一种基于铁电栅介质的增强型HEMT器件及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于铁电栅介质的增强型HEMT器件及其制作方法，该方法在衬底上制备异质结构，异质结构界面形成二维电子气，在异质结构上制备形成源极和漏极，在异质结构表面制备ε相氧化镓层形成铁电栅介质，ε相氧化镓层不与源极、漏极同时连通，然后在ε相氧化镓层上表面制备栅极。本发明专利技术以超宽禁带半导体ε‑Ga

【技术实现步骤摘要】
一种基于铁电栅介质的增强型HEMT器件及其制作方法
本专利技术涉及一种基于铁电栅介质的增强型HEMT器件及其制作方法，属于高电子迁移率晶体管

技术介绍
目前，以GaN为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速率高、介电常数小和击穿场强高等特点，成为高压、高功率器件的重要材料，非常适用于制作高频、高速、高功率、抗辐射、高集成度的电子器件和电路，在电池充电器、智能手机、计算机、服务器、汽车、通讯、照明系统和光伏领域的功率转换市场发挥着关键作用，对国民经济发展具有极为重要的意义。高电子迁移率晶体管(HighElectronMobilityTransistor，缩写HEMT)是最重要的功率开关器件之一，由于高功率密度，高击穿电压和高开关速度及良好的频率特性，GaN-HEMTs在电动汽车充电系统、功率开关、5G通信射频功率放大等方面得到了很好的展示。然而，GaN-HEMTs优异的器件性能主要源于AlGaN/GaN(氮化镓铝/氮化镓)界面二维电子气(Two-dimensionalelectrongas，缩写2DEG，下同)的存在。由于极化不连续和巨大的能带偏移，AlGaN/GaN界面势阱出可极化诱导形成高浓度高迁移率的2DEG，使得GaN-HEMTs在高压、高频、高功率应用领域表现出优良特性。基于强极化诱导作用和巨大能带偏移(bandoffset)，AlGaN/GaN异质结构界面的量子阱内可形成强量子局域化的高浓度二维电子气系统，即使在不掺杂的情况下，也可感生高达约1013cm-2的2DEG，通常情况下，(20nm)Al0.3Ga0.7N/GaN浓度可达约1.5×1013cm-2，载流子饱和迁移率可达1.5×107cm2/Vs。但是仍然存在一些问题，较为突出的为增强型HEMT难以实现的问题。由于AlGaN/GaN界面极化诱导的2DEG，制备的HEMT大都为耗尽型器件，从电路应用的角度来看，增强型(E-mode)HEMT器件具有更低的功耗和更简单的电路设计，也是实现COMS集成电路的前提条件。可以使用P-GaN帽层、栅极F-注入、沟槽栅等办法实现增强型器件，但以上方法存在一些弊端，如使用沟槽栅的方法很难获得优异的器件性能，因为刻蚀会对材料造成损伤；高能量F-注入会对栅下的沟道造成损伤；P-GaN帽层的方法虽已商业应用，但存在使栅极(gatestack)变厚、栅控能力变弱的缺点。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于铁电栅介质的增强型HEMT器件及其制作方法，能够解决上述
技术介绍
中提及的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于铁电栅介质的增强型HEMT器件，包括衬底和制备在衬底上的异质结构，异质结构界面形成二维电子气，所述异质结构上制备有ε-Ga2O3外延层，所述异质结构上位于ε-Ga2O3外延层的两侧制备有源极和漏极，所述ε-Ga2O3外延层不与源极和漏极连通；所述ε-Ga2O3外延层上制备有栅极。进一步地，所述异质结构为氮化镓铝/氮化镓异质结构，或者，为氧化镁锌/氧化锌异质结构。一种基于铁电栅介质的增强型HEMT器件的制作方法，包括：准备衬底；在所述衬底上制备形成异质结构，异质结构界面形成二维电子气；在所述异质结构上制备形成源极和漏极，所述源极和漏极与所述异质结构形成欧姆接触；在所述异质结构表面制备ε-Ga2O3外延层形成铁电栅介质，所述ε-Ga2O3外延层不与源极和漏极连通；在所述ε-Ga2O3外延层上表面制备栅极，所述栅极与ε-Ga2O3外延层形成肖特基接触。进一步地，所述异质结构包括两层薄膜层，为氮化镓铝/氮化镓异质结构，或者，为氧化镁锌/氧化锌异质结构。进一步地，当异质结构为氮化镓铝/氮化镓异质结构时，所述氮化镓层形成在所述衬底上，所述氮化镓铝层形成在所述氮化镓层上。进一步地，所述氮化镓层的厚度为500nm-1μm；所述氮化镓铝层的厚度为20-30nm，氮化镓铝层中Al的组分为0.2-0.3。进一步地，所述在所述异质结构上制备形成源极和漏极，包括：在所述异质结构上进行器件隔离，刻蚀深度穿过所述异质结构上的第一层薄膜层到达第二薄膜层；使用光刻、热蒸发工艺在所述异质结构器件源漏端沉积Ti/Al/Ni/Au叠层金属，完成快速热退火后与所述异质结构形成欧姆接触，制备形成所述源极和漏极。进一步地，所述在所述异质结构表面制备ε-Ga2O3外延层形成铁电栅介质，包括：使用Mist-CVD方法或者HVPE方法在所述异质结构表面制备形成所述ε-Ga2O3外延层。进一步地，当使用Mist-CVD方法制备时，使用乙酰丙酮镓为镓源；当使用HVPE方法制备时，使用氯化镓和氧气为前驱体。进一步地，所述ε-Ga2O3外延层的厚度为10-20nm，制备温度为500-600℃。本专利技术的有益效果是：本专利技术以超宽禁带半导体ε-Ga2O3作为栅介质，将其与AlGaN/GaN异质结构相结合，提出在AlGaN/GaN异质结上生长ε-Ga2O3外延薄膜，构建和制备基于ε-Ga2O3铁电栅介质的AlGaN/GaNHEMT器件，基于ε-Ga2O3强的自发极化和铁电特性，形成具有铁电栅介质的AlGaN/GaNHEMT结构，利用ε-Ga2O3强的自发极化和外加电场下的极化翻转行为和特性，当ε-Ga2O3沿c轴方向的自发极化与GaN方向相反时，在ε-Ga2O3势垒层的强极化场作用下，AlGaN导带被抬高，AlGaN/GaN异质结界面的2DEG被耗尽，从而实现增强型HEMT器件。相比于栅极F-注入、沟槽栅等现有实现增强型器件的方法相比，使用该制备方法制备得到的增强型HEMT器件利用ε-Ga2O3作为栅介质的方法可规避对栅下的沟道造成损伤，相比于P-GaN帽层实现增强型器件的方法来说，使用该制备方法制备得到的增强型HEMT器件使用的薄的栅介质可保证较强的栅控能力。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的制备流程图；图3为通过薛定谔-泊松方程迭代求解得到的增强型HEMT结构中AlGaN/GaN界面2DEG的耗尽示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术实施中的技术方案进行清楚，完整的描述，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1至图3所示，本专利技术提供的一种基于铁电栅介质的增强型HEMT器件，包括衬底1和制备在衬底1上的异质结构，异质结构界面形成二维电子气(2DEG)，所述异质结构上制备有ε-Ga2O3外延层6，所述异质结构上位于ε-Ga2O3外延层6的两侧制备有源极Source5和漏极Drain9，所述ε-Ga2O3外延层6不与源极Source5和漏极Drain9连通；所述ε-Ga2O3外延层6上制备有栅极Gate7。由于沿c轴方向ε-Ga2O3的自发极化和异质结构的下层自发极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于铁电栅介质的增强型HEMT器件，包括衬底和制备在衬底上的异质结构，异质结构界面形成二维电子气，其特征在于，所述异质结构上制备有ε-Ga

【技术特征摘要】
1.一种基于铁电栅介质的增强型HEMT器件，包括衬底和制备在衬底上的异质结构，异质结构界面形成二维电子气，其特征在于，所述异质结构上制备有ε-Ga2O3外延层，所述异质结构上位于ε-Ga2O3外延层的两侧制备有源极和漏极，所述ε-Ga2O3外延层不与源极和漏极连通；所述ε-Ga2O3外延层上制备有栅极。


2.根据权利要求1所述的一种基于铁电栅介质的增强型HEMT器件，其特征在于，所述异质结构为氮化镓铝/氮化镓异质结构，或者，为氧化镁锌/氧化锌异质结构。


3.一种基于铁电栅介质的增强型HEMT器件的制作方法，其特征在于，包括：
准备衬底；
在所述衬底上制备形成异质结构，异质结构界面形成二维电子气；
在所述异质结构上制备形成源极和漏极，所述源极和漏极与所述异质结构形成欧姆接触；
在所述异质结构表面制备ε-Ga2O3外延层形成铁电栅介质，所述ε-Ga2O3外延层不与源极和漏极连通；
在所述ε-Ga2O3外延层上表面制备栅极，所述栅极与ε-Ga2O3外延层形成肖特基接触。


4.根据权利要求3所述的一种基于铁电栅介质的增强型HEMT器件的制作方法，其特征在于，所述异质结构包括两层薄膜层，为氮化镓铝/氮化镓异质结构，或者，为氧化镁锌/氧化锌异质结构。


5.根据权利要求4所述的一种基于铁电栅介质的增强型HEMT器件的制作方法，其特征在于，当异质结构为氮化镓铝/氮化镓异质结构时，所述氮化镓层形成在所述衬底上，所述氮化镓铝...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彦芳，周思彤，徐锋，肖国玲，杨建平，
申请(专利权)人：无锡职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32