一种大阈值电压的常闭型高电子迁移率晶体管器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种大阈值电压的常闭型高电子迁移率晶体管器件及其制备方法，该方法创造性的使用二硫化钼(MoS2)覆盖层替代p型氮化镓(p

【技术实现步骤摘要】
一种大阈值电压的常闭型高电子迁移率晶体管器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及第三代宽禁带半导体器件领域，具体涉及一种大阈值电压的常闭型高电子迁移率晶体管器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]与第一代半导体材料(硅、锗)、第二代半导体材料(砷化镓、磷化铟等)相比，第三代半导体材料氮化镓(GaN)因其宽带隙、高电荷密度、耐高压、高电子迁移率等优良特性成为了极端环境中大功率器件的首选材料。特别的，基于AlGaN/GaN异质结构的高电子迁移率晶体管(HEMTs)具有优异的性能。AlGaN/GaN HEMTs的重点就在于AlGaN/GaN异质结构，由于两种材料禁带宽度的不同及晶格不匹配引起的极化效应，都会导致大量二维电子气(2DEG)的产生。GaN材料的高临界击穿电场以及2DEG的高迁移率和电子密度，使GaN基HEMTs相较于硅基同类产品来说，可以在更高的电压、电流、频率和温度下工作。显然，AlGaN/GaN HEMTs由于栅极下方有大量的2DEG，其工作本质上处于常开状态，虽然可以用于低压和高频的环境中，但在电子电力应用中，基于安全的原因和需要简化驱动电路，常闭型HEMTs的实现是必要的。
[0003]如今最受欢迎且最有前途的方法是在栅极下方的AlGaN/GaN异质结构上使用p
‑
GaN(或p
‑
AlGaN、氧化镍NiO)覆盖层。这样即使没有外部施加的偏压，由于p
‑
GaN覆盖层的存在，AlGaN势垒层不直接与金属栅极的能带进行相互作用，其能带被抬高，因此当势垒层与沟道接触时，覆盖层下方的GaN沟道层中的导带会被抬高至费米能级之上，导致该区域的2DEG沟道耗尽，从而器件实现常闭状态。
[0004]半导体异质结是几乎所有半导体器件的核心结构之一。在窄带隙材料和宽带隙材料构成的异质结中，带隙能量的一致性在决定结的特性中起重要作用。同时这些半导体的电子亲和能不同，也会导致导带Ec和价带Ev在界面处的组合对齐方式不同。根据组成材料的带隙以及异质结处的带偏移，异质结的能带结构可以分为三种类型：type1跨骑，type2交错，type3错层(如图2)。而在常闭型AlGaN/GaN HEMTs中使用最广泛的p
‑
GaN覆盖层与AlGaN势垒层也形成了一个异质结，其中GaN材料的带隙为3.4eV，电子亲和能为4.2eV；AlGaN材料的带隙为3.98eV，电子亲和能为4.1eV，相比较来说GaN是窄带隙材料，AlGaN是宽带隙材料。它们接触所形成的是type1类型的跨骑异质结构，GaN材料的Ec低于AlGaN材料，而Ev高于AlGaN材料。最近已有研究人员使用p
‑
NiO来替代p
‑
GaN覆盖层，因NiO材料的电子亲和能比AlGaN材料小，为2.5eV，且它的带隙为4.0eV，在与AlGaN势垒层接触时，形成type2交错型的异质结构，该结构与type1相比，较低Ec和较高Ev的位置发生变化，NiO的导带高于AlGaN的导带，NiO的价带位于AlGaN的导带和价带之间，因此在AlGaN的Ec处收集的电子和在NiO的Ev处收集的空穴被限制在不同的空间中，但由于交错结构，AlGaN的导带和NiO的价带靠的很近，导带中的电子很容易通过陷阱态进入价带中与空穴进行复合，形成隧穿效应。所谓隧穿效应，即能量低于势垒顶的电子有一定概率穿过势垒，穿透的概率与电子能量和势垒厚
度有关。隧穿效应的存在使得当外加电压很小时，器件也会导通从而产生极大的隧穿电流，即器件阈值电压很小。同时，使用NiO材料制备覆盖层时，有着无法避免的问题：NiO的空穴浓度低，通常在10
15
至10
18
cm
‑3的范围内，限制了AlGaN/GaN通道处2DEG的耗尽能力；且AlGaN/GaN上的本征p型氧化物，通常通过磁控溅射、金属热氧化和金属有机化学气相沉积制造，其生长质量和界面状态较差，并在氧气环境下进行相应的后退火或氧化工艺可能会损坏AlGaN/GaN通道处的2DEG，从而导致器件失效。
[0005]目前，过度金属硫族化合物因其独特的层状材料结构和物理特性而广受关注，尤其是单层二硫化钼(MoS2)，它的整体物理结构类似于石墨烯蜂窝晶格，由中间一层钼原子以及上下两层硫原子组成，是一种具有超薄的厚度、原子级平整的界面、宽的禁带宽度、高的迁移率及电流开关的二维半导体材料，其电子亲和能约为3.97eV，带隙约为1.72eV。而六方氮化硼(h
