[发明专利]一种GaN基增强型MOSHFET器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种GaN增强型MOSHFET器件及其制备方法，尤其涉及一种在高温大功率开关器件的GaN增强型MOSHFET器件及其制备方法。

背景技术

半导体功率开关器件是电能传输和控制过程中所必需的功能元器件。而以GaN为代表的第三代半导体制成的功率开关器件，以其宽禁带、高击穿电场强度、高热导率、高饱和电子漂移速度、异质结界面二维电子气浓度高等优异的材料性能，与传统Si基功率器件相比具有开关速度快、损耗低、耐热温度高等优点，是下一代节能功率器件的理想替代品。

对于GaN电力电子器件的商业化、实用化，为保证系统失效安全性，要求器件类型为增强(常关)型。本发明涉及的高阈值电压增强(常关)型HFET不仅满足保证失效安全的要求，同时可有效避免噪声信号对系统的干扰。

目前实现GaN基增强型器件主要有以下两种种技术方案：传统的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)及基于AlGaN/GaN异质结的肖特基栅、场效应晶体管(HFET)。

传统的MOSFET这种技术方案在p型GaN层的源极及漏极区域，通过离子注入或者合金的方法，形成n+的接入区，同时在栅极加一定的正电压，使MOS结构工作在反型状态，在半导体p型GaN中靠近氧化层的界面处形成n型导电沟道，实现器件导通。传统的MOSFET对于提高阈值电压，减小漏电流方面具有很大的优势。但是由于p型GaN较难实现，迁移率低以及存在离子注入损伤，传统MOSFET也存在着导通电阻较大，电流密度较低等缺点。

基于AlGaN/GaN异质结肖特基栅场效应晶体管(HFET)实现增强型主要有两种方法，即凹栅技术和F离子注入技术。凹栅技术和F离子注入技术在减小导通电阻，增大电流密度方面具有很大的优势，但是缺点也较为明显。一：凹栅技术和F离子注入技术用到的等离子体处理会造成晶格损伤，工艺重复性差，影响器件的稳定性和可靠性；二：栅极漏电流很大，在栅压达到阈值电压后继续增大栅压时，漏电流迅速增大而使栅极失去对沟道的控制作用，不利于实现器件的大功率特性；三：由于AlGaN/GaN异质结具有很强的极化效应，在栅极不加任何电压时，都可以在异质结界面处形成高达1013cm-3的二维电子气(2DEG)，难以耗尽，所以通常阈值电压都很低，在0～1V左右，无法有效避免关态时外界噪声对系统的干扰，离实际应用需要的阈值电压3～5V还有一定差距。

为了有效避免外界噪声对系统的干扰，解决阈值电压低的问题，科研人员提出了结合MOSFET和AlGaN/GaN HFET二者优势的混合型MOSHFET结构，在栅极区域利用凹栅和MOS结构二者结合，实现了高的阈值电压以及低的漏电流，同时在接入区利用AlGaN/GaN异质结界面处产生的高浓度、高迁移率2DEG，低的导通电阻及高的电流密度。混合型MOSHFET有效的结合了MOSFET和AlGaN/GaN HFET二者的优势，是比较理想的技术路线。但是，通常MOSHFET的MOS结构中，半导体层都是非掺杂的u-GaN层(实际表现为弱n型)，这样的器件工作在积累区，阈值电压离实际应用要求的3～5V还有一定的距离；而且在实现增强型MOSHFET的过程中用到的凹栅技术采用等离子体刻蚀的工艺，对晶格结构造成损伤，增大沟道漏电流密度和导通电阻的同时降低了开态电流密度。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术进行改进，克服现有技术中的不足，提供一种GaN基增强型MOSHFET器件及其制备方法。

本发明结合MOSHFET高阈值电压，低栅极漏电流的特性，并结合选择区域二次生长技术，避免了刻蚀工艺对导电沟道的损伤，工艺简单，可重复性好，提高了器件的稳定性和可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：设计一种GaN增强型MOSFET器件，该器件包括衬底及生长在衬底之上的外延层，其中，外延层由下往上依次包括应力缓冲层及GaN层。GaN层上设有一层p-GaN层和p-GaN层外侧的异质结构势垒层，GaN层上在栅极区域选择生长一层p-GaN层，在接入区选择生长一层异质结构势垒层。p-GaN层及异质结势垒层表面形成一层绝缘介质层，且在p-GaN层表面形成的绝缘介质层为栅极区域，绝缘介质层部分覆盖异质结构势垒层并在异质结构势垒层未被覆盖的表面形成源极区域和漏极区域，栅极区域蒸镀栅极金属，源漏极区域蒸镀欧姆接触金属。

异质结构势垒层为AlGaN、AlInN、AlInGaN、AlN材料中的一种或任意几种组合，该异质结构势垒层为非掺杂层或n型掺杂层；GaN层为高阻GaN层。