一种增强型氮化镓基晶体管及其制备方法技术

一种增强型氮化镓基晶体管，自下而上包括衬底、复合缓冲层、沟道层和势垒层，在势垒层上设置有P型氮化物帽层、钝化层、源电极、漏电极和栅电极，P型氮化物帽层在侧面和顶面均被栅电极包围，钝化层布设于栅电极与源电极之间以及栅电极与漏电极之间；栅电极与势垒层形成肖特基接触，源电极和漏电极均与势垒层形成欧姆接触；沟道层与势垒层之间形成异质结，且极化效应在异质结界面的沟道层一侧形成二维电子气沟道。该P型氮化物帽层耗尽了沟道中的部分二维电子气，提高了器件的阈值电压，实现增强型器件的目的，P型氮化物帽层周围的栅电极解决了常规P型氮化物增强型器件栅控能力弱、导通电阻大等问题，且减小了栅长，提高了频率特性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种增强型氮化镓基晶体管及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体器件
，特别涉及一种增强型氮化镓基晶体管及其制备方法。

技术介绍

[0002]氮化镓作为第三代半导体的典型材料，具有禁带宽度大(3.4eV)、电子迁移率高、电子饱和速度高，在下一代射频器件、电力电气器件等领域具有广泛的应用潜力。特别是氮化镓材料和其他III
‑
V族氮化物材料(如AlGaN)可以形成具有异质结结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)，这是因为氮化物材料特有的自发极化和压电极化效应会在异质结界面形成浓度较高(1
×
10
13
cm
‑2)，迁移率较大(2000cm2/V
·
s)的二维电子气，从而基于氮化镓异质结结构而制备的高电子迁移率晶体管(HEMT)，具有高击穿电压、低导通电阻、高开关频率、体积小等特性，适合在高温、高频、强高辐射、大功率下工作的能力，被认为是下一代电力电子系统的候选核心开关器件，适合应用于消费电子、数据中心电源、家用电器、电动汽车、轨道交通、智能电网等领域。
[0003]而也正是因为二维电子气是在异质结结构形成时便已形成，所以该器件的导通沟道是常开的，需要在栅极加一定的反向电压才能使器件沟道中的二维电子气耗尽达到关断状态。但氮化镓基HEMT作为电力电子器件应用于各种大功率应用中，通常常关晶体管是首选，以保证电力电子系统的安全运行，减少负压产生电路和保护电路的需求，从而简化电路和系统设计，减小静态功耗等，这都要求器件在零栅压下处于关断状态，这种器件也称为增强型器件。
[0004]目前，已经报道的实现氮化镓基增强型HEMT器件的方法有，薄势垒层、槽栅、栅下pn结、栅下区域氟等离子注入等，其中P型氮化镓作为栅帽层的器件因为其所表现出的高阈值电压(2V左右)，较高的栅极电压摆幅等优异性能受到人们的广泛关注，该P型氮化镓层的作用为提升能带，耗尽栅下沟道层中的二维电子气，从而实现增强型的目的。到现在为止，P型氮化镓栅极技术已经成为主要的氮化镓基增强型HEMT器件实现方法，但是这种技术目前依然存在不足之处，因为在栅电极下引入P型氮化镓结构实现增强型器件的同时，也增大了栅极金属到沟道层的距离，导致器件跨导峰值下降，降低了栅控能力，同时栅极下方区域沟道中的二维电子气全部被耗尽，使得器件的导通电阻增大，为了解决该问题一般可通过减薄P型氮化镓层，但是过薄会影响到器件的阈值电压，从而丧失增强型功能。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种增强型氮化镓基晶体管及其制备方法，利用所设计栅极结构和P型氮化物帽层提高了器件的阈值电压，得到增强型GaN基晶体管，解决了目前常规P型氮化物增强型器件栅控能力弱，导通电阻大等问题，提高其栅控能力和导通特性；且相比传统增强型器件，该结构栅长的减小使器件的频率特性得到提高。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种增强型氮化镓基晶体管，包括自下而上的衬底、复合缓冲层、沟道层和势垒层，所述复合缓冲层、沟道层和势垒层均采用三族氮化物半导体，在所述势垒层上设置有P型氮化物帽层、钝化层、源电极、漏电极和栅电极，所述P型氮化物帽层在侧面和顶面均被所述栅电极包围，所述钝化层布设于所述栅电极与源电极之间以及所述栅电极与漏电极之间；所述栅电极与势垒层形成肖特基接触，所述源电极和漏电极均与势垒层形成欧姆接触；所述沟道层与势垒层之间形成异质结，并由极化效应在异质结界面的沟道层一侧形成二维电子气沟道，所述P型氮化物帽层使得器件沟道中的二维电子气部分耗尽，使器件在未加栅压下处于关断状态，实现增强型的目的。
[0008]在一个实施例中，所述衬底为硅、蓝宝石、碳化硅、金刚石中的一种。
[0009]在一个实施例中，所述三族氮化物半导体为氮化镓、氮化铝、氮化铟或者其中两种或多于两种组成的多元化合物。
[0010]在一个实施例中，所述复合缓冲层包括三层，自下而上分别为成核层、过渡层与缓冲层，所述成核层的材料采用AlN或GaN，厚度100
‑
300nm；所述过渡层的材料采用AlGaN，厚度为200
‑
1000nm；所述缓冲层的材料采用GaN或AlGaN，厚度为100
‑