‑
BN)是由等量硼、氮原子通过共价键形成的二元化合物，被人们俗称为“白色石墨”，拥有类似于石墨的层状结构，具有良好的电绝缘性、导热性、润滑性、耐高温性、耐化学腐蚀性等。在h
‑
BN薄膜上直接生长的MoS2具有较小的晶格应变、较低的掺杂量、更干净、锐利的界面且具有更高质量的层间接触；并且二维材料的界面上没有外悬空化学键，这使得它们在三维材料上的生长具有灵活性，制作的器件界面也更加干净。与NiO材料相比，使用MoS2材料替代p
‑
GaN覆盖层，MoS2中具有更高的空穴密度(约3.1*10
20
cm
‑3)更有助于耗尽AlGaN/GaN异质结构中的2DEG；此外，MoS2在与AlGaN势垒层接触时可以更好的形成type2交错型的异质结构，此时MoS2对其下方GaN沟道中的能带提升效果更好。同时为了有效的抑制由交错型异质结构带来的隧穿效应，本专利技术在MoS2覆盖层下方引入了h
‑
BN绝缘层，从而提高电势，促进阈值电压的正向移位；当外加电压达到器件阈值电压时，h
‑
BN绝缘层中会产生隧穿效应，此时器件可以获得更大的饱和漏电流，器件的电学性能得到提高。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于提供一种大阈值电压的常闭型高电子迁移率晶体管器件，为提高常闭型高电子迁移率晶体管(HEMTs)的阈值电压提供了一种实际的解决方法，为二维材料在HEMT器件中应用提供了一个可行的探索思路，对功率开关器件的发展起到了一定的促进作用。
[0007]本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种大阈值电压的常闭型高电子迁移率晶体管器件，包括碳化硅衬底，且在衬底上自下而上生长的氮化铝成核层，铝镓氮弛豫层，铝镓氮缓冲层，氮化镓沟道，铝镓氮势垒层，所述铝镓氮势垒层上方两端设有源极和漏极，铝镓氮势垒层上方在源极和漏极之间任一位置设有六方氮化硼绝缘层，所述六方氮化硼绝缘层上自下而上生长二硫化钼覆盖层和栅极；六方氮化硼绝缘层与源极之间以及与漏极(9)之间均设有氮化硅钝化层。
[0009]进一步的，所述AlGaN弛豫层为两层，自下而上分别为Al
0.5
Ga
0.5
N弛豫层、Al
0.25
Ga
0.75
N弛豫层；
[0010]进一步的，所述AlGaN缓冲层为Al
0.05
Ga
0.95...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大阈值电压的常闭型高电子迁移率晶体管器件，其特征在于：包括碳化硅衬底(1)，且在衬底上自下而上生长的氮化铝成核层(2)，铝镓氮弛豫层，铝镓氮缓冲层(5)，氮化镓沟道(6)，铝镓氮势垒层(7)，所述铝镓氮势垒层(7)上方两端设有源极(8)和漏极(9)，铝镓氮势垒层(7)上方在源极(8)和漏极(9)之间任一位置设有六方氮化硼绝缘层(11)，所述六方氮化硼绝缘层(11)上自下而上生长二硫化钼覆盖层(12)和栅极(13)；六方氮化硼绝缘层(11)与源极(8)之间以及与漏极(9)之间均设有氮化硅钝化层(10)。2.根据权利要求1所述的大阈值电压的常闭型高电子迁移率晶体管器件，其特征在于：所述铝镓氮弛豫层为两层，自下而上分别为Al
0.5
Ga
0.5
N弛豫层(3)、Al
0.25
Ga
0.75
N弛豫层(4)。3.根据权利要求1所述的大阈值电压的常闭型高电子迁移率晶体管器件，其特征在于：所述铝镓氮缓冲层(5)为Al
0.05
Ga
0.95
N缓冲层(5)。4.根据权利要求1所述的大阈值电压的常闭型高电子迁移率晶体管器件，其特征在于：所述铝镓氮势垒层(7)中的Al组分为0.1
‑
0.4，Ga的组分含量与Al的组分含量之和为1。5.根据权利要求4所述的大阈值电压的常闭型高电子迁移率晶体管器件，其特征在于：所述铝镓氮势垒层(7)厚度为10
‑
25nm。6.根据权利要求1
‑
5任一所述的一种大阈值电压的常闭型高电子迁移率晶体管器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，获得[0001]方向的碳化硅晶圆作为碳化硅衬底(1)；步骤2，在碳化硅衬底(1)上通过金属有机化学气相沉积自下而上生长氮化铝成核层(2)，Al
0.5
Ga
0.5
N弛豫层...

【专利技术属性】
技术研发人员：余晨辉，秦嘉怡，沈倪明，成田恬，罗曼，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：