高性能MIS栅增强型GaN基高电子迁移率晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术涉及高性能MIS栅增强型GaN基高电子迁移率晶体管及其制备方法，该器件包括层位于衬底上的AlGaN层，AlGaN层由AlGaN势垒层和分布于其两侧的p掺杂漂移区域和n掺杂漂移区域组成，钝化层位于源极和漏极之间，凹槽自钝化层延伸至势垒层中，填充凹槽的p‑GaN区域，位于p‑GaN区域上的栅极和与栅极接触的场板。在势垒层的两侧形成不同梯度的n/p掺杂层，抑制源‑漏方向的电流拥挤，同时栅极下方连接p‑GaN，其上方与场板接触，控制栅极下方的电荷拥挤，使二维电子气沟道电子运输更加平滑，保证器件高电流密度和高电子迁移率的情况下，实现击穿电压的可调控提升，降低导通电阻，改善器件功率特性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
高性能MIS栅增强型GaN基高电子迁移率晶体管及其制备方法
本专利技术涉及高电子迁移率晶体管领域，具体涉及一种高性能MIS栅增强型GaN基高电子迁移率晶体管及其制备方法。
技术介绍
随着清洁能源，自动化设备，通信技术，汽车电子，开关电源的发展，功率半导体器件的性能备受关注。作为第三代半导体材料的代表，GaN基材料由于其禁带宽度大、电子饱和迁移率高、热导率高、稳定性好、临界击穿场强高等特点，常用于制作高温、高频及大功率电子器件。此外，调制掺杂后的AlGaN/GaN异质结构在室温下具有比GaN材料和第二代半导体材料更优异的电子迁移率、饱和电子速度和更高的二维电子气密度，是制作微波大功率器件的理想材料，因此AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管具有非常良好的应用前景。常规的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种耗尽型设备，由于其必须先施加负偏压才能工作的特性，使得在功率转换应用上使用不便，因此具有常关特性的AlGaN/GaN增强型HEMT的研究具有非常重要的意义。AlGaN/GaN增强型HEMT减少了负电压源，降低了电路复杂度和成本，具有良好的电路兼容性，具有很大的应用前景。目前，国际和国内都有不少关于AlGaN/GaN增强型HEMT制作技术的报道，主要的新技术有纳米线沟道结构，薄势垒层结构，氟等离子体处理，P-GaN帽层结构，凹槽栅金属绝缘体半导体(MIS)结构等。其中，凹槽栅MIS结构具有高阈值电压，高击穿电压和高栅压摆幅等特性，是制造增强型HEMT的潜在优良技术。尽管凹槽栅MIS结构HEMT具有较高电流密度和较小导通电阻，但由于其源-栅极和漏-栅极间的电势差，电场在靠近漏极的侧边拥挤导致缓冲层电流泄露，容易引发电离撞击产生雪崩过程，导致器件击穿。同时介电层和AlGaN势垒层间存在较多的电子阱态，使得栅极下方由源极向漏极方向电流集中度不均匀，AlGaN势垒层实际上并未充分发挥承载反向耐压的作用，导致器件击穿电压往往低于理论预期值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述凹槽栅MIS结构高电子迁移率晶体管的已有技术缺陷，提供一种高性能MIS栅增强型GaN基HEMT器件及其制作方法，通过在器件中AlGaN势垒层两侧分别形成不同梯度的n/p掺杂层，抑制源-漏方向的电流拥挤，同时金属栅极下方连接p-GaN半导体，上方与场板接触，进一步控制栅极下方的的电荷拥挤，使得二维电子气沟道的电子运输更加平滑，保证器件高电流密度和高电子迁移率的情况下，实现击穿电压的可调控提升，降低导通电阻，改善器件功率特性和可靠性。针对上述目的，本专利技术至少提供如下技术方案：高性能MIS栅增强型GaN基高电子迁移率晶体管，其包括，依次层叠的硅衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlGaN层以及源/漏极，所述AlGaN层由p掺杂漂移AlGaN区域、n掺杂漂移AlGaN区域以及AlGaN势垒层组成，所述p掺杂漂移AlGaN区域位于源极下方，所述n掺杂漂移AlGaN区域位于漏极下方；钝化层，位于所述AlGaN层上的源极和漏极之间；凹槽，沿所述钝化层的表面延伸至所述AlGaN势垒层中一定深度；介电层，位于所述钝化层表面并延伸至所述凹槽中；p-GaN区域，填充所述凹槽；栅极，与所述p-GaN区域上表面接触；场板，与所述栅极以及所述介电层接触。进一步的，所述p掺杂漂移AlGaN区域以及所述n掺杂漂移AlGaN区域的Al组分自其区域的下表面至上表面线性递减，其下表面Al组分为1，其上表面Al组分为0.25。进一步的，所述AlGaN层的厚度为2μm，所述p掺杂漂移AlGaN区域以及所述n掺杂漂移AlGaN区域的宽度均为4μm。进一步的，所述凹槽延伸至所述AlGaN势垒层中的深度为1μm，所述p-GaN区域的厚度为3μm。进一步的，所述钝化层为SiN。进一步的，所述介电层为HfO2。进一步的，所述钝化层的厚度为2μm，所述介电层的厚度为0.5μm。进一步的，所述源/漏极为Ti/Al/Ni/Au欧姆接触复合金属层，所述栅极为Ni/Au复合金属层。高性能MIS栅增强型GaN基高电子迁移率晶体管的制备方法，其包括如下步骤，对硅衬底进行热处理和表面氮化；在氮化后的所述硅衬底表面依次外延生长AlN成核层、GaN缓冲层以及AlGaN势垒层，形成外延片；刻蚀所述AlGaN势垒层中的预定区域以形成源极区域、漏极区域以及凹槽栅区域；在所述源极区域、所述漏极区域外延生长Al组分漂移的AlGaN，对所述源极区域的AlGaN进行p掺杂，对所述漏极区域的AlGaN进行n掺杂，形成p掺杂漂移AlGaN区域以及n掺杂漂移AlGaN区域；沉积钝化层；刻蚀所述凹槽栅区域的钝化层，暴露所述AlGaN势垒层以形成栅极窗口；沉积介电层；刻蚀p掺杂漂移AlGaN区域以及n掺杂漂移AlGaN区域上方的所述介电层以及所述钝化层，以形成源极区域图案和漏极区域图案；在所述源极区域图案和所述漏极区域图案中沉积欧姆接触金属层，以形成源极和漏极；在所述栅极窗口外延生长p-GaN区域；在所述p-GaN区域沉积金属层以形成栅极；在所述栅极以及所述介电层表面沉积场板金属。进一步的，所述沉积介电层的步骤包括以下步骤：采用等离子增强原子层沉积法，先在1500W功率，温度为300℃的高温下，以900sccm的N2气对所述凹槽栅区域进行等离子体处理10分钟，然后沉积厚度为0.5μm的HfO2介电层。进一步的，所述p掺杂漂移AlGaN区域以及n掺杂漂移AlGaN区域中Al组分自所述区域的下表面至上表面线性递减，其下表面Al组分为1，其上表面Al组分为0.25。与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益效果：本专利技术的MIS栅增强型GaN基高电子迁移率晶体管通过在AlGaN势垒层两侧分别形成不同Al组分梯度的n/p掺杂层，使得在纵向的Al组分增加下和横向的p/n极性的引导下，抑制了源-漏方向的电流拥挤，避免了源极侧的电流崩塌，增加了漏极侧的二维电子气传输速度。在关态时降低了反向漏电流，并在高场下注入空穴提升导通电阻的稳定性，在高压阻挡态下能有效调节栅极下方的表面电场和体电场，抑制缓冲层电流泄露，减小栅-漏侧峰值电场，提高器件击穿电压。同时金属栅极下方连接p-GaN半导体层，上方加上场板，进一步控制栅极下方的电荷拥挤，使得二维电子气沟道的电子运输更加平滑，器件关态下栅极向漏极的导带能级和电势轮廓能够较为线性的展开，开态下载流子流向更为平坦，缓解了因电势剧烈的变化可能引起的电流崩塌和电压击穿。保证器件高电流密度和高电子迁移率的情况下，实现击穿电压的可调控提升，降低导通电阻，改善器件功率特性和可靠性。附图说明图1是本专利技术高性能MIS栅增强型GaN基高电子迁移率晶体管的剖面图。图2是本专利技术高性能MIS栅增强型GaN基高电子迁移率晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高性能MIS栅增强型GaN基高电子迁移率晶体管，其包括，依次层叠的硅衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlGaN层以及源/漏极，/n所述AlGaN层由p掺杂漂移AlGaN区域、n掺杂漂移AlGaN区域以及AlGaN势垒层组成，所述p掺杂漂移AlGaN区域位于源极下方，所述n掺杂漂移AlGaN区域位于漏极下方；/n钝化层，位于所述AlGaN层上的源极和漏极之间；/n凹槽，沿所述钝化层的表面延伸至所述AlGaN势垒层中一定深度；/n介电层，位于所述钝化层表面并延伸至所述凹槽中；/np-GaN区域，填充所述凹槽；/n栅极，与所述p-GaN区域上表面接触；/n场板，与所述栅极以及所述介电层接触。/n