3000nm。
[0011]在一个实施例中，所述沟道层的材料采用GaN或InGaN，厚度为50nm
‑
500nm；所述势垒层的材料采用AlGaN或InAlN或AlN或InAlGaN，厚度为2
‑
40nm；所述钝化层材料采用SiN或SiO2或Al2O3，厚度为10
‑
300nm；所述P型氮化物帽层的材料采用GaN或InGaN，掺杂杂质为Mg，掺杂浓度为1
×
10
17
‑7×
10
19
，厚度为50
‑
200nm。
[0012]在一个实施例中，所述栅电极采用两层金属，下面一层的材料采用Ti或Ni或Al或Ta或TiN或TaN；所述源电极和所述漏电极采用四层金属，最下面两层的材料采用Ti/Al或Ta/Al或Mo/Al。
[0013]在一个实施例中，所述势垒层与沟道层之间设有一层隔离层，隔离层的材料采用AlN，厚度为0.5
‑
2nm。
[0014]本专利技术还提供了所述增强型氮化镓基晶体管的制备方法，包括以下步骤：
[0015]S1：在衬底上采用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法依次外延生长三族氮化物作为复合缓冲层；
[0016]S2：在复合缓冲层上采用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法外延生长沟道层、势垒层和P型氮化物帽层；
[0017]S3：在势垒层和沟道层上制备器件的电学隔离；
[0018]S4：在势垒层表面将部分P型氮化物帽层去除，采用真空蒸发或者磁控溅射技术制备源电极和漏电极，并进行高温热退火，以与二维电子气形成欧姆接触；
[0019]S5：采用真空蒸发或者磁控溅射技术制备栅电极，与势垒层形成肖特基接触，且栅电极包围P型氮化物帽层；
[0020]S6：采用PECVD淀积的方法在势垒层表面源电极和漏电极之间淀积一层氮化物薄膜，形成钝化层。
[0021]在一个实施例中，所述S1，依次生长三族氮化物成核层、过渡层和缓冲层，作为复合缓冲层；所述S2，在沟道层和势垒层还生长隔离层。
[0022]在一个实施例中，所述S1采用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，是先在500
‑
650℃低温条件下用MOCVD方法生长成核层，再升高温度到1000
‑
1100℃用MOCVD方法生长过渡层和缓冲层。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0024]第一，本专利技术所述的具有被栅电极所包围的P型氮化镓帽层的增强型器件，在不改变P
‑
GaN帽层厚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增强型氮化镓基晶体管，包括自下而上的衬底(1)、复合缓冲层(2)、沟道层(3)和势垒层(4)，其特征在于，所述复合缓冲层(2)、沟道层(3)和势垒层(4)均采用三族氮化物半导体，在所述势垒层(4)上设置有P型氮化物帽层(6)、钝化层(5)、源电极(7)、漏电极(8)和栅电极(9)，所述P型氮化物帽层(6)在侧面和顶面均被所述栅电极(9)包围，所述钝化层(5)布设于所述栅电极(9)与源电极(7)之间以及所述栅电极(9)与漏电极(8)之间；所述栅电极(9)与势垒层(4)形成肖特基接触，所述源电极(7)和漏电极(8)均与势垒层(4)形成欧姆接触；所述沟道层(3)与势垒层(4)之间形成异质结，并由极化效应在异质结界面的沟道层(3)一侧形成二维电子气沟道，所述P型氮化物帽层(6)使得器件沟道中的二维电子气部分耗尽，使器件在未加栅压下处于关断状态，实现增强型的目的。2.根据权利要求1所述增强型氮化镓基晶体管，其特征在于，所述衬底(1)为硅、蓝宝石、碳化硅、金刚石中的一种。3.根据权利要求1所述增强型氮化镓基晶体管，其特征在于，所述三族氮化物半导体为氮化镓、氮化铝、氮化铟或者其中两种或多于两种组成的多元化合物。4.根据权利要求1所述增强型氮化镓基晶体管，其特征在于，所述复合缓冲层(2)包括三层，自下而上分别为成核层(21)、过渡层(22)与缓冲层(23)，所述成核层(21)的材料采用AlN或GaN，厚度100
‑
300nm；所述过渡层(22)的材料采用AlGaN，厚度为200
‑
1000nm；所述缓冲层(23)的材料采用GaN或AlGaN，厚度为100
‑
3000nm。5.根据权利要求1所述增强型氮化镓基晶体管，其特征在于，所述沟道层(3)的材料采用GaN或InGaN，厚度为50nm
‑
500nm；所述势垒层(4)的材料采用AlGaN或InAlN或AlN或InAlGaN，厚度为2
‑
40nm；所述钝化层(5)材料采用SiN或SiO2或Al2O3，厚度为10
‑
300nm；所述P型氮化物帽层(6)的材料采用GaN或InGaN，掺杂杂质为Mg，掺杂浓度为1<...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐美，刘志宏，樊雨佳，许淑宁，邢伟川，周瑾，杨伟涛，冯欣，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：