏电极均与异质结构中的二维电子气连接；对位于栅电极正下方的势垒层的部分区域进行刻蚀，形成深入势垒层的凹槽；通过所述凹槽在势垒层内二次外延生长P型半导体，所述P型半导体能够将异质结构内的沟道能带抬高并使相应沟道内二维电子气耗尽，而且当栅电极接大于平带电压的正向电压时，所述P型半导体能够向异质结构内的沟道中注入空穴并感生出电子，从而使源、漏电极导通；以及，在源、漏电极之间制作栅电极。在一较为具体的实施方案之中，所述异质结构主要由本征GaN层、本征AlGaN势垒层组成，并且在位于所述栅电极下方的AlGaN势垒层的局部区域内分布有P型AlGaN，所述P型AlGaN与本征AlGaN势垒层形成PN结。在一较为优选的实施方案之中，所述方法还包括：在所述势垒层表面形成表面钝化层，采用干法刻蚀工艺对所述表面钝化层和势垒层的选定区域进行刻蚀，形成自表面钝化层表面深入势垒层的凹槽，并使凹槽下方的势垒层厚度在10nm以上，通过所述凹槽在势垒层内二次外延生长所述P型半导体，以及，在源、漏电极之间制作栅电极。在一更为具体的实施方案之中，所述方法可以包括：在所述凹槽内二次外延生长厚度为30nm-70nm的P型AlGaN，所述P型AlGaN的掺杂浓度为10E18cm-3至10E19cm-3，掺杂离子包括Mg2+。在一较为具体的实施案例之中，所述二次外延P型Ⅲ族氮化物实现增强型HEMT的方法包括：在所述异质结构表面采用LPCVD、PECVD、ICPCVD等技术沉积氮化硅、SiO2、氧氮化硅、氧化铝等表面钝化层；采用干法刻蚀工艺对栅下表面钝化层和AlGaN势垒层进行刻蚀，刻蚀深度保证AlGaN势垒层剩余10nm以上，以及，在被刻蚀的AlGaN势垒层区域内二次外延生长厚度为30nm-70nm的P型AlGaN，所述P型AlGaN的掺杂浓度为10E18cm-3至10E19cm-3，掺杂离子包括Mg2+，但不限于此。进一步的，在进行P型AlGaN二次外延时，栅下区域AlGaN势垒层裸露，其余区域AlGaN势垒层上覆盖有SiNx层等表面钝化层，由于在外延生长AlGaN时，AlGaN无法在表面钝化层表面形成薄膜，所以可以简化工艺，避免二次外延后的P型AlGaN和AlGaN势垒层的选择性刻蚀问题。在一较为优选的实施方案之中，所述二次外延P型Ⅲ族氮化物实现增强型HEMT的方法还包括：在所述P型半导体表面生长栅介质层，再在所述栅介质层上制作栅电极。在本专利技术中，采用的干法刻蚀工艺可选但不限于使用等离子体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增强型HEMT，包括主要由N型半导体层和势垒层组成的异质结构及源、漏、栅电极，所述源、漏电极与异质结构表面形成欧姆接触，同时还均与异质结构中的二维电子气连接，所述栅电极设于源、漏电极之间，其特征在于，在位于所述栅电极正下方的势垒层的局部区域内分布有P型半导体，所述P型半导体被栅电极完全覆盖，且所述P型半导体能够将异质结构内的沟道能带抬高并使相应沟道内二维电子气耗尽，而当栅电极接大于平带电压的正向电压时，所述P型半导体能够向异质结构内的沟道中注入空穴并感生出电子，从而使源、漏电极导通。

【技术特征摘要】
1.一种增强型HEMT，包括主要由N型半导体层和势垒层组成的异质结构及源、漏、栅电极，所述源、漏电极与异质结构表面形成欧姆接触，同时还均与异质结构中的二维电子气连接，所述栅电极设于源、漏电极之间，其特征在于，在位于所述栅电极正下方的势垒层的局部区域内分布有P型半导体，所述P型半导体被栅电极完全覆盖，且所述P型半导体能够将异质结构内的沟道能带抬高并使相应沟道内二维电子气耗尽，而当栅电极接大于平带电压的正向电压时，所述P型半导体能够向异质结构内的沟道中注入空穴并感生出电子，从而使源、漏电极导通。2.根据权利要求1所述的增强型HEMT，其特征在于所述栅电极与异质结构之间还分布有表面钝化层。3.根据权利要求1所述的增强型HEMT，其特征在于所述异质结构主要由本征GaN层和本征AlGaN层组成，并且在位于所述栅电极下方的本征AlGaN层的局部区域内分布有P型AlGaN，所述P型AlGaN与本征AlGaN势垒层形成PN结。4.根据权利要求1所述的增强型HEMT，其特征在于所述P型半导体与栅电极之间还分布有栅介质层。5.根据权利要求1所述的增强型HEMT，其特征在于所述栅电极位于源电极和漏电极之间靠近源电极一侧。6.根据权利要求1所述的增强型HEMT，其特征在于所述源电极和漏电极分别与电源的低电位和高电位连接。7.一种二次外延P型Ⅲ族氮化物实现增强型HEMT的方法，其特征在于包括：提供主要由N型半导体层和势垒层组成的异质结构，并在所述异质结构上制作源、漏电极，使源、漏电极与异...

【专利技术属性】
技术研发人员：于国浩，张志利，张宝顺，蔡勇，付凯，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