【技术特征摘要】
1.高性能MIS栅增强型GaN基高电子迁移率晶体管，其包括，依次层叠的硅衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlGaN层以及源/漏极，
所述AlGaN层由p掺杂漂移AlGaN区域、n掺杂漂移AlGaN区域以及AlGaN势垒层组成，所述p掺杂漂移AlGaN区域位于源极下方，所述n掺杂漂移AlGaN区域位于漏极下方；
钝化层，位于所述AlGaN层上的源极和漏极之间；
凹槽，沿所述钝化层的表面延伸至所述AlGaN势垒层中一定深度；
介电层，位于所述钝化层表面并延伸至所述凹槽中；
p-GaN区域，填充所述凹槽；
栅极，与所述p-GaN区域上表面接触；
场板，与所述栅极以及所述介电层接触。


2.根据权利要求1的所述高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述p掺杂漂移AlGaN区域以及所述n掺杂漂移AlGaN区域的Al组分自其区域的下表面至上表面线性递减，其下表面Al组分为1，其上表面Al组分为0.25。


3.根据权利要求1的所述高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述AlGaN层的厚度为2μm，所述p掺杂漂移AlGaN区域以及所述n掺杂漂移AlGaN区域的宽度均为4μm；所述凹槽延伸至所述AlGaN势垒层中的深度为1μm，所述p-GaN区域的厚度为3μm。


4.根据权利要求1的所述高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述钝化层为SiN。


5.根据权利要求1的所述高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述介电层为HfO2。


6.根据权利要求1的所述高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述钝化层的厚度为2μm，所述介电层的厚度为0.5μm。


7.根据权利要求1的所述高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述源/漏极为Ti/Al/Ni/Au...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭志友，李渊，夏凡，谭秀洋，马建铖，夏晓宇，张淼，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